Ein methodisches Protokoll und Überlegungen zur transkraniellen Ultraschallstimulation in explorativen klinischen Humanstudien

Summary

Transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) ist eine vielversprechende nicht-invasive Technik, die das menschliche Gehirn in jeder Tiefe stimulieren kann und neue therapeutische Möglichkeiten zur Behandlung verschiedener neurologischer Erkrankungen eröffnet. Dieses Protokoll bietet einen standardisierten, aber anpassungsfähigen empirischen Rahmen zur Anwendung von TUS bei neurotypischen Erwachsenen und Patienten mit neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall.

Abstract

Transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) entwickelt sich zu einer nicht-invasiven neuromodulatorischen Technik, die millimeterpräzise Stimulation in Heiltiefen liefern kann. Die Forschungsbeschäftigungen konzentrieren sich zunehmend auf ihr translationales Potenzial. Vielversprechende Daten wurden in mehreren Krankheitsgruppen berichtet, darunter Parkinson und Schlaganfall, was den Weg für klinische Anwendungen von TUS ebnet. Klinische Studien zeigen jedoch erhebliche Variabilitäten bei der Transducer-Fixierung, den Zielansätzen und den akustischen Parametern. Dies schränkt die Interpretierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse ein. Bestehende methodische Leitfäden behandeln menschliche TUS im Allgemeinen, konzentrieren sich jedoch nicht auf Anwendungen in neurologischen Populationen. Dieses experimentelle Protokoll bietet einen standardisierten, aber anpassungsfähigen Rahmen zur Anwendung von TUS auf neurologische Kohorten wie Schlaganfall. Es bietet detaillierte Anleitungen zu: (1) wesentlichen und optionalen Hardwarekomponenten im Kontext therapieorientierter TUS; (2) Hardware-Einstellungen und Parameterauswahl, einschließlich Strategien zur Minimierung auditiver Störungen; (3) Kalibrierungs- und Qualitätssicherungsverfahren, um sicherzustellen, dass der Wandler Wellenformen wie angegeben liefert; (4) Zielansätze basierend auf Simulations- oder Nicht-Simulationsmethoden zur genauen Lokalisierung des TUS-Fokuss/-Fokussen auf die beabsichtigten anatomischen Regionen(n); (5) Methodologieanpassung für klinische Populationen; und (6) Ergebnismaße für klinische TUS, darunter Sicherheitsbewertungen und Surrogat-Ergebnismaße wie kortikospinale Erregbarkeit und motorisches Sequenzlernen. Dieses Protokoll ist als replizierbare, modulare Ressource konzipiert. Es beherbergt sowohl Anfänger (die einen praktischen Einstieg in das patientenbasierte TUS suchen) als auch erfahrene Forscher (mit dem Ziel, sich an aufkommende wissenschaftliche und methodische Standards anzupassen). Das Ziel ist es, das wachsende klinische Interesse an TUS zu unterstützen und klinisch übersetzbare, reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse zwischen Forschungsgruppen und Patientengruppen zu ermöglichen.

Introduction

Eine einzigartige und wünschenswerte Kombination, die tiefe, fokale und nicht-invasive Natur der transkraniellen Ultraschallstimulation¹ (TUS) hat ein wachsendes Interesse an der Erforschung ihrer therapeutischen Potenziale für neurologische und neuropsychiatrische Erkrankungen (z. B. Schlaganfall², Parkinson-Krankheit³, Depression⁴, Alzheimer-Krankheit⁵ usw.) geweckt. Expertenkonsens und Leitlinien haben versucht, die Reproduzierbarkeit und Interpretierbarkeit der TUS-Forschung ^6,7 zu verbessern. Diese richten sich jedoch hauptsächlich auf die breiteren Grundlagenforschungsanwendungen von TUS und bieten weniger Hinweise zur Erforschung therapeutischer Relevanz beim Menschen. Zum Beispiel unterscheidet sich beim Vergleich der Grundlagen- und klinischen TUS-Forschung die gesamte Stimulationsdauer (TSD) erheblich – oft bis zu etwa 80 Sekunden in^der Grundlagenforschung ^8,9 gegenüber über 10 Minuten in explorativen Protokollen, die darauf ausgelegt sind, den klinischen Einsatz^{zu nähern 2}. Solche Unterscheidungen unterstreichen die Notwendigkeit maßgeschneiderter Anleitung bei der explorativen Anwendung von TUS auf eine neurologisch kranke Kohorte. Obwohl sich dieses Protokoll auf TUS bei Schlaganfall konzentriert, ist sein Rahmen weitgehend auf andere Patientengruppen sowie auf neurotypische Erwachsene anwendbar.

TUS liefert Druckwellen an das Ziel-Gehirngewebe zur Modulation⁷. Wesentliche TUS-Hardwarekomponenten umfassen Funktionsgenerator(en), einen Verstärker, einen Wandler und, insbesondere für erweiterte TSDs, eine On-Head-Wandlerhalterung⁶. Der Funktionsgenerator erzeugt die elektrische Wellenform, die das vom Wandler ausgesendete Druckmuster definiert. Während einige Funktionsgeneratoren die für TUS-Wandler erforderlichen Spitzenspannungen erzeugen können, benötigen die meisten einen Verstärker, um das Signal zwischen den Funktionsgeneratoren und dem Wandler zu verstärken. Der Verstärker erhöht die Amplitude der elektrischen Wellenform auf das Niveau, das für eine effektive Ultraschallerzeugung erforderlich ist. Kommerziell erhältliche TUS-Systeme integrieren oft Funktionsgenerator und Verstärker in einer einzigen schlüsselfertigen Einheit, was eine direkte Verbindung zum Wandler ermöglicht. Der Transducer, der typischerweise aus piezoelektrischen Materialien besteht, wandelt die elektrischen Signale in mechanische Schwingungen um, um Ultraschallwellen zu erzeugen. Obwohl manuelles Halten des Wandlers möglich ist, ist dieser Ansatz arbeitsintensiv und anfällig für Verschiebungsfehler, während eine geringfügige Verschiebung zu einer vollständigen Fehlzielsetzung des vorgesehenen Gewebes führen^kann. Ein mechanischer Arm mit Kinnstütze wird ebenfalls verwendet und eignet sich gut für die Grundlagenforschung mit relativ kürzeren TSDs. Eine praktikable Alternative für explorative klinische TUS mit TSDs über 10 Minuten ist das 3D-Drucken einer Transducer-Halterung, die mit Flanschen für sichere Gurtbefestigung ausgestattet ist (Abbildung 1), was Positionsstabilität mit einfacher Anwendung in explorativen klinischen Umgebungen und dem Komfort der Teilnehmer ausbalancieren kann.

Abbildung 1: 3D-gedruckte Montierung für den TUS-Wandler. Einelementiger transkranieller Ultraschallstimulationssensor (TUS) (Mittelstück zeigt durch den roten Pfeil) ist in einer 3D-gedruckten Wandlerhalterung untergebracht (zeigt durch den blauen Pfeil) mit oberen Öffnungen (durch den grünen Pfeil angezeigt) für den Werkzeugtracker der Neuronavigation, seitlichen Öffnungen (durch den braunen Pfeil angezeigt) zur Sicherung des TUS-Transducers und Werkzeugtrackers mit Schrauben sowie Flanschen für eine strap-basierte Fixierung am Kopf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Optionale Hardwarekomponenten umfassen eine elektrische Impedanzanpassungsschaltung, ein Leistungsmesser, ein Oszilloskop, ein Neuronavigationssystem und ein Thermoelement. Diese Geräte helfen jeweils dabei, elektrische Reflexionen zu reduzieren, die Leistungsübertragung zu optimieren, akustische Ausgänge indirekt zu überprüfen (Leistungsmesser und Oszilloskop), räumliche Genauigkeit zu gewährleisten und die Sicherheit zu überwachen. Ihre Implementierungsdetails und methodischen Überlegungen werden in den Abschnitten Diskussion und Protokoll erläutert.

Die Optimierung der Parameter der transkraniellen Ultraschallstimulation ist ein aktives und sich wandelndes Forschungsfeld, das sich auf das Design der elektrischen Antriebswellenform bezieht. Die vertikale Achse einer Antriebswellenform bestimmt die Amplitude des Druckausgangs des Wandlers. Die horizontale Achse einer Antriebswellenform bestimmt das Timing des Druckausgangs des Transducers, das in einige Dauer- und Wiederholungstypen unterteilt werden kann. Unter Verwendung der in den Berichtsrichtlinien des International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)¹⁰ beschriebenen Nomenklatur sind die TUS-Zeitparameter von den kürzesten bis zu den längsten Dauern wie folgt organisiert: Rampendauer (RD) ist die Zeit, in der der Druckausgang von null auf das vorgeschriebene Maximum ansteigt; Pulsdauer (PD) ist die Dauer eines einzelnen, aktiven und kontinuierlichen Druckausgangs; Das Pulswiederholungsintervall (PRI) ist die Dauer zwischen dem Beginn zweier benachbarter PDs, bestehend aus einer PD und einer "Aus-Zeit", während der der Ausgang des Transducers null ist, und der Reziprok von PRI ist die Pulswiederholungsfrequenz (PRF); Die Pulszugdauer (PTD) ist die Dauer, für die der PRI wiederholt wird; Das Pulszugintervall (PTI) ist die Dauer zwischen dem Beginn zweier benachbarter PTDs, bestehend aus einem PTD- und einem Inter-PTD-Intervall, während dessen der Wandlerausgang null ist; Die Pulszug-Wiederholungsdauer (PTRD) ist die Dauer, für die der PTI wiederholt wird.

