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

Unsere Neuromodulation und das Stroke Recovery Lab konzentrieren sich darauf, verschiedene Neuromodulationswerkzeuge einzusetzen, um die Erholung nach dem Schlaganfall, einschließlich der motorischen Erholung, zu verbessern. Dieses spezielle Projekt beinhaltet den Einsatz von niedrigintensiver transkranieller Ultraschallstimulation, einem neuen nicht-invasiven Instrument zur Gehirnstimulation zur Modulation der Erregbarkeit des motorischen Cortex und zur Förderung des motorischen Lernens bei Schlaganfallpatienten. Bereiten Sie zunächst einen Wassertank mit entgastem deionisiertem Wasser vor, um mögliche Schäden am Hydrophon zu verhindern.

Fixieren Sie den Ultraschallsensor an der Leuchte am Wassertank und montieren Sie das Hydrophon am Dreiachsen-Positionierungssystem. Verbinde das Hydrophon mit einem Oszilloskop und dann die Nadelspitze zusammen mit dem Kabel. Schalten Sie die Stromversorgung erst ein, wenn sie vollständig im Wasser eingetaucht ist.

Treiben Sie den Ultraschallwandler mit einem Funktionsgenerator an. Anschließend positionieren Sie die Hydrophonspitze im ungefähren Brennbereich des Ultraschallwandlers mit dem Dreiachsen-Positionierungssystem. Zeichnen Sie die Oszilloskop-Messungen an jedem Ort auf, um die akustische Druckverteilung zu erhalten und den Hydrofonstandort entsprechend dem Brennbereich zu dokumentieren.

Bewerten Sie die Sendeempfindlichkeit des Ultraschallwandlers am Brennpunkt durch Anlegen verschiedener Eingangsspannungen. Schließen Sie die transkranielle Ultraschall-Stimulationshardware an und beginnen Sie mit der Oszilloskopaufnahme. Schalte das Oszilloskop ein.

Stelle es so ein, dass es läuft, und passe sowohl die vertikale als auch die horizontale Achse an die gewünschte Skala an. Schalte den Hauptschalter des Verstärkers auf Ein-Position. Stellen Sie die Ausgangsleistung des Verstärkers auf null.

Konfigurieren Sie beide Funktionsgeneratoren auf die gewünschte Wellenform, um sicherzustellen, dass zu jeder Pulsdauer eine Rampe hinzugefügt wird. Drücken Sie nun auf Ausgabe des Funktionsgenerators. Stellen Sie den Verstärkerausgang mit dem Einstellrad auf 100 % ein und überwachen Sie die Gain-Anzeige.

Drücken Sie den Power-Button des Verstärkers, um den Ausgang zu starten. Bestätigen Sie die Wellenform des Laufwerkssignals am Oszilloskop und lassen Sie das Antriebssystem 15 Minuten laufen, um den Ausgang zu stabilisieren. Prüfen Sie das Ramping am Anfang und Ende jeder Pulsdauer auf der Antriebssignalwellenform.

Stell den Verstärkerausgang auf null. Tauchen Sie den Wandler vollständig in Wasser ein und positionieren Sie die Austrittsebene etwa einen Zoll unter der Oberfläche nach oben gerichtet. Dann drehen Sie den Verstärkerausgang auf 100 % zurück und beobachten, ob das Rampen erfolgreich ist.

Jetzt befestigen Sie einen Neuro-Navigations-Tracker am Halter des Transducers. In der Software navigieren Sie zu Fenster- und Werkzeugkalibrierungen. Klicken Sie auf Neue Kalibrierung.

Geben Sie einen Namen ein und wählen Sie den richtigen Werkzeugtracker aus. Halten Sie den Wandler mit dem Tracker an den Kalibrierungsblock, sodass der Referenzindikator-Stift das Zentrum der Austrittsebene des Wandlers berührt und senkrecht zur Mitte steht. Klicken Sie auf Start Calibration Countdown.

Fünf Sekunden ruhig halten und bei Bedarf wiederholen, bis der Erfolg erfolgt. Schließen Sie dann sowohl die Fenster Edit-Calibration als auch Tool Calibrations. Drücken Sie den Power-Button des Verstärkers, um den Ausgang auszuschalten, wenn der Teilnehmer bereit für eine transkranielle Ultraschallstimulation ist.

Trennen Sie das Oszilloskop vom Verstärker und schließen Sie den Wandler an den Verstärkerausgang an. Wenn Sie das simulationsbasierte Ziel verwenden, laden Sie das Ziel in die Neuronavigationssoftware. Im Reiter Sitzungen öffnen Sie das neue Dropdown-Menü und wählen Sie Online-Sitzung.

Unter dem Reiter Ziele klicke auf das Ziel Trajectory-x-mod und drücke hinzufügen, um es für die Sitzung hinzuzufügen. Öffne im Fenster "Performen" die Ziel-zentrierte oder Ziel-zentrierte Ansicht. Stellen Sie den Treiber auf den richtigen TUS-Transducer ein und wählen Sie das richtige Ziel in der Liste "Ziele zum Abtasten" oben links aus.

