מאמר שיטה

צנרת לתכנון וביצוע ניסויי נוירומודולציה באולטרסאונד טרנס-גולגולתי בבני אדם

2.8K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/66972

⸱

28 ביוני 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Clinical Neurosciences, Cumming School of Medicine, University of Calgary, 2Hotchkiss Brain Institute, Cumming School of Medicine, University of Calgary, 3Department of Radiology, Cumming School of Medicine, University of Calgary, 4Department of Biomedical Engineering, Schulich School of Engineering, University of Calgary

במאמר זה

סיכום

גירוי אולטרסאונד תוך גולגולתי (TUS) היא טכניקת נוירומודולציה לא פולשנית מתפתחת הדורשת תכנון זהיר של סימולציות אקוסטיות ותרמיות. המתודולוגיה מתארת צינור עיבוד תמונה והדמיית אולטרסאונד לתכנון יעיל, ידידותי למשתמש ויעיל לניסויי TUS בבני אדם.

תקציר

גירוי אולטרסאונד גולגולתי (TUS) היא טכניקה נוירומודולציה לא פולשנית מתפתחת המסוגלת לתפעל מבנים קליפת המוח ותת-קליפת המוח בדיוק גבוה. ביצוע ניסויים בבני אדם מחייב תכנון קפדני של סימולציות אקוסטיות ותרמיות. תכנון זה חיוני כדי להתאים את הפרעות העצם לצורה ולמסלול של קרן האולטרסאונד ולהבטיח שהפרמטרים של TUS עומדים בדרישות הבטיחות. T1 ו-T2 משוקללים, יחד עם סריקות דימות תהודה מגנטית (MRI) של הד זמן אפס (ZTE) ברזולוציה איזוטרופית של 1 מ"מ, נרכשות (לחלופין סריקות רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת (CT) לשחזור גולגולת והדמיות. מיפוי מטרות ומסלולים מתבצע באמצעות פלטפורמת ניווט עצבי. SimNIBS משמש לפילוח ראשוני של רקמות הגולגולת, העור והמוח. סימולציה של TUS מתבצעת באמצעות הכלי BabelBrain, המשתמש בסריקת ZTE כדי להפיק תמונות CT סינתטיות של הגולגולת שיומרו לתכונות אקוסטיות. אנו משתמשים במתמר אולטרסאונד במערך שלבים עם יכולות היגוי חשמלי. היגוי Z מותאם כדי להבטיח הגעה לעומק המטרה. תצורות מתמרים אחרות נתמכות גם בכלי התכנון. סימולציות תרמיות מופעלות כדי להבטיח שדרישות הטמפרטורה והאינדקס המכני יהיו במסגרת ההנחיות האקוסטיות עבור TUS בבני אדם כפי שהומלץ על ידי ה- FDA. במהלך מפגשי מסירת TUS, זרוע מכנית מסייעת בתנועת המתמר למיקום הנדרש באמצעות מערכת לוקליזציה סטריאוטקטית ללא מסגרת.

מבוא

טכניקות נפוצות לגירוי עצבי לא פולשני כוללות גירוי זרם ישיר תוך גולגולתי (tDCS) וגירוי מגנטי טרנס-גולגולתי (TMS). עם זאת, לשניהם עומק חדירה מוגבל ודיוק נמוך 1,2. לעומת זאת, אולטרסאונד טרנס-גולגולתי (TUS) היא טכניקה לא פולשנית מתפתחת המסוגלת לשפר או לדכא פעילות עצבית 3,4,5 ולהתמקד במבנים קליפתיים או תת-קליפתיים בדיוקמילימטרי 6,7. מודלים של בעלי חיים המשתמשים במכרסמים 4,8,9, ארנבים10, כבשים 5,11, חזירים6 ופרימטים לא אנושיים 7,12,13,14 הראו את היעילות והבטיחות של TUS. מחקרים הראו כי התמקדות באזורים שונים במוח יכולה לעורר תנועות גפיים8 בחולדות, פוטנציאלים מעוררים סומטוסנסוריים (SSEPs) בחזירים6, ושינויים בפעילות ויזומוטורית12, קבלת החלטות קוגניטיבית ומוטיבציונית בפרימטים לא אנושיים13 בין שינויים אחרים בהתנהגות. בבני אדם, TUS נצפה משנה פוטנציאלים מוטוריים מעוררים (MEPs) וביצועים במשימת זמן תגובה כאשר הוא מכוון לקליפת המוח המוטורית העיקרית15,16 ושינה ביצועים במשימת הבחנה מישושית ו- SSEPs כאשר הוא מכוון לקליפת המוח הסומטוסנסורית17 ולתלמוס החושי18. ניתוחים היסטולוגיים לא גילו שינויים מבניים גסים או מיקרוסקופיים הקשורים ל-TUS בחזירים6, כבשים 5,11, ארנבים10 ופרימטים לא אנושיים14, ולא נצפו תופעות לוואי שונות באופן משמעותי מטכניקות אחרות של גירוי עצבי לא פולשני19.