Abbildung 2: TUS-Wellenform-Illustration. Typische transkranielle Ultraschallstimulationswellenformen für potenzielle klinische Wirksamkeiten. Die Nomenklatur entspricht den ITRUSST-Berichterstattungsrichtlinien¹⁰. RD, Rampendauer; PD, Puls-Dauer; PRI, Puls-Repeat-Intervall; PRF, Pulswiederholungsfrequenz; PTD, Pulstrainingsdauer; PTI, Pulstrainingsintervall; PTRD, Pulstraining Wiederholungsdauer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 2 illustriert diese Zeitparameter. Tabelle 1.1 zeigt die Zeitparameter in Huang et al., 2025², von denen dieses Protokoll abgeleitet ist, gemäß der tabellarischen Form, die von den ITRUSST-Berichtsrichtlinien¹⁰ empfohlen wird, während Tabelle 1.2 zusätzliche Parameter anzeigt. Auditive Effekte werden weithin als Hauptfaktor in TUS-Experimenten ^6,11 anerkannt. Das Rampen der Antriebswellenform ist die am häufigsten verwendete Methode zur Abschwächung auditiver Effekte und wird daher als primäre Minderungsmethode in diesem Protokoll betrachtet. Theoretisch können am Anfang und Ende jedes aktiven Druckausgangs unterschiedliche Ramping-Profile angewendet werden (d. h. PD, PTD, PTRD), aber die meisten Studien verwenden eine gleiche symmetrische PD, die während der gesamten Stimulationssitzung wiederholt wird, sodass ein einziger RD im Antriebssignal entsteht. Ramping wird mit Fensterfunktionen implementiert, die die "Form" und "Geschwindigkeit" des Signals von null bis zum vorgeschriebenen Maximum definieren, wobei das Tukey-Fenster das am häufigsten in der Literatur¹⁰ verwendete ist. Nach der Kontrolle für auditive Störungen bleibt die Auswahl von Parametern, die einen exzitatorischen versus inhibitorischen Effekt hervorrufen, ein aktives Forschungsfeld und hängt von der spezifischen experimentellen Frage ab. Die Parameterwahl in Huang et al., 2025², von denen dieses Protokoll abgeleitet ist, wurden durch die vorhandene Literatur¹² informiert, wobei eine PD von 0,36 ms auf 0,2 ms gesenkt wurde, um zusätzliche Sicherheitsmargen zu gewährleisten. Methodische Aspekte wurden von Legon et al., 2018,¹³, übernommen. Diese Auswahlen sind ein detailliertes Beispiel und kein vorschreibender Standard und spiegeln die noch explorative Phase des klinischen TUS wider. Konsultieren Sie die relevante Literatur für Leitlinien, die auf studienspezifische Hypothesen und Ziele zugeschnitten sind.

Die Kalibrierung von Transducern ist eine entscheidende Überlegung von TUS, und das Scannen von Wassertanks stellt die derzeit umfassendste verfügbare Methode dar. Für nicht schlüsselfertige TUS-Systeme wird dringend ein anfängliches Scannen des Wassertanks empfohlen, um die Übertragungsempfindlichkeit des Wandlers festzustellen, also die Beziehung zwischen der elektrischen Antriebsspannung in Volt und dem resultierenden Druckausgang in Pascals. Schlüsselfertige Systeme verfügen oft über vom Hersteller vorkonfigurierte Einstellungen, die den Bedarf an einer Erstkalibrierung verringern können, aber die Überprüfung der Transducer-Ausgabe gewährleistet eine genaue und hochwertige TUS-Lieferung. Ebenso können nachfolgende Kalibrierungen bei Bedarf minimiert werden, aber regelmäßige Kontrollen sind ratsam, um die Studienstrenge zu erhöhen.

Das Scannen von Wassertanks erfordert in der Regel spezielle Ausrüstung und Schulungen. Dieses Protokoll bietet einen kurzen Überblick in Schritt 2 (basierend auf Chen et al., 2023¹⁴). Alternativ kann das Verfahren an ein kollaboratives Labor mit entsprechender Expertise ausgelagert werden, wobei bestätigt wird, dass alle erforderlichen Parameter erfasst sind (Schritt 2.7). Leistungsmessmesser bieten eine einfache, indirekte Methode zur Messung der Ausgabe von Wandlern. Nach der Kalibrierung oder Herstellercharakterisierung können Leistungsmesserablesungen als Maßstab für die Vorabnahme dienen. Eine Variation der Ausgangsleistung impliziert entsprechende Veränderungen der Druckausgänge, was auf eine Notwendigkeit einer Neukalibrierung oder Anpassung des Antriebssignals hinweist, um eine konstante Stimulation aufrechtzuerhalten.

TUS-Targeting beinhaltet die Bestimmung der optimalen Platzierung des Transducers, sowohl Position als auch Orientierung, um das interessierende Gewebe effektiv zu stimulieren. Der aktuelle State-of-the-Art-Ansatz verwendet numerische Simulationen, um die optimale Platzierung des Transducers zu identifizieren (Schritt 3 des Protokolls), wobei dies jedoch eher ein Beispiel als ein endgültiger Standard darstellt. Alternativ lokalisiert eine zuvor berichtete empirisch basierte Methode die Stelle der Kopfhaut, an der transkranielle Magnetstimulation (TMS) am effektivsten kontralaterale motorische Reaktionen auslöst, und positioniert den Transducer an dieser Stelle mit seiner Oberfläche senkrecht zur Kopfhaut ^2,3 (Schritt 4). Prinzipiell kann dieser TMS-gesteuerte Ansatz auf andere Gehirnbereiche mit identifizierbarem Ausgang ausgeweitet werden, wie zum Beispiel die Sichtbarkeit von Phosphene für den visuellen Kortex. Es werden jedoch mehr Daten/Publikationen benötigt, um die breitere Anwendbarkeit eines solchen Ansatzes zu validieren.

Ergebnismaße für klinische TUS umfassen sowohl sicherheits- als auch wirksamkeitsbasierte Bewertungen. Angesichts der explorativen Phase der klinischen Übersetzung ist die ausgeprägte Wirksamkeit möglicherweise noch nicht mit standardisierten klinischen Messungen nachweisbar. Daher werden Indikatoren für die Surrogatantwort oft anstelle von Wirksamkeitsmaßen verwendet, um Effekte unterhalb der klinischen Wirksamkeit zu erkennen. Sicherheitsüberwachung kann sowohl Online- als auch Offline-Bewertungen umfassen. Die Online-Sicherheit kann mithilfe von Thermoelementen auf der Kopfhaut während der Stimulation verfolgt werden, was einen praktischen Ansatz im klinischen Umfeld bietet (Schritt 6.5). Zur Offline-Sicherheit gibt dieses Protokoll Anweisungen zur Quantifizierung des scheinbaren Diffusionskoeffizienten (ADC) (Schritt 8), da ADC häufig zur Bewertung der Gewebeintegrität¹⁵ verwendet wird. Indikatoren für die Surrogatreaktion variieren je nach Zielkrankheit oder Interessensgebiet. Für Studien zur motorischen Erholung nach einem Schlaganfall werden kontralaterale kortikospinale Erregungs- (CSE) und motorische Sequenzlernmaße (MSL) beschrieben (Schritte 9-11), da sie zuverlässige neurophysiologische und funktionelle Marker für die explorative klinische Wirksamkeit von TUS liefern.

Zusammengenommen bietet dieses Protokoll ein detailliertes, modulares und anpassungsfähiges Beispiel für die Verabreichung von TUS sowohl bei neurologischen als auch bei neurotypischen Erwachsenen, wobei die Benutzerfreundlichkeit und die verlängerte Stimulationsdauer betont werden. Das Protokoll leitet sich von Huang et al., 2025² ab, das ein nicht schlüsselfertiges Antriebssystem verwendet, das die Anpassung von Pulsformen und Ein-Element-Transducer ermöglicht. Schrittweise wird zuerst das systemunabhängige allgemeine Prinzip präsentiert und, wo angebracht, systemspezifische Implementierungsbeispiele gegeben.

Protocol

Die in Huang et al., 2025^{vorgestellten} experimentellen Verfahren wurden vom Duke Institutional Review Board genehmigt und entsprechen der kürzlich aktualisierten Erklärung von Helsinki. Holen Sie vor der Einschreibung die informierte Zustimmung jedes Teilnehmers ein.

HINWEIS: Befolgen Sie die Anweisungen und arbeiten Sie gleichzeitig mit Hardware/Software zusammen, um das Verständnis zu verbessern und eine genaue Umsetzung sicherzustellen. Abbildung 3A zeigt einen Überblick über die beteiligten Schritte, Abbildung 3B zeigt ein Entscheidungsflussdiagramm zur Wahl simulationsbasierter (Schritt 3) versus nicht-simulationsbasierter (Schritt 4) Zielsteuerung. Ergänzende Materialien enthalten Beispiel-Checklisten vor und nach dem TUS, die die Berechtigung für Einwilligung, Sicherheitsscreening, Qualitätskontrolle von TUS-Geräten und Überwachung unerwünschter Ereignisse abdecken.

1. Einwilligungs- und Sicherheitsüberprüfung

1. Einschlusskriterien: i) ≥ 21 Jahre aller Rasse oder Geschlecht, ii) erster ischämischer oder hämorrhagischer Schlaganfall vor über einem Monat, iii) zeigte sich mit einseitiger Gliedmaßenschwäche und hatte eine Fugl-Meyer-Skala der oberen Extremität ≤ 62 (maximaler Wert = 66), und iv) Paretic Abductor Pollicis brevis (APB) besitzt motorisch evokierte Potentiale (MEPs), die durch TMS ausgelöst werden können. Ausschlusskriterien: i) Armfunktionen, die durch eine begleitende neurologische Erkrankung betroffen sind, ii) dokumentierte schwere Demenz vor Schlaganfallbeginn unabhängig vom Medikationsstatus, oder iii) jede Kontraindikation für Magnetresonanztomographie (MRT)¹⁶/TMS¹⁷/TUS¹⁰.
2. Informieren Sie jeden Teilnehmer über den Zweck der Studie, die wichtigsten Verfahren und etwaige damit verbundene Risiken. Beantworten Sie alle Anfragen oder Bedenken, die sie äußern, und lassen Sie sie dann durch die Unterschrift des Einwilligungsformulars bestätigen, dass sie den Einwilligungsprozess verstehen.
3. Befragen Sie jeden Teilnehmer mit der Sicherheitscheckliste TUS¹⁸ und TMS¹⁷ . Teilnehmer ausschließen, die nicht alle Sicherheitsanforderungen erfüllen.

2. Charakterisierung des TUS-Transducers ¹⁴

HINWEIS: Führen Sie die Schritte in diesem Abschnitt durch, um eine erste Charakterisierung eines neuen TUS-Wandlers zu erhalten oder in regelmäßigen Abständen eine Bestätigung/Kalibrierung der Eingangsspannung-Ausgangs-akustischen Druckbeziehung des Wandlers. Abbildung 4 zeigt das Experiment für diese wassertankbasierte Charakterisierung eines TUS-Transducers.