Kämme das Haar des Teilnehmers, um die Kopfhaut an der TUS-Transducerstelle freizulegen und eine vordere/hintere Scheitellinie zu erzeugen. Trage das vergiftete Ultraschallgel darauf auf. Machen Sie auf jeder Seite ein bis drei zusätzliche Trennlinien etwa 1,5 Zentimeter entfernt und wiederholen Sie denselben Vorgang.

Kehren Sie schließlich zur ursprünglichen Trennlinie zurück und wiederholen Sie den Vorgang viermal. Befestigen Sie nun den TUS-Transducer am Kopf des Teilnehmers und richten Sie ihn mit der Bullseye-Ansicht auf das Ziel aus. Stellen Sie den Wandler so ein, dass Abstand, Neigung und Rotationsabweichungen innerhalb der Betriebsgrenzen minimiert werden.

Wenn eine Sicherheitsüberwachung erforderlich ist, führen Sie ein Thermoelementkabel in das Ultraschallgel nahe der Kopfhaut ein. Klebe das Thermoelementkabel mit Papierband am Kopf fest, um Bewegungen zu verhindern. Drücken Sie den Power-Knopf des Verstärkers, um den Ausgang zu starten und TUS zu starten.

Gleichzeitig drücken Sie auf "Sample Now" in der Neuro-Navigationssoftware, um die erste Platzierung des Transducers aufzunehmen. Überwachen Sie kontinuierlich die drei Ausrichtungsmetriken im Bullseye-Blick. Überwachen Sie die Kopfhauttemperatur mit dem Thermoelement-Draht, falls installiert.

Um TUS zu beenden, drücke den Power-Button des Verstärkers, um den Ausgang zu stoppen. Entfernen Sie den Wandler und alle kopfmontierten Geräte vom Teilnehmer. Untersuchen Sie die Kopfhaut auf Anzeichen von Rötung und fragen Sie den Teilnehmer nach Beschwerden oder Nebenwirkungen.

Wenn keine Probleme gemeldet werden oder nachdem Sie Bedenken angesprochen haben, wischen Sie das Ultraschallgel vorsichtig von der Kopfhaut ab. Klicken Sie im Neuro-Navigationsfenster auf "Beenden" und speichern Sie das Projekt, indem Sie auf Datei auswählen und auf "Projekt speichern" drücken. Wählen Sie in der Sitzungsliste die aktuelle Sitzung aus und klicken Sie auf Überprüfen.

Im Fenster Sitzungsüberprüfung wählen Sie die Textdatei des Gehirns aus dem Dropdown-Menü Export. Stelle sicher, dass die Orientierung ausgewählt ist, und setze Snap auf Nichts. Konfigurieren Sie weitere Exporteinstellungen nach Bedarf und klicken Sie dann auf Speichern, um die Stimulationsdaten zu exportieren.

Ein zufriedenstellendes simulationsbasiertes Zielergebnis wurde erzielt, bei dem der akustische Fokus die beabsichtigte kortikale Stimulationsregion erreichte. Ein Szenario im simulationsbasierten Targeting, das zusätzliche Iterationen erfordert aufgrund einer Fehlausrichtung zwischen dem akustischen Fokus und dem beabsichtigten Stimulationsziel. Anpassung des Parameter Distance TX out plane to skin auf einen realistischeren Wert, um das Problem der Visualisierungsskalierung in der Simulationsoberfläche zu beheben.

Ein sauberes, motorisch erzeugtes Potential wurde aufgezeichnet, was auf gute transkranielle Magnetstimulation, Spulenplatzierung und Orientierung hinweist. Es wurde eine Wellenform beobachtet, die möglicherweise kein motorisch erzeugtes Potential darstellt. Eine erfolgreiche MT-Ein-Millivolt-Bestimmung wurde bei 52 % maximaler Stimulatorleistung durchgeführt, mit fünf positiven und fünf negativen Reaktionen auf diesem Niveau.

Eine potenziell nicht eindeutige MT-Ein-Millivolt-Bestimmung wurde bei 87 % der maximalen Stimulatorleistung aufgrund aufeinanderfolgender aufeinanderfolgender positiver und negativer Reaktionen registriert. Eine gleichmäßige, gleichmäßige Oszilloskop-Messung des Antriebssignals des Wandlers wurde erhalten, was auf die ordnungsgemäße Gerätefunktion hinweist. Eine gute Ausrichtung zwischen der physischen Platzierung des Transducers und dem vordefinierten Ziel wurde mittels Neuronavigation erreicht.

Eine falsch ausgerichtete Platzierung des Wandlers wurde beobachtet, was auf eine Anpassung an das Ziel hinweist. Wir haben die TUS-Sicherheit und effektive Intensität bei Schlaganfallpatienten festgestellt, die den motorischen Cortex zeigen. TUS kann das motorische Lernen und die kortikale Anregung verbessern. Es gibt keinen methodischen Artikel, der sich auf die Anwendung von TUS bei neurologisch kranken Erwachsenen konzentriert.

Dieses Protokoll schließt diese Lücke. Wir hoffen, dass dieses Protokoll die methodische Variabilität verringern und die Zuverlässigkeit sowie Reproduzierbarkeit zukünftiger Ultraschallstudien am Menschen verbessern kann.