En este método, se realizan simulaciones específicas de cada sujeto para predecir y evaluar los posibles efectos térmicos y mecánicos resultantes de la aplicación de TUS en el cerebro. Los conjuntos de datos entre los participantes deben permanecer separados y cuidadosamente documentados, ya que el uso de un escaneo o archivo de datos incorrecto dará lugar a simulaciones inexactas. Cuando se recopilan numerosos escaneos de participantes y la planificación se realiza en conjunto, es importante garantizar el etiquetado adecuado de las imágenes y carpetas y proceder con precaución al clasificar y guardar archivos.
Para realizar simulaciones precisas, el cráneo debe modelarse correctamente para obtener una comprensión específica del sujeto de las propiedades acústicas y geométricas. BabelBrain, por lo tanto, requiere la realización de una tomografía computarizada o ZTE; si ninguno de los dos está disponible, BabelBrain puede usar una máscara simplificada del hueso del cráneo obtenida con la herramienta de encantamiento. Las tomografías computarizadas proporcionan la información más precisa sobre las características del cráneo para predecir cómo se propagará el ultrasonido en el cerebro una vez que entre en contacto con el cráneo. Esto se logra mediante el uso de información voxelizada del hueso del cráneo, aunque la estimación del volumen óseo aún es difícil de predecir debido a su naturaleza heterogénea51. Sin embargo, más recientemente, se han utilizado secuencias ultracortas de resonancia magnética TE, como la exploración ZTE, para determinar las propiedades acústicas del cráneo y realizar simulaciones de TUS. La resolución y el contraste de los píxeles óseos no son tan altos en una imagen ZTE como en la TC; sin embargo, en comparación con las máscaras simplificadas derivadas solo de la resonancia magnética T1-w y T2-w, las imágenes ZTE aún proporcionan una estimación mejorada del calentamiento con simulaciones TUS52 que tienen predicciones similares a las realizadas con tomografías computarizadas53. El uso de exploraciones ZTE en simulaciones elimina cualquier exposición innecesaria a la radiación y el tiempo adicional requerido para obtener imágenes de TC de rayos X, ya que las secuencias de ZTE se pueden agregar a la sesión de exploración de resonancia magnética original. Sin embargo, los protocolos ZTE no son un producto estándar en la mayoría de los escáneres de resonancia magnética, y se requiere investigación adicional para mejorar el posprocesamiento basado en ZTE para su uso en el modelado de TUS. Si no se dispone de imágenes de TC ni de ZTE, la herramienta de encanto utilizada con BabelBrain crea una máscara simplificada a partir de imágenes T1- y T2-w para predecir las características del cráneo. Una comparación de las simulaciones realizadas con una TC frente a una máscara simplificada ha observado diferencias mínimas en la dirección (1,00 mm ± 1,3 mm) y el reposicionamiento mecánico (dirección x 0,2 mm ± 0,4 mm; dirección y 0,1 mm ± 0,5 mm) necesarios para alcanzar el objetivo, sin embargo, una distribución de intensidad ligeramente diferente (longitud de enfoque 6% ± 8%; ancho de enfoque 2,7% ± 2%; volumen de enfoque 10,4% ± 16%; presión máxima -0,5% ± 15% para la máscara simplificada en relación con la TC)36. Esto revela que el TC proporciona simulaciones más precisas; sin embargo, si no se puede utilizar una tomografía computarizada o una exploración ZTE, la máscara simplificada es adecuada para completar simulaciones para la experimentación con TUS en humanos.
Los métodos de mapeo de las propiedades acústicas siguen siendo un área necesaria de investigación, ya que la predicción de la velocidad del sonido y la atenuación a partir de imágenes de TC y RM aún requieren una mejor comprensión y un flujo de trabajo optimizado. Por lo tanto, queda una advertencia de la posible desviación de los efectos térmicos o mecánicos de lo que se predice en la simulación. El modelado de efectos acústicos en BabelBrain se logra utilizando una biblioteca de código abierto BabelViscoFDTD54,55, que permite el modelado de la transmisión de ondas lineales de compresión y de corte. Este modelo ha sido validado con muchos otros modelos para la posición, el tamaño y la magnitud del enfoque, con diferencias de menos del 10 % en la presión focal y menos de 1 mm en el posicionamiento focal56. Por lo tanto, las simulaciones acústicas están de acuerdo con otros modelos de simulación. Las predicciones térmicas son más difíciles y no han sido validadas experimentalmente, ya que la termometría de resonancia magnética no se puede realizar en el cráneo y se espera que los cambios de temperatura sean muy pequeños, lo que crea una fuente de incertidumbre. El modelado térmico utilizado en BabelBrain es consistente entre los artículos, resolviendo la Ecuación de Transferencia de Biocalor (BHTE) para simular el calentamiento del cráneo a través del modelado de la difusión térmica, los efectos de la perfusión y la potencia acústica36,51. Las estimaciones del aumento térmico a partir de modelos de atenuación y absorción se utilizan para predecir los efectos en el cráneo con TUS basado en otra literatura publicada57, sirviendo como la mejor alternativa hasta la fecha para simular el calentamiento del cráneo. Como se ve en los métodos descritos, el usuario especifica la duración de la ecografía, el tiempo libre después de la ecografía, el ciclo de trabajo y la intensidad media del pulso pico espacial deseado en condiciones cerebrales, de los cuales los parámetros de seguridad se calculan en función de la selección de parámetros. Por lo tanto, el usuario debe inspeccionar todos los parámetros que se emplearán para asegurarse de que están dentro de los requisitos de seguridad. También se ha observado que varios sistemas de neuronavegación utilizados para posicionar el transductor sobre la región de interés tienen un error de registro del objetivo de aproximadamente 3 mm 38,58,59. Sin embargo, dependiendo de la frecuencia empleada y del tamaño del objetivo, el punto focal puede ser lo suficientemente grande como para cubrir el objetivo, incluso con un error de 3 mm. Aunque esto puede ser una limitación, sigue ofreciendo una mayor ventaja sobre los sistemas de navegación alternativos debido a lo invasivo de los métodos de localización estereotáctica.
BabelBrain agiliza los pasos de planificación necesarios para completar los experimentos de TUS en humanos, ya que es eficiente, fácil de usar y es la única herramienta de planificación accesible de código abierto hasta la fecha. Esto permite la transparencia de los métodos experimentales en la literatura publicada, ya que los alfabetos utilizados son de libre acceso. El método descrito completa los pasos de preparación de datos y procesamiento de imágenes, eliminando la necesidad de scripts personalizados o cualquier colaboración externa para ejecutar simulaciones. Por lo tanto, elimina una barrera importante para los experimentadores, lo que les permite completar la planificación y las simulaciones directamente y permite que más laboratorios completen la experimentación exitosa con TUS. Además de la planificación prospectiva de experimentos, este método también tiene aplicaciones potenciales en la planificación de la terapia FUS mediada por cavitación36, como la apertura de la barrera hematoencefálica59. En general, este método proporciona un enfoque eficaz y simplificado para planificar e implementar la experimentación con TUS en humanos y el desarrollo de TUS para su uso en entornos clínicos.