1. Füllen Sie einen Wassertank mit entgastem, deionisiertem Wasser, um mögliche Schäden am Hydrophon zu verhindern.
2. Befestigen Sie den Ultraschallsensor an der Armatur des Wassertanks und montieren Sie das Hydrofon am 3-Achsen-Positionierungssystem.
3. Schließen Sie das Hydrofon an ein Oszilloskop an und schalten Sie die Leistung des Hydrophones erst ein, wenn es vollständig im Wasser eingetaucht ist.
4. Treiben Sie den Wandler erst mit einem Funktionsgenerator und einem Hochfrequenzverstärker an, nachdem der Wandler vollständig in Wasser eingetaucht ist und das Hydrophon eingeschaltet ist.
   HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die elektrische Eingangswellenform mindestens 5 Zyklen pro Impuls enthält (d. h. PRI und PTI), um den Ausgang des Wandlers zu stabilisieren.
5. Positionieren Sie die Hydrophonspitze an der visuell definierten ungefähr definierten Fokalregion des Ultraschallwandlers mit einem 3-Achsen-Positionierungssystem, scannen Sie das Hydrophon quer über den Wassertank an Stellen mit möglichem Primärdruckausgang, zeichnen an jedem Ort die Oszilloskop-Messungen auf, um die akustische Druckverteilung zu erhalten, und erfassen die Hydrofonposition, an der sich der Fokalbereich befindet.
   HINWEIS: Berechnen Sie die akustischen Drücke unter Verwendung der Empfindlichkeit des Hydrophones (d. h. mV/MPa) und der Oszilloskop-Messung des vom Hydrophon aufgezeichneten elektrischen Signals.
6. Bewerten Sie die Übertragungsempfindlichkeit des Ultraschallwandlers (d. h. Druckausgang des Wandlers über die Spitzenamplitude der Eingangsspannung, kPa/V_PP) am Brennpunkt, indem Sie unterschiedliche Eingangsspannungen anlegen.
7. Bestätigen Sie, dass die Sendeempfindlichkeit (kPa/V_PP) des Transducers, die Brenntiefe des Transducers (mm) und die -6 dB Strahlbreite des Ultraschallstrahls (mm) alle erfasst werden, wenn die Transducer-Charakterisierung an ein kollaboratives Labor mit entsprechender Expertise ausgelagert wird. Die Fokaltiefe definiert die maximale Durchdringungstiefe, bei der die potenziell therapeutische Energie effektiv an den angestrebten Hirnbereich geliefert werden kann. Die Strahlbreite von -6 dB des Ultraschallfeldes gibt die laterale Ausdehnung des fokalen Bereichs an und definiert damit das effektive Behandlungsvolumen im Hirngewebe.

3. Simulationsbasierte TUS-Zielsetzung (empfohlen, Teilnehmer-Scan erforderlich)

HINWEIS: Simulationsbasierte TUS-Zielsetzung erfordert eine vorher festgelegte intrakranielle Stimulation. Eine solche Zielauswahl ist studienspezifisch, und häufig verwendete Methoden umfassen anatomische Ansätze basierend auf MRT-Atlanten und funktionelle Ansätze, die auf individuellen funktionellen MRT-Aktivierungsdaten⁷ geleitet werden, sowie konnektivitätsbasierte Zielerfassung¹⁹. Wählen Sie die studien- und hypothesengeeignete Methode und folgen Sie der entsprechenden Literatur ^7,19, um das intrakranielle Ziel zu bestimmen. Folgen Sie anschließend den untenstehenden Schritten, um die Platzierung des TUS-Transducers zur Stimulation des intrakraniellen Ziels zu erhalten.

1. Rekonstruiere ein segmentiertes Kopfmodell aus dem MRT – Beispielimplementierung: Installiere die Elektrofeld-(E-Feld-)Simulationssoftware (siehe Materialtabelle), falls sie noch nicht installiert ist, und öffne ein Terminal im Ordner des strukturellen MRT-Scans des Teilnehmers. Führen Sie die CHARM-Pipeline der E-Field-Software²⁰ aus, indem Sie charm ParticipantID ./ParticipantID_T1.nii.gz eingeben und auf der Tastatur Enter/return drücken. Wenn ein T2 verfügbar ist, kann stattdessen Charm ParticipantID ./ParticipantID_T1.nii.gz ./ParticipantID_T2.nii.gz ausgeführt werden. Beachten Sie die Zwischenräume und Punkte in den obigen Befehlen. Je nach Art des Terminals muss der Vorwärtsschrägstrich (/) möglicherweise durch einen Rückwärtsschrägstrich (\) ersetzt werden.
2. Überprüfen Sie die Segmentierungsergebnisse, insbesondere für die Läsion (falls vorhanden) und den Schädel – Beispiel für Implementierung: Überprüfen Sie die Segmentierungsergebnisse von CHARM, indem Sie die charm_report.html im m2m_ParticipantID erstellten Ordner öffnen und auf den Viewer klicken, um durch Schnitte zu gehen. Überprüfen Sie insbesondere die Umrisse der kortikalen und trabekulären Knochen, des Gehirns (graue und weiße Substanzen) und der Kopfhaut, da die nachgelagerte TUS-Targeting-Software²¹ (siehe Materialübersicht) diese hauptsächlich verwendet. Folgen Sie der Anleitung der E-Field-Software, um das Kopfmodell manuell zu bearbeiten, falls die Segmentierung unzufriedenstellend ist.
   HINWEIS: Für Teilnehmer mit einer Läsion wie einem Schlaganfall ermöglicht die E-Field-Software eine individuelle Abgrenzung einer Läsion und damit eine individuelle Segmentierungszuweisung. Die TUS-Targeting-Software konnte jedoch ab Version 0.4.3 noch keine benutzerdefinierten Segmente aus der E-Field-Software erkennen. Daher genügt es, wenn eine Läsion vorhanden ist, nur zu bestätigen, dass die Umrisse der genannten Gewebetypen korrekt sind und nicht von der Läsion beeinflusst werden.
3. Einrichtung für intrakranielle Zieldefinition – Beispielimplementierung: Neues SimNIBS-Projekt aktivieren... in der Neuronavigationssoftware (siehe Materialtabelle) und die .msh-Datei im m2m-Ordner auswählen.
   HINWEIS: Version 2.5.9 der Neuronavigationssoftware wurde verwendet, um diese und die folgenden Schritte zu erläutern, aber diese Schritte gelten für die Versionen von 2.5.9 bis 2.5.3.
4. Einrichtung für physische Kopf-MRT-Registrierung – Beispielimplementierung: Klick auf Standorte konfigurieren... Unter dem Reiter Landmarks platzieren Sie Landmarks auf die Nasenspitze, die Nasion und die linke/rechte supratragische Kerbe und speichern Sie dann die Projektdatei.
   HINWEIS: Orientierungspunkte für diesen Schritt sollten dort liegen, wo die Haut während des MRT nicht zusammengedrückt oder gedehnt wird. Wählen Sie je nach MRT-Aufnahme der Teilnehmer andere Orientierungspunkte als die oben genannten.
5. Definiere ein intrakranielles Ziel und lade es in eine TUS-Targeting-Software – Beispielimplementierung: Klick auf Ziele konfigurieren... unter dem Reiter Ziele konfigurieren und Scalp & Targets, Inline & Targets und Inline 90 & Targets zur Ansicht bringen. Linksklicke auf den vorgesehenen TUS-Fokus im Gehirn, projiziere einen Offset-Cursor auf die Kopfhaut mit dem Crosshairs Offset Schieberegler unten rechts, schiebe den AP-Schieberegler rechts, um die Kopfhaut-Ziel-Entfernung in Inline & Targets zu minimieren, und schiebe dann den Lat-Schieberegler, bis der virtuelle Transducer tangential zur Kopfhaut in Inline 90 & Targets ist. Im Dropdown-Menü Neu... (oben links im Fenster) wählt man Trajectorie, um diese Platzierung zu speichern. Unten links im Fenster schalten Sie fUS, wählen Sie einen Ergebnisordner aus und klicken Sie dann auf Compute Simulation, um die TUS-Zielsoftware zu starten.
   HINWEIS: Überprüfen Sie sorgfältig, ob sich entlang der in diesem Schritt entstandenen Bahn anatomische Sinus- oder luftgefüllte Höhle befindet. Wenn ja, wählen Sie die nächstbeste Bahn, die die Nasenhöhle oder die Höhle vermeiden.
6. Initialisieren Sie die TUS-Targeting-Software – Beispielimplementierung: Bestätigen Sie, dass die automatisch ausgefüllten Einträge in der TUS-Zielsoftware unter Imaging-Eingabe korrekt sind, außer dem thermischen Profil korrekt sind, wählen Sie den verwendeten Transducer aus ("Single" bedeutet Single-Element-Transducer) und wählen Sie, falls mehr als ein Rechen-Backend verfügbar sind, das gewünschte Computing-Backend aus. Als Nächstes wählen Sie Wärmeprofil ... um die korrekte .yaml-Datei zu laden, die das zeitliche Muster des TUS-Antriebssignals beschreibt. Siehe die Dokumentation der TUS-Zielsoftware zur Erstellung dieser .yaml-Datei. Als Beispiel wäre die .yaml-Datei für das TUS-Zeitmuster in Huang et al., 2025² ,
   BaseIsppa: 8,0 # W/cm²
   AllDC_PRF_Duration: #All Timing-Kombinationen, die berücksichtigt werden
   - DC: 0,2
   PRF: 1000,0 #Hz
   Dauer: 0,5 #s
   DurationOff: 1,0 #s
   Wiederholungen: 480
   HINWEIS: Dieses Beispiel dient nur zu illustrativen Zwecken. 480 Wiederholungen wären für die TUS-Targeting-Software zu übertrieben. Diese .yaml-Datei betrifft nur die thermische Simulation der TUS-Zielerfassungssoftware und nicht deren akustische Simulation, während die akustische Simulation die einzige Komponente ist, auf der das TUS-Targeting basiert. Für längere TUS verwenden Sie die TUS-Zielsoftware für Zielgenauigkeit und nicht für thermische Simulationen. Verwenden Sie die Open-Source-Software für akustische Simulationen (siehe Materialtabelle) für thermische Simulationen von Langzeitparadigmen. Beziehen Sie sich auf die Dokumentation, um den Temperaturanstieg, die kumulierten äquivalenten Minuten bei 43 °C (CEM43) thermischer Dosis und den thermischen Index zu schätzen, wobei sichergestellt wird, dass die ausgewählten Parameter den Richtlinien der Food and Drug Administration²² und ITRUSST der biophysikalischen Sicherheit¹⁸ entsprechen.
7. Gewebemasken und Eingabeparameter für die akustische Simulation erhalten – Beispielimplementierung: Klicke auf FORTSETZEN , um zu Schritt 1 zu gelangen – Maske berechnen und die korrekte US-Frequenz (kHz) auswählen (d. h. die Grundfrequenz des Wandlers) und die gewünschte PPW (also Punkte pro Wellenlänge). 9 PPW gewährleisten stabile und genaue Ergebnisse, verursachen aber eine höhere Rechenbelastung, und der Standardwert von 6 PPW ist das Minimum der TUS-Zielsoftware, das schnelle Berechnung, Stabilität und Genauigkeit ausbalanciert. Drücke auf Planungsmaske berechnen. Nach Abschluss der Berechnung inspizieren Sie die Ausgangsmaske, um sicherzustellen, dass Kopfhaut, Knochen und Gehirn mit der gewünschten Genauigkeit beschriftet sind.
8. Geben Sie Transducer-Charakterisierungen ein und führen Sie das TUS-Targeting aus – Beispielimplementierung: Step 2 – AC Sim. Wenn Single bei Schritt 3.6 ausgewählt wurde, geben Sie die Brennweite (mm) und den Durchmesser (mm) des Wandlers ein, geben Sie den Abstand zwischen Kopfhaut und Austrittsebene des Wandlers (aufgrund von Kopplungsmedien wie Spread Gel oder Gelpad) an der Entfernung der Tx-Außenebene zur Haut (mm) ein und geben Sie die maximale Tiefe jenseits des Ziels (mm) ein. Diese Tiefe ist der Raum jenseits des vorgesehenen Ziels, der in die Simulation aufgenommen werden soll. Die Standard-40 mm reicht in den meisten Fällen aus, aber wenn das beabsichtigte Ziel über knöchernem Gewebe liegt, sorgt eine Erhöhung dieser Tiefe dafür, dass die resultierende Reflexion berücksichtigt wird. Nach den obigen Eingaben drücke auf Felder berechnen, warte bis die Berechnung abgeschlossen ist, wähle dann Mechanische Anpassungen berechnen und dann erneut Felder berechnen . Untersuchen Sie den resultierenden TUS-Fokus in Bezug auf das beabsichtigte Ziel mit den beiden horizontalen Schieberleisten. Wenn der Fokus nicht akzeptabel nah am Ziel ist, wiederholen Sie die mechanische Einstellung, berechnen Sie die Feldwirkung bis zu einem akzeptablen Fokus-Ziel-Abstand (Abbildung 5A).
   HINWEIS: Siehe die Dokumentation der TUS-Zielerfassungssoftware für andere Transducer-Typen als Single.
9. Speichere das rechneroptimierte TUS-Ziel – Beispielimplementierung: Schließen Sie die TUS-Ziel-Software, um zur Neuronavigationssoftware zurückzukehren. Beachten Sie, dass ein neues Ziel-Trajectory X-Mod hinzugefügt wird, wobei Trajectory X der Name für die in Schritt 3.5 erstellte Trajektorie ist. Dies ist das Ziel für die Platzierung von Wandlern während des TUS. Schließen Sie das Zielfenster und speichern Sie die aktuelle Projektdatei.
10. HINWEIS: Die Schritte 3.1 - 3.9 sollten abgeschlossen sein, bevor der Teilnehmer zu TUS kommt.

4. Nicht-simulationsbasierte TUS-Zielsetzung (Teilnehmer-Scan optional, anwendbar für Domänen mit lesbaren TMS-Ergebnissen)

1. Initialisieren Sie neuronavigiertes TMS – Beispielimplementierung: Klicken Sie auf "Neues leeres Projekt " und klicken Sie hier, um einen anatomischen Datensatz auszuwählen , um das teilnehmende MRT in der Neuronavigationssoftware auszuwählen. Machen Sie das neue MNI Head Project , falls das strukturelle MRT des Teilnehmers nicht verfügbar ist.
   HINWEIS: Verwenden Sie ein bevorzugtes Neuronavigationssystem oder -software. Dieses Protokoll verwendet eine Neuronavigationssoftware in der Version 2.5.9 (siehe Materialtabelle), um repräsentative Verfahren zu veranschaulichen.
2. Überspringen Sie diesen Schritt, wenn Sie kein Teilnehmer-MRT verwenden. Rekonstruiere Gehirn und Kopfhaut anhand eines Teilnehmer-MRT – Beispiel-Implementierung: Gehe zum Reiter Rekonstruktionen , wenn du ein Teilnehmer-MRT nutzt, dann Neue Rekonstruktion... Dropdown-Menü, wähle Skin aus und drücke im geöffneten Fenster die Compute Skin-Taste , um die Kopfhaut wiederherzustellen. Schließen Sie das Hautfenster, Neue Rekonstruktion... Dropdown-Menü, wählen Sie Volles Gehirnkrümmungsfenster, stellen Sie im geöffneten Fenster den Scheibenabstand auf 0,5 mm ein und klicken Sie auf "Curvilinear berechnen". Nachdem das Gehirn rekonstruiert wurde, stellen Sie den Peel-Tiefen-Schieberegler an, bis das rekonstruierte Gehirn direkt an der äußeren Oberfläche des Kortex freiliegt, und schließen Sie das kurvilineare Gehirnfenster.
3. Überspringe diesen Schritt, wenn du kein MRT benutzt. Einrichtung für physische Kopf-MRT-Registrierung – Beispielimplementierung: Gehe zum Reiter Landmarks , wenn du ein MRT benutzt, dann Configure Landmarks..., und placere Landmarks auf die Nasion und die links/rechts supratragische Kerbe mit einem linken Linksklick auf die rekonstruierte Kopfhaut und klicke oben links auf Neu. Bestätigen Sie die Platzierung des Wahrzeichens, indem Sie das Fadenkreuz in den drei MRT-Aufnahmen überprüfen. Passen Sie das Fadenkreuz an, um die Platzierung des Orientierungspunkts bei Bedarf zu feinjustieren. Schließen Sie das Fenster für Registrierungsmarken , sobald Sie zufrieden sind, und speichern Sie die Projektdatei.
   HINWEIS: Die Schritte 4.1 - 4.3 sollten abgeschlossen sein, bevor der Teilnehmer für TUS kommt. Wähle nach Bedarf Orientierungspunkte außer der Nasion und den links/rechts supratragischen Vertiefungen. Gute Orientierungspunkte sind dort, wo die Haut während der MRT-Aufnahme nicht komprimiert oder gedehnt wird.
4. Überspringe diesen Schritt, wenn TUS für den visuellen Bereich verwendet werden soll. Vorbereitung auf die Aufnahme des Elektromyogramms (EMG) – Beispiel für die Umsetzung: Identifizieren Sie den Muskel, der am vorgesehenen TUS-Ziel repräsentiert ist, reinigen Sie die Haut über dem Muskel mit Alkoholtüchern, rasieren Sie sich bei Bedarf und Genehmigung und bringen Sie EMG-Elektroden an Bauch und Sehne des Muskels an. Bringen Sie eine weitere Elektrode an einen angrenzenden knöchernen Bereich an, um als Referenz zu dienen.
   HINWEIS: Während der Hautvorbereitung sollten Sie bei Teilnehmern, die Blutverdünner einnehmen, Vorsicht walten.
5. Neuronavigierte TMS initialisieren – Beispielimplementierung: Gehe zum Reiter Sitzungen in der Neuronavigationssoftware, dann zum Dropdown-Menü Neu... Online-Sitzung, um ein neues Sitzungsfenster zu öffnen. In diesem Sitzungsfenster gehen Sie zum IOBox-Tab, unter TTL Trigger-Optionen, prüfen Sie den richtigen Kanal/Schalter, der das Triggersignal vom TMS-Stimulator empfängt, und stellen Sie sicher, dass die Totzeit: auf 0 ms gesetzt ist.
6. Überspringe diesen Schritt, wenn TUS für den visuellen Bereich verwendet werden soll. Einrichtung integrierter Neuronavigation-EMG – Beispielimplementierung: Für den motorischen Bereich gilt: Wenn das EMG des Neuronavigationssystems verwendet wird, prüft man den korrekten Acquire EMG-Kanal und gibt einen Versuch ein: eine ausreichend lange Zeit, um EMGs vom interessierten Muskel zu erfassen.
7. Bereiten Sie den Teilnehmer auf die Neuronavigation vor – Beispiel für die Umsetzung: Fügen Sie den Subjekt-Tracker am Teilnehmer an und sorgen Sie für Stabilität. Gehe zum Polaris-Tab in der Neuronavigationssoftware und positioniere die Kamera/den Teilnehmer so, dass der grüne Punkt (der Teilnehmer) ungefähr in der Mitte der drei cyanfarbenen Boxen (Sichtweite der Kamera) ist.
8. Physische Kopf-MRT-Registrierung durchführen – Beispielimplementierung: Gehe zum Reiter Registrierung , klicke mit der linken Hand auf ein Orientierungspunkt, platziere den Zeiger des Neuronavigationssystems stabil auf das jeweilige Orientierungszeichen des Teilnehmers, während sowohl der Zeiger als auch der Subjekt-Tracker für die Kamera sichtbar sind, und klicke auf Sample & Go To Next Landmark. Wiederholen, bis alle Orientierungspunkte beprobt sind.
9. Überspringen Sie diesen Schritt, wenn Sie ein Teilnehmer-MRT verwenden. Skalieren Sie das MRT der Vorlage auf den physischen Teilnehmerkopf – Beispielimplementierung: Wenn Sie das MRT eines Teilnehmers nicht verwenden, gehen Sie zum Tab Skalierung , platzieren Sie den Zeiger stabil auf dem Kopfhautknoten des Teilnehmers und klicken Sie auf Hinzufügen von Landmark. Wiederhole das für den äußersten Punkt links, rechts, vorne und hinten am Kopf.
10. Validiere die Teilnehmer-MRT-Registrierung und aktualisiere sie bei Bedarf – Beispielimplementierung: Gehe zum Reiter Validierung , schiebe den Zeiger auf der Kopfhaut des Teilnehmers sanft um den vorgesehenen TUS/TMS-Einstiegspunkt und prüfe auf den Fadenkreuz <-> Hautabstand , wobei näher an null besser ist (< 1 mm kann als quantitativer operativer Schwellenwert verwendet werden). Wenn die angezeigte Distanz als nicht akzeptabel gilt, gehe zu Registrierung, Räum alles aus und wiederhole die Schritte 4.8 - 4.9, bis eine akzeptable Distanz erreicht ist.
11. Richte das Neuronavigationsfenster ein – Beispielimplementierung: Gehe zum Reiter Performen, öffne die Ansichten Bullseye (Coil Centric), Curvilinear Brain & Samples und Skin & Samples und setze den Treiber: auf die richtige TMS-Spule. Wenn Sie das EMG des Neuronavigationssystems verwenden, rufen Sie auch das EMG und die EMG Pod Recording an.
    HINWEIS: Verwenden Sie Bullseye (Zielzentriert) anstelle von Bullseye (Spulenzentriert), wenn wünschend.
12. Suchen Sie nach einer TMS-Spirale mit Reaktionen – Beispielimplementierung: Verwenden Sie sowohl das kurvenlineare Gehirn als auch die ungefähre Position auf der Kopfhaut, um Anfangsstarts zu erzielen, platzieren Sie die TMS-Spirale an verschiedenen Stellen und Orientierungen auf der Kopfhaut und führen Sie einzelne TMS-Pulse über 10 Sekunden Abstand von²³ Sekunden durch. Wenn keine Reaktion im gesamten anatomisch sinnvollen Bereich vorhanden ist, erhöhen Sie die Stimulatorleistung.
    HINWEIS: Siehe Materialtabelle für die TMS-Stimulator- und Coil-Modelle sowie EMG-Akquisitionshardware und -software. Als Beispielimplementierung hatte die EMG-Akquise eine 5000 Hz EMG-Abtastrate, einen Bandpassfilter von 20 bis 20.000 Hz, einen 60-Hz-Notchfilter, eine 1000-fache Verstärkung, manuelle Artefaktunterweisung und verwendete den in Soda et al., 2020²⁴ beschriebenen MEP-Detektionsalgorithmus.
13. Verwenden Sie eine domänenspezifische Antwort, um eine Ziel-TMS-Spulenposition zu definieren – Beispielimplementierung: Wiederholen Sie Schritt 4.12, bis eine Reaktion beobachtet wird, d. h. EMG mit ausgeprägter Peak-zu-Peak-Amplitude für den motorischen Bereich (Abbildung 6), und die Teilnehmer berichten von sicherer Sicht von Phosphene im visuellen Bereich. Treffer => Ziel und klicke einfach mit der linken Maustaste auf diese Probe in der Liste Ziele, um diese Spulenposition und -platzierung zum Ziel zu machen.
14. Erhalten Sie zusätzliche Wiederholungen am initialen TMS-Ziel – Beispiel für Implementierung: Führen Sie 2 bis 3 zusätzliche Impulse aus, während Sie auf dieses Ziel ausgerichtet sind, indem die Spule so platziert wird, dass die drei imBullseye (Spulenzentrierten) oder im Bullseye (Zielzentrierten) angezeigten Metriken so nah wie möglich an null sind. Nimm die daraus resultierenden Antworten auf.
15. Überprüfen Sie die Reaktionen an Positionen neben dem initialen TMS-Ziel – Beispielimplementierung: Bewegen Sie die Spule ~7 mm von diesem Ziel entfernt im ersten Quadranten in der Bullseye-Ansicht (Spulenzentrierte) / Bullseye (Zielzentrierte), fixieren Sie die Spule an dieser neuen Position und Orientierung, führen Sie ~3 Impulse durch und zeichnen Sie die resultierenden Antworten auf. Wiederhole das für die anderen drei Quadranten. Wenn ein Setup ohne Mittelspule eine stärkere durchschnittliche Reaktion als das Zentrum lieferte, machen Sie die jeweilige Probe zu einem Ziel, indem Sie sie einfach mit der linken Maustaste in den Aufgenommenen Proben: Liste => Ziel anklicken und diese Probe mit einem linken Klick in der Liste Ziele zum Abtasten: anklicken.
16. Wiederholen Sie Schritte 4.14 und 4.15, bis ein Center die stärkste durchschnittliche Antwort unter seinen vier Quadranten hat. Die jeweilige Stichprobe dieses Zentrums wird die Zielstichprobe für TUS sein. Notieren Sie diese Beispielnummer und speichern Sie die Projektdatei.

5. TUS-Setups

1. Verbinden Sie die TUS-Hardware und starten Sie die Oszilloskop-Aufzeichnung – Beispielimplementierung: Verbinden Sie die Funktionsgeneratoren, den Verstärker und das Oszilloskop, wie in Abbildung 7A dargestellt. Schalten Sie das Oszilloskop ein, stellen Sie es in den Laufmodus und passen Sie die vertikalen und horizontalen Achsen an die gewünschte Skala an.
   HINWEIS: Zwei Funktionsgeneratoren sind nicht immer notwendig. Ausgewählte Modelle von Funktionsgeneratoren können Wellenformen mit mehr als einer Frequenzregelungsebene erzeugen. Außerdem stimmt die in diesem Protokoll verwendete Hardware bereits mit elektrischen Impedanzen überein. Widerstände müssen in Reihe geschaltet werden zwischen Verstärker und Oszilloskop, wenn die elektrische Impedanz nicht vorgegeben ist.
2. Starten und prüfen Sie das Antriebssignal, dann (bei nicht schlüsselfertigen Systemen) starten Sie die Leistungsausgabe – Beispielimplementierung: Schalten Sie den MAIN POWER-Schalter des Verstärkers von O auf I. Stellen Sie die Ausgangsleistung des Verstärkers auf null und konfigurieren Sie dann die Funktionsgeneratoren auf die gewünschte Wellenform, wobei sichergestellt wird, dass Ramping am Anfang und Ende jeder PD hinzugefügt wird. Nachdem Sie die Einstellungen beider Funktionsgeneratoren überprüft haben, drücken Sie auf dem oberen Generator Output , dann auf dem unteren Generator auf Output und stellen Sie dann die Ausgangsleistung des Verstärkers auf 100 %, indem Sie das ADJUST-Rad drehen und den angezeigten Gain:-Wert prüfen, und dann die POWER-Taste des Verstärkers drücken, um den Ausgang zu starten (Abbildung 7B).
3. Überprüfen Sie die Antriebssignalwellenform und lassen Sie den Systemausgang stabilisieren – Beispiel für Implementierung: Bestätigen Sie, dass die auf dem Oszilloskop beobachtete Wellenform wie gewünscht ist und das Antriebssystem 15 Minuten laufen lassen (empirisch ermitteltes Kriterium für Hardware in der Materialtabelle angegeben), um einen stabilen Ausgang zu gewährleisten (Abbildung 7C).
   HINWEIS: Die Stabilisierung des Verstärkerausgangs steht in keinem Zusammenhang mit Spannungsschwankungen. Dabei kann sich die Spannung innerhalb des gewünschten Bereichs einsetzen, z. B. dass der V_PP um 10–20 % vom Anfangswert absinkt und mit dem Verstärker in diesem Protokoll auf diesem Niveau bleibt (siehe Materialtabelle). Verschiedene Antriebssysteme hätten unterschiedliche V-PP-Abnahmen/-Steigerungen und unterschiedliche Dauern, um einen stabilen Ausgang zu gewährleisten. Bestimmen Sie empirisch das systemspezifische Verhalten und die Dauer, die für einen stabilen Output erforderlich sind, bevor der erste Studienteilnehmer aufgenommen wird.
4. Validiere die rampingbasierte Minderung für auditive Effekte. Überprüfe die Antriebssignalwellenform am Anfang und Ende jedes PD auf Ramping. Drehen Sie (oder verringern Sie schrittweise) den Verstärkerausgang auf null, tauchen Sie den Wandler vollständig in Wasser ein, wobei die Ausgangsebene (d. h. Stimulationsseite) ~2,5 cm unter der Wasseroberfläche und nach oben gerichtet ist, und stellt dann die Verstärkerausgang auf 100 % auf (oder erhöht sie schrittweise). Eine erfolglose Umsetzung des Rampings führt dazu, dass Wasserperlen von der Wasseroberfläche ausgestoßen werden, die einem Brunnen ähneln, während erfolgreiches Ramping Wellen auf der Wasseroberfläche erzeugt, ohne dass die Perlen austreten.
5. TUS-Transducer für Neuronavigation kalibrieren – Beispielimplementierung: Einen Neuronavigations-Tool Tracker am Halter des Transducers montieren. In der Neuronavigationssoftware, unter Window, Werkzeugkalibrierungen, klicken Sie auf Neue Kalibrierung , um eine neue Kalibrierung für den TUS-Transducer zu erstellen. Geben Sie einen Namen nach Kalibrierungsnamen ein und wählen Sie den richtigen Werkzeugtracker bei Tool Tracker aus. Halten Sie den mit dem Werkzeugtracker montierten Transducer an den Kalibrierungsblock, wobei der Referenzindikatorstift des Blocks senkrecht zur Mitte der Ausgangsebene des Transducers steht, auf Kalibrierungs-Countdown beginnen, 5 Sekunden stillhalten und bestätigen, dass die Neuronavigationssoftware Erfolg liefert. Wenn nicht, wiederhole diese letzte Aktion, bis Erfolg gesehen wird. Nach Abschluss schließen Sie die Fenster Bearbeiten Kalibrierung und Werkzeugkalibrierungen .
   HINWEIS: Für spätere Anwendungen ersetzen Sie die Aktion Neue Kalibrierung durch einen einfachen Linksklick auf die entsprechende Kalibrierung unter der Liste bestehende Werkzeugkalibrierungen und klicken Sie auf Neukalibrieren.
6. TUS-Setups beenden – Beispielimplementierung: Drücke den POWER-Knopf des Verstärkers (nicht den MAIN POWER-Schalter ), um dessen Ausgang auszuschalten , wenn der Teilnehmer bereit für TUS ist, trenne das Oszilloskop vom Verstärker und verbinde den Wandler mit dem Ausgang des Verstärkers.

6. Verwaltung des TUS

1. Überspringen Sie diesen Schritt, wenn Sie das nicht-simulationsbasierte Ziel verwenden. Laden Sie simulationsbasierte TUS-Ziele zur Neuronavigation und führen Sie die Teilnehmer-MRT-Registrierung durch (Schritte 4.7-4.10) – Beispielimplementierung: Gehen Sie zum Reiter Sitzungen in der Neuronavigationssoftware, wenn das simulationsbasierte Ziel verwendet wird, und der Teilnehmer ist bereit für TUS, Neues... Dropdown-Menü und Online-Sitzung , um ein neues Sitzungsfenster zu öffnen. Dort klicke unter dem Reiter Ziele mit der linken Hand auf das Ziel der Tragbahn X-mod und drücke Add => , um es als Ziel für diese Sitzung zu machen. Als Nächstes führen Sie genau die Schritte 4.7-4.10 aus und gehen Sie dann zum Reiter "ausführen ".
2. Richte Neuronavigation für die TUS-Verwaltung ein – Beispielimplementierung: Öffne mindestens die Ansicht Bullseye (Coil Centric) oder Bullseye (Target Centric) im Performen-Fenster , setze den Driver: auf den richtigen TUS-Transducer und wähle das richtige Ziel in der Liste Targets to sample: oben links aus.
3. Bereiten Sie die Teilnehmerkopfhaut auf die TUS-Kopplung vor – Beispielimplementierung: Kämmen Sie das Haar so weit wie möglich weg, wobei die Kopfhaut ungefähr an der Position für den TUS-Transducer freigelegt wird, und dadurch eine vorder-hintere Trennlinie entstehen. Entgastes Ultraschallgel entlang dieser Trennlinie auftragen, den Fingerdruck mittig nach außen entlang der natürlichen Haarrichtung auftragen, um Luftblasen platzen zu lassen und das Haar zu sättigen. Je nach Größe des Wandlers erstellen Sie 1–3 zusätzliche Trennlinien in ~1,5 cm Abstand auf jeder Seite der ursprünglichen Trennlinie und wiederholen Sie die oben genannten Aktionen. Als Nächstes kehren Sie zur anfänglichen Trennlinie zurück und wiederholen Sie die oben genannten Aktionen viermal.
   HINWEIS: Dieser Schritt entspricht der ITRUSST praktischen Empfehlung⁷.
4. Koppeln Sie den TUS-Transducer an den Teilnehmer – Beispiel-Implementierung: Binden Sie den TUS-Transducer am Teilnehmerkopf an und richten Sie den Transducer auf das Ziel aus, indem Sie seine Platzierung so anpassen, dass die drei in Bullseye (Coil Centric) oder Bullseye (Target Centric) angezeigten Metriken so nah wie möglich an null sind, während die Abweichungen der Distanz 1,5 mm und Kippabweichungen (Pitch + Roll) < 2 Grad <, und Rotationsabweichungen (Yaw) < 1 Grad können als quantitative operationelle Kriterien verwendet werden. Wenn Sie mit der Platzierung des Wandlers zufrieden sind, ziehen Sie den Riemen leicht fest. Stelle sicher, dass der Teilnehmer bequem ist und nicht erstickt ist.
5. (Optional, aber empfohlen) Setzen Sie einen Thermoelementdraht zwischen den Wandler und die Kopfhaut ein, wenn eine Online-Sicherheitsbewertung gewünscht ist. Führe es in das Ultraschallgel ein und idealerweise nahe an der Kopfhaut und nicht an der Oberfläche des Transducers. Führe sie an einer Kante des Transducers ein und nicht durch die Mitte, sodass die Ultraschallwelle nur minimal beeinflusst wird, während die topische Kopfhauttemperatur überwacht wird. Tape das Thermoelementkabel am Kopf, um ihn bei Kopfbewegungen an Ort und Stelle zu halten. Verwenden Sie Papierklebeband für ein Gleichgewicht zwischen leichter Entfernung und Klebrigkeit.
6. TUS starten und die anfängliche Platzierung des Wandlers aufnehmen – Beispielimplementierung: Drücken Sie den POWER-Knopf des Verstärkers, um dessen Ausgang und damit den TUS einzuschalten. Gleichzeitig drücken Sie den Sample Now-Button unten links im Fenster der Neuronavigationssoftware, um die anfängliche Platzierung des Transducers aufzuzeichnen.
7. Zeichnen Sie die Platzierung der Wandler während des gesamten TUS auf und passen Sie sie bei Bedarf an – Beispielimplementierung: Taste Sample Now während des TUS nach Wunsch, um die Platzierung der Wandler aufzuzeichnen. Überwachen Sie die drei Metriken in Bullseye (Coil Centric) oder Bullseye (Target Centric) genau. Passen Sie die Platzierung des Wandlers an, wenn er vom Ziel abweicht, was sich daran erkennt, dass sich die drei Metriken weiter von Null entfernen (Abbildung 8).
8. Überwachen Sie die Kopfhauttemperatur, wenn ein Thermoelement verwendet wird, und greifen Sie ein, wenn der Thermoelementwert 43,3 °C (110 °F)²⁵ erreicht oder der Teilnehmer eine übermäßige Wärmeempfindung meldet.
   HINWEIS: Diese Kopfhaut-Schwelle von 43,3 °C dient dazu, ≥ 2.^Grad Kopfhautverbrennungen zu vermeiden. Die intrakraniellen thermischen Dosisgrenzen werden durch die ITRUSST-Sicherheitsrichtlinien¹⁸ behandelt, die besagen, dass thermische Effekte von ITRUSST als sicher gelten, wenn einer der drei erfüllt ist: intrakranieller Temperaturanstieg ≤ 2 °C zu jedem Zeitpunkt, thermische Dosis ≤ 0,25 CEM43 oder maximale Expositionszeit je nach Temperaturindex (TI, 40 Minuten für 2,0 < TI ≤ 2,5, und 10 Minuten für 2,5 < TI ≤ 3,0). Prüfen Sie die ITRUSST-Sicherheitsrichtlinien für intrakranielle thermische Berechnungen. TI bedeutet normalerweise kraniale TI (TIC) für die meisten TUS-Setups¹⁸, aber TI für Weichgewebe (TIS) und Knochen im Fokus (TIB) sind ebenfalls definiert. Bestimmen Sie, ob TIC, TIS oder TIB dem Szenario am besten entspricht.

7. Abschluss des TUS

1. TUS beenden, das Wohlbefinden des Teilnehmers prüfen und die Kopfhaut reinigen – Beispielimplementierung: Drücken Sie den Power-Knopf des Verstärkers, um dessen Ausgang und damit den TUS auszuschalten. Nehmen Sie den Transducer und alle On-Head-Geräte ab, untersuchen Sie die Kopfhaut auf Rötungen und untersuchen Sie den Teilnehmer auf Beschwerden oder Nebenwirkungen. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass kein Unbehagen oder ein Ereignis vorhanden ist oder die aufgeworfenen Fragen beantwortet oder gelöst sind, wischen Sie das Ultraschallgel so gut wie möglich ab.
2. Beenden und Exportdaten der Neuronavigation – Beispiel für Implementierung : Beenden Sie im Neuronavigationsfenster und speichern Sie das Projekt nach Datei und Speichere das Projekt. Wählen Sie die aktuelle Sitzung aus der Liste Sitzungen: aus, klicken Sie auf Überprüfen, wählen Sie die Brainsight-Textdatei (.txt) aus dem Dropdown-Menü Export... unten links im geöffneten Fenster, stellen Sie sicher, dass Orientierung (3 Richtungsvektoren) ausgewählt ist, und Klick zu: Das Dropdown-Menü ist Nichts, konfigurieren Sie andere Einstellungen wie gewünscht und klicken Sie auf Speichern , um den aufgezeichneten TUS-Standort und die Orientierung während der Stimulation zu exportieren.
   HINWEIS: Es ist nicht erforderlich, dass in jedem Sample-Namen keine Leerzeichen verwendet werden, aber es ist eine gute Praxis.

8. Offline-Sicherheitsbewertung (optional, aber empfohlen)

1. Erfassen Sie dreidimensionale, von der T1-Magnetisierung vorbereitete Rapid-Acquisition Gradient-Echo (MPRAGE) und eine Diffusions-Tensorbildgebende (DTI)-Sequenz im Minimum. T2-gewichtete fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR)-Bilder mit derselben Auflösung wie der T1 MPRAGE sind optional, aber besonders für den Hub wertvoll. Erwerben Sie Pre- und Post-TUS.
   HINWEIS: Wählen Sie Neuroimaging-Parameter und Scanner nach Belieben, dieses Protokoll hat T1 MPRAGE: 1 mm isotrope räumliche Auflösung, 2400 ms TR, 3 ms TE und 900 ms TI; FLAIR: 1 mm isotrope räumliche Auflösung, 5000 ms TR, 90 ms TE und 1806 ms TI; und DTI: duale Spin-Echo, echo-planare Bildaufnahmen, 2 mm isotrope räumliche Auflösung, b-Faktor = 1000 s/mm² und 2,5 mm Schnittdicke. Siehe die Materialtabelle für den verwendeten Scanner.
2. Konvertiere RAW-Bilder in NIFTI (d. h. .nii-Format), falls nicht standardmäßig, mit einer bevorzugten Methode. Siehe die Materialübersicht für Beispielmethoden.
3. Trennen Sie das 4D-DTI-Bild und erhalten Sie eine Gehirnmaske – Beispielimplementierung: Installieren Sie die DTI-Verarbeitungssoftware²⁶ , falls sie nicht bereits installiert ist (siehe die Materialtabelle), führen Sie fslsplit auf dem 4D-Diffusions-NIFTI aus und führen Sie bet auf der resultierenden vol0000-Datei für eine Gehirnmaske²⁷ aus.
4. Korrektur für durch Wirbelströme induzierte Verzerrungen im DTI-Bild – Beispielimplementierung: Erstelle eine index.txt-Datei mit einer einzelnen Zeile von N 1s und einem einzelnen Leerraum dazwischen (z. B. für N = 5, index.txt würde nur enthalten: 1 1 1 1 1), wobei N die Anzahl der Werte in der bval-Datei ist, und führe Eddy²⁸ mit --imain, --mask, --bvecs, --bvals, --index, --acqp, --data_is_shelled, --repol und --out Optionen, wobei die Index-Textdatei die Eingabe für --index ist und eine einzelne Zeile raumdefinierter Textdatei mit 0, 1, 0, 0.08 (d. h. 0 1 0 0.08) die Eingabe für --acqp ist.
5. Überspringen Sie diesen Schritt für neurotypische Erwachsene. Die Läsion für eine Läsion abgrenzen – Beispielimplementierung: Verwenden Sie ein bevorzugtes Läsionsegmentierungswerkzeug oder zeichnen Sie manuell auf FLAIR eine Maske der Läsion, wenn Sie eine Kohorte mit Läsion untersuchen, verwenden Sie T1, wenn FALIR nicht verfügbar ist, und speichern Sie die Maske als NIFTI.
6. Segmentiere die anatomischen MRT-Bilder – Beispielimplementierung: Installiere die MRI-Verarbeitungssoftware (siehe Materialtabelle), falls sie noch nicht installiert ist, führe SPM FMRI im Programmierplattform-Befehlsfenster aus (siehe Materialtabelle), drücke die Segment-Taste , SPM-Dropdown-Menü , Tools, Klinisch und MR segment-normalisieren , um das Segmentierungsfenster zu öffnen. Geben Sie T1 zu Anatomischen ein, Läsionsmaske zu Läsionskarten (lassen Sie Leere, falls neurotypisch), FLAIR zu pathologischen Scans und klicken Sie auf das grüne Dreieck , um die^{Segmentierung 29} zu beginnen.
7. Passe ein Diffusionstensormodell an das wirbelkorrigierte DTI-Bild für eine skalare DTI-Abbildung an – Beispielimplementierung: Führe dtifit³⁰ mit den --data, --out, --mask, --bvecs, --bvals und --verbose Optionen an, wobei der Eintrag zu --out in Schritt 8.4 (der Eddy-Schritt) die Eingabe zu --data ist. Führe fslsplit auf dem 4D-Diffusionsbild nach dtifit aus, um einen neuen vol0000 zu erstellen.
8. Erhalten Sie während der TUS-Verwaltung einen repräsentativen Transducer-Standort und -Ausrichtung – Beispiel für Implementierung: Verwenden Sie benutzerdefiniertes Skript oder veröffentlichte Pipeline³¹ in der Textdatei der Neuronavigationssoftware (Schritt 7.2), importieren Sie diese Darstellung in die Neuronavigationssoftware über den Reiter Targets , Neu... Dropdown-Menü oben links, und importieren Sie aus der Datei... die Darstellung, klicken Sie einfach links unter der Namensliste , und klicke auf Gehen zu , um zu bestätigen, dass es sich an einem sinnvollen Ort und Orientierung befindet.
   HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass diese Neuronavigationssoftware-Datei auf dem MRT-Bild vor TUS basiert. Stellen Sie sicher, dass die Position und Ausrichtung des Neuronavigations-Software-Transducers Koordinaten im selben Raum wie das MRT-Bild haben, auf dem die akustische Simulation ausgeführt wird.
9. Ermitteln Sie ein Interessengebiet (ROI) für TUS-stimuliertes Gewebe – Beispielimplementierung: Führen Sie eine akustische Simulation durch Ausführung der Schritte 3.1 - 3.2 und 3.6 - 3.8 durch. Führe Feld berechnen einmal während Schritt 3.8 aus.
10. Richten Sie die anatomischen Scans vor TUS und Gewebesegmentmasken von Schritt 8.6 auf die vor-TUS, b0-skalare DTI-Karte aus (ab Schritt 8.7) aus – Beispielimplementierung: Verwenden Sie das coregister-est&reselice der MRT-Verarbeitungssoftware, wobei das vol0000 die Referenz ist, Pre-TUS T1 die Quelle, und die c1- bis c5-Dateien aus Schritt 8.6 für Pre-TUS in andere Bilder eingegeben werden. Richten Sie post-TUS, dtifit-ed vol0000 mit pre-TUS, dtifit-ed vol0000 mit demselben Werkzeug aus (z. B. Referenz = pre-TUS, dtifited vol0000 und Quelle = post-TUS, dtifit-ed vol0000), richten Sie dann post-TUS T1 aus und segmentieren Sie die Masken von Schritt 8.6 auf einen der vol0000 ähnlich.
11. Schneiden Sie den TUS-stimulierten ROI (Schritt 8.9) mit den grauen und weißen Substanzmasken für den endgültigen ROI für ADC-Lesungen – Beispielimplementierung: Binarisieren Sie graue Substanz- und weiße Substanzmasken, indem Sie fslmaths ausführen rc1_* -thr 0,5 -bin ID_GM.nii und fslmaths rc2_* -thr 0,5 -bin ID_WM.nii, kombinieren Sie die resultierenden Masken, indem Sie fslmaths ausführen ID_GM.nii -addieren ID_WM.nii ID_WGM.nii, und ermittelt den Schnittpunkt zwischen dieser kombinierten Maske und dem simulierten akustischen Feld, indem man fslmaths *_FullElasticSolution.nii.gz -mas ID_WGM.nii ID_roi_WGM.nii ausführt , wobei *_FullElasticSolution.nii.gz die Simulationsausgabe aus Schritt 8.9 ist.
12. Überlagern Sie die finale ROI-Maske (Schritt 8.11) und erhalten Sie ADCs vor und nach TUS – Beispielimplementierung: Überlagern Sie diese ID_roi_WGM.nii auf die pre- und post-TUS-dtifit-ed vol0000 im MRI-Viewer (siehe Materialtabelle), dann Zeichnen, Deskriptiv, notieren Sie den Wert bei MEDIAN und erhalten Sie die Änderung nach dem ADC nach dem Vor- und Vor-Vor-Modus, indem Sie den (post-vor)/vor-Prä-Prozentsatz mit den Vor- und Nach-TUS-Medianen berechnen.

9. Bewertung der durch TUS induzierten CSE-Variationen

Die Schritte in diesem Abschnitt sind modular. Führen Sie sie durch, um CSE zur gewünschten Frequenz und zu den gewünschten Zeitpunkten im Verhältnis zu TUS zu bewerten. Wählen Sie Häufigkeit und Zeitpunkte basierend auf der spezifischen Forschungsfrage. Siehe Materialtabelle für die TMS-Stimulator- und Spulenmodelle sowie die EMG-Aufnahmehardware.

1. Untersuchen Sie CSE an dem Muskel, dessen kortikale Repräsentation TUS erhält, und führen Sie Schritt 4.4 an diesem Muskel durch, damit EMG-Elektroden vorbereitet werden können.
2. Führen Sie die Schritte 4.5-4.11 durch, um die Neuronavigation vorzubereiten.
3. Bestimmen Sie die TMS-Coil-Konfiguration (Platzierung und Ausrichtung), die den interessierten Muskel, also den Hotspot, am besten stimuliert.
   1. Verwenden Sie den TMS-Hotspot, der während des nicht-simulationsbasierten TUS-Targeting erhalten wird, wenn das TUS-Targeting nicht simulationsbasiert ist – Beispielimplementierung: In der Neuronavigationssoftware, in der untenstehenden Liste Ziele zu stichproben: Klicken Sie mit der linken Maustaste auf die Probe, die die stärkste EMG-Reaktion erzeugt hat, um sie zu einem Neuronavigationsziel zu machen.
      HINWEIS: Siehe Materialtabelle für die TMS-Stimulator- und Coil-Modelle sowie EMG-Akquisitionshardware und -software. Als Beispielimplementierung hatte die EMG-Akquise eine 5000 Hz EMG-Abtastrate, einen Bandpassfilter von 20 bis 20.000 Hz, einen 60-Hz-Notchfilter, eine 1000-fache Verstärkung, manuelle Artefaktunterweisung und verwendete den in Soda et al., 2020²⁴ beschriebenen MEP-Detektionsalgorithmus.
   2. Wenn das TUS-Targeting simulationsbasiert ist, führen Sie die Schritte 4.12 - 4.16 aus, um den Hotspot zu identifizieren.
4. Bestimmen Sie den 1 mV Motorschwellenwert (MT_1mV) – Beispielimplementierung: Platzieren Sie die TMS-Spule so ausgerichtet, dass die oben erhaltenen Hotspot ausgerichtet sind, indem Sie die drei im Bullseye-Fenster angezeigten Metriken minimieren (Abweichungen < 1,5 mm, Neigungsabweichungen (Pitch + Roll) < 2 Grad und Rotationsabweichungen (Gier) < 1 Grad), bestimmen Sie die TMS-Stimulator-Ausgabe, die benötigt wird, um 1 mV MEPs auszulösen, d. h. MT_1mV, unter Verwendung eines bevorzugten Algorithmus (z. B. PEST³²). Wenn 1 mV MEP bei 100 % maximaler Stimulatorleistung (MSO) nicht erreichbar ist, bestimmen Sie den prozentualen MSO, der für 0,05 mV MEPs benötigt wird.
   HINWEIS: Der für 0,05 mV MEPs benötigte prozentuale MSO-Menge beträgt nicht MT_{1 mV} (siehe Schritt 9,5). Außerdem muss dieser MT_1mV-Schritt beim mehrfachen Ausführen dieses Abschnitts nur beim ersten Mal bestimmt werden, es sei denn, MT_1mV selbst wird als globales Maß für CSE gewählt.
5. Liefern Sie 20 einzelne TMS-Impulse mit MT_{1 mV} und einem Intervall zwischen den Pulsen > 10 Sekunden²³.
   HINWEIS: Wenn MT_{1 mV} nicht erreichbar ist, aber_{MT 0,05 mV} , verwenden Sie 100 % MSO. Wenn sowohl MT_{1 mV} als auch_{MT 0,05 mV} nicht erreichbar sind, wäre dieser Teilnehmer für diese CSE-Bewertung nicht berechtigt.

10. Bewertung von durch TUS induzierten MSL-Variationen

HINWEIS: Die Schritte in diesem Abschnitt sind modular. Führen Sie sie durch, um MSL bei der gewünschten Frequenz und zu den gewünschten Zeitpunkten im Verhältnis zu TUS zu beurteilen. Wählen Sie Häufigkeit und Zeitpunkte basierend auf der spezifischen Forschungsfrage.

1. Verwenden Sie Software/Sprache Ihrer Wahl (siehe Materialtabelle für Beispiele), um eine diskrete Produktionssequenz zu erstellen, bei der eine Fünf-Tasten-Tastatur vor einem Computerbildschirm platziert wird, der fünf horizontal gleich entfernte, 2 cm x 2 cm große leere Boxen zeigt, die mit den fünf Tastaturtasten ausgerichtet sind. Lass eine Perle jeweils in einem Feld erscheinen, verschwinden, wenn der entsprechende Knopf gedrückt wird, und erscheinen dann in einem anderen Feld. Lass die Perle in den fünf Kästchen ohne Wiederholung erscheinen, wodurch eine Erscheinungsfolge entsteht, zum Beispiel Kastennummer 1-4-3-2-5. Lass die Aufgabe eine Sequenz zwölfmal wiederholen. Haben Sie vor Beginn der Aufgabe eine Begrüßungsseite und starten Sie den Übergang von dieser Willkommensseite zur Aufgabe durch einen beliebigen Tastendruck. Haben Sie einen Reaktionszeitrekorder, der die Zeit zwischen jedem Perlenauftritt und dem entsprechenden Tastendruck verfolgt. Ein Beispiel für einen Pseudocode wäre
   boxes = [1, 2, 3, 4, 5]
sequence = [1, 4, 3, 2, 5]
repeats = 12
rt_log = []
print("Welcome! Press any key to begin.")
wait_for_any_key()
show_boxes() # draw empty boxes
for r in range(repeats):
  for target in sequence:
    show_bead(target) # bead in current box
    start = current_time()
    while True:
      key = wait_for_key()
      if key == target: # correct button
        rt = current_time() - start
        rt_log.append(rt)
        clear_bead()
        break
      else:
        continue # ignore wrong presses
print("Task complete. Thank you!")
save(rt_log, "results.csv")
   HINWEIS: Die Anzahl der Tasten/Boxen und die Sequenzwiederholung können je nach Experimentdesign variieren. Überlegungen sind das Funktionsniveau der interessierten Kohorte und das Gleichgewicht der Sequenzen zwischen den Teilnehmern, d. h. die Anzahl der Teilnehmer sollte durch die Anzahl möglicher Sequenzen teilbar sein. Das Intervall zwischen dem Verschwinden der Perle und dem nächsten Auftreten sowie vom Ende einer Sequenz bis zum Beginn der nächsten Sequenz hängt ebenfalls vom Experimentdesign ab.
2. Lassen Sie den Teilnehmer in bequemer Haltung sitzen. Stellen Sie die Tastatur mit der paretischen Hand des Teilnehmers an eine angenehme Reichweite.
3. Erkläre dem Teilnehmer: "Es werden fünf Kästchen auf dem Bildschirm sein. Eine Perle/ein Kreis erscheint in einer der Boxen. Wenn du die Perle/den Kreis siehst, drücke die entsprechende Taste mit deiner vom Schlag beeinflussten Hand. Mach das so schnell du kannst, wir werden das Timing haben, okay? Gibt es Fragen?"
   HINWEIS: Vermeiden Sie die Erwähnung von "Sequenz" in jeglicher Form. MSL muss implizites Lernen sein, damit es ein Maß für den Zustand des motorischen Cortex³³ ist. Die Erwähnung der "Sequenz" erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Teilnehmer jede Box indexieren und sich explizit an die Sequenz erinnern, wodurch MSL die Fähigkeit zur Beurteilung des Zustand des motorischen Kortex entkräftet.
4. Weisen Sie dem Teilnehmer nach der Beantwortung aller Fragen zufällig eine Sequenz zu und sagen Sie ihm: "Sie können jede beliebige Taste drücken, um zu starten, wann immer Sie bereit sind."
5. Überwachen Sie die Haltung des Teilnehmers während der Aufgabe und greifen Sie ein, falls Anzeichen eines Sturzes auftreten. Gleichzeitig, wenn der Teilnehmer die andere Hand/den anderen Arm zur Hilfe benutzt, erinnere ihn daran, dass für diese Aufgabe nur die paretische Hand verwendet werden sollte.
6. Überprüfen Sie, ob der Teilnehmer bei der Abschluss der Aufgabe gut ist, entfernen Sie die Tastatur/den Bildschirm, loben Sie den Teilnehmer für seine Leistung und drücken Sie Dankbarkeit aus.

11. Datenanalyse

HINWEIS: Die Gesamtdatenanalyse hängt vom experimentellen Design ab. Die folgenden Schritte geben Anleitungen für eine grundlegende Einheit der CSE/MSL-Maße zusammen mit einem einfachen, kanonischen Beispiel für den prozentualen Vergleich nach dem Vorvergleich.

1. CSE-Analyse
   1. Überprüfen Sie jede EMG-Spur auf einen identifizierbaren MEP mit einer Anfangslatenz von mindestens 19 ms (für APB), berechnen Sie die Peak-to-Peak-Amplitude zwischen Beginn und Offset jedes MEPs und berechnen Sie die mediane Peak-to-Peak-Amplitude für die 20 MEPs innerhalb des Blocks. Diese mediane Amplitude wird das Maß für die CSE für diesen Block sein.
      HINWEIS: Der Beginn der MEP-Latenz hängt vom Muskel, dem Muskelzustand (Ruhe vs. aktiv) und neurologischen Störungen ab, z. B. oberer Extremität: 10–40 ms³⁴; Untere Extremität: 30-45 ms^35,36. Konsultiere die Literatur, falls der Muskel von Interesse nicht APB ist. Der Eintritt/Offset eines MEP kann mit der in Soda et al., 2020²⁴ beschriebenen Schwellenwertmethode, bestimmt werden.
   2. Erhalten Sie die prozentuale Änderung nach der CSE-Phase, indem Sie das Maß nach der CSE vom vor-CSE-Maß subtrahieren und diese Differenz durch das Maß vor CSE teilen.
2. MSL-Analyse
   1. Berechnen Sie die mediane Antwortzeit innerhalb jeder Sequenzwiederholung, also den Median der fünf Tastendrücke, und dann den Median der zwölf Medianen innerhalb der Wiederholung. Dieser "Median von Median" wird das Maß für MSL für diesen Block sein.
   2. Erhalten Sie den prozentualen Prozentsatz nach der MSL-Veränderung, indem Sie das Maß nach MSL vom vor-MSL-Maß subtrahieren und diese Differenz durch das Maß vor MSL teilen.

Results

Das simulationsbasierte TUS-Targeting definiert zunächst manuell eine anfängliche Platzierung des Transducers basierend auf der Nähe zum intrakraniellen Ziel und der Senkrechte zum Schädel und nutzt diese Anfangsplatzierung und Transducer-Spezifikationen, um das intrakranielle akustische Feld zu lösen. Als Nächstes berechnet er die Diskrepanz zwischen dem beabsichtigten Stimulationsziel und dem akustischen Feldfokus, aktualisiert die Platzierung des Transducers in die entgegengesetzte Ri...

Discussion

Es gibt eine bedeutende Forschungsbegeisterung für die Anwendung von TUS bei neurologischen Erkrankungen; Es besteht jedoch ein Bedarf an mehr wissenschaftlicher Strenge und der Replikation von Ergebnissen. Ein erfolgreiches TUS auf dem beabsichtigten Zielgewebe beruht auf mehreren kritischen Schritten. Zunächst muss die Übertragungsempfindlichkeit des Wandlers korrekt charakterisiert werden. Zu den Optionen gehören die Befolgung von Schritt 2 dieses Protokolls, das Outsourcing an einen ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-Drucker	UltiMaker	Staffel 3	Zur Herstellung der Wandlerhalterung verwendet.
3T-MRT-Scanner	General Electric	Signa UHP
BabelBrain	Samuel Pichardo (Universität Calgary)	Version 0.4.3	Im Haupttext als "TUS Targeting Software" bezeichnet. Zugänglich unter https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/
Brainsight	Rogue Research		Im Haupttext wird es als "Neuronavigationssoftware/-system" bezeichnet. Für die Verwendung für TUS/TMS-Zielerfassung wird es mit einem Mac-Computer, einer Infrarotkamera und Fiducials geliefert.
EMG-Verstärker und Analog-Digital-Wandler	Cambridge Electronic Design Ltd	CED 1902,  MICRO4	Zur Erfassung, Verstärkung und Digitalisierung von EMG-Signalen.
dcm2niix	Christopher Rorden	V1.0.20250506	Um Neurobilder von DICOM in NIFTI umzuwandeln. Zugänglich unter https://pypi.org/project/dcm2niix/
E-Prime	Psychologie-Softwaretools	E-Prime 3.0	Im Haupttext als Beispielsoftware für MSL bezeichnet. Zur Erstellung der diskreten Sequenzproduktionsaufgabe.
Treuhänder und Stirnband	Rogue Research	ST-1275 (Zielverfolgungsgerät), LCT-494 (großer Spulen-Tracker), P-1528 (Zeiger)	In Kombination mit Brainsight zur Neuronavigation zu verwenden.
FSL	Universität Oxford		Im Haupttext als "DTI-Verarbeitungssoftware" bezeichnet. Wird im optionalen, aber empfohlenen Step 8 für die Diffusionsbildverarbeitung verwendet.
Funktionsgenerator	Keysight-Technologien	33210A	Um das Antriebssignal für den TUS-Wandler zu erzeugen.
Hydrophon	Onda Corporation	HNA-0400	Um den Druckausgang des Wandlers zu messen.
ITK-SNAP	Penn Image Computing and Science Labor	ITK-SNAP 4.0	Im Haupttext als "MRT-Viewer" bezeichnet. Zugänglich unter https://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php?n=Downloads.SNAP4
k-Wave	Bradley Treeby, Ben Cox und Jiri Jaros	k-Wave Version 1.4	Im Haupttext als "Open-Source akustische Simulationssoftware" bezeichnet. Zugänglich unter http://www.k-wave.org/
MATLAB	MathWorks Inc.	R2024b	Im Haupttext als "Programmierplattform" bezeichnet. Zugänglich unter https://www.mathworks.com/products/matlab.html
MRIcroGL	NeuroImaging-Tools & Ressourcen-Collaboratory	v1.2.20220720	Um Neurobilder von DICOM in NIFTI umzuwandeln. Zugänglich unter https://www.nitrc.org/projects/mricrogl/
MRIcron	NeuroImaging-Tools & Ressourcen-Collaboratory	v1.0.20190902	Im Haupttext als "MRT-Viewer" bezeichnet. Zugänglich unter https://www.nitrc.org/projects/mricron
Oszilloskop	SIGLENT Technologien	SDS 1202X-E	Zur Messung des Eingangs des TUS-Transducers und zur Aufzeichnung von Hydrophon-Messungen.
Python	Python Software Foundation	Python 3.13	Im Haupttext als Beispielsprache für MSL bezeichnet. Zur Erstellung der diskreten Sequenzproduktionsaufgabe.
HF-Leistungsverstärker	AR-RF/Mikrowelleninstrumentierung	50A250	Soll verwendet werden, um den Ausgang von Funktionsgeneratoren auf die vom TUS-Wandler benötigte Amplitude zu verstärken.
Signal	Cambridge Electronic Design Ltd	Signal 7,05a (x86)	Im Haupttext als "EMG-Erfassungssoftware" bezeichnet. Soll verwendet werden, um EMG-Signale vom Analog-Digital-Wandler an einen Computer zu erfassen.
SimNIBS	Axel Thielscher (Technische Universität Dänemark)	Version 4.5	Im Haupttext als "E-Field-Software" bezeichnet. Zugänglich unter https://simnibs.github.io/simnibs/build/html/index.html
SPM12	Funktionelles Bildgebungslabor (University College London)		Im Haupttext als "MRI-Verarbeitungssoftware" bezeichnet. Soll im optionalen, aber empfohlenen Schritt 8 für die MRT-Bildverarbeitung verwendet werden.
TMS-Stimulator und Spirale	Magstim Inc.	BiStim2, 70 mm Achtfigur	Zur Anwendung von TMS-Impulsen.
Transducer	Blatek Industries	AT32080
Transducer-Halterung	Duke University Team		3D-gedruckte Wandlerhalterung in Polyaktsäure (PLA) und mit Stoffbändern angebracht.
Ultraschallgel	Parker Laboratories	Aquasonic 100	Zwischen dem TUS-Transducer und dem teilnehmenden Kopf anzuwenden.
Wassertank und 3-Achsen-Positionierungssystem	Onda Corporation	AIMS III Hydrophon-Scansystem	Individuell angepasst mit dem Unternehmen.