TUS משתמש באולטרסאונד ממוקד פועם בעוצמה נמוכה בתדר שבין 200 קילוהרץ ל -700 קילוהרץ כדי לייצר אפקט נוירומודולטורי חולף. עוצמת הדופק הממוצעת המרחבית-שיא (Isppa) באתרה היא 10 W/cm2 או פחות, כאשר מחזורי העבודה המדווחים (אחוז הזמן שבו אולטרסאונד מופעל) נעים בין 0.5% ל-70% בבני אדם 20,21,22,23,24. למרות שהמנגנונים של נוירומודולציה TUS הוצעו בעיקר ככרוכים בעיקר בתסיסה מכנית של קרומי שומנים המובילה לפתיחת תעלות יונים 25,26,27, לא ניתן להתעלם מהשפעות תרמיות וקוויטציה אפשריות. הם מוערכים באמצעות מדדים מכניים (MI) ותרמיים (TI). ה-MI מתאר את ההשפעות הביולוגיות החזויות הקשורות לקוויטציה שיתרחשו עם TUS, ואילו ה-TI מתאר את עליית הטמפרטורה הפוטנציאלית בתוך רקמות בעקבות יישום אולטרסאונד28,29. יתר על כן, שינוי התדר ועוצמת הקלט גורם גם ל- MI ו- TI להשתנות. לתדרים גבוהים יותר יש רזולוציה מרחבית טובה יותר והם מקטינים את ההסתברות להשפעות ביולוגיות מכניות; עם זאת, יש להם ספיגה חזקה יותר ברקמה, מה שמגדיל את הפוטנציאל לעליית טמפרטורה28. לחלופין, תדרים נמוכים יותר באותה עוצמה מגדילים את ה-MI. באופן דומה, הגדלת העוצמה נוטה להגדיל את עוצמת ההשפעות הביולוגיות המכניות והתרמיות30. לכן, הכרחי לבצע תכנון וסימולציה קפדניים לפני מפגשי ניסוי עבור כל הפרמטרים של TUS שייושמו.

תכנון ניסוי TUS דורש זיהוי המטרה ומסלול העניין וביצוע סימולציות תרמיות ואקוסטיות. סימולציות מסייעות באופטימיזציה של השפעות מכניות ובמיתון ההשפעות התרמיות של TUS על רקמות. הם דורשים הבנה של חיזוי חימום הגולגולת, משרעת לחץ של האולטרסאונד בנקודת המוקד, תיקון מוקד, וחימום אחר בתוך הגולגולת והעור. סימולציה נאותה מבטיחה שנקודת המוקד תגיע ליעד של עניין ופרמטרי בטיחות לשימוש באולטרסאונד שנקבעו על ידי הנחיות הבטיחות לבטיחות ביופיזית כפי שהומלץ על ידי הקונסורציום הבינלאומי לגירוי אולטרסוני טרנס-גולגולתי ותקנים (ITRUSST)31, המבוססים על המלצות ה- FDA ו- Health Canada. מחקרים אחרונים הדגישו גם אפקט מבלבל שמיעתי מלווה TUS 32,33,34 בבעלי חיים ובבני אדם, לפיו גירוי TUS יכול להפעיל מסלולים שמיעתיים במוח כדי לעורר תגובות 32,33,34. טרנסקציה של עצבי השמיעה32, הסרת נוזל השבלול32, או חירשות כימית33 במכרסמים שימשו כדי להפחית השפעות אלה בבעלי חיים. בבני אדם, מתן צליל שמיעתי באמצעות אוזניות שימש כדי להסוות ביעילות רעש שמיעתי מ- TUS, שליטה בפעילות השמיעתית הנגרמת על ידי TUS מבלבלת34. זה מדגיש את הצורך לשלוט ברעש שמיעתי בתנאי גירוי דמה, אשר חייב להיות משולב בתכנון, עיצוב ויישום פרוטוקול.

כאן, אנו מציגים מדריך כיצד להשלים כראוי את ההכנה (שלב 1, שלב 2), תכנון (שלב 3), סימולציות (שלב 4) ומסירת TUS (שלב 5) הנדרשים לביצוע ניסוי נוירומודולציה TUS בבני אדם.

פרוטוקול

כל השיטות הכרוכות בשימוש בבני אדם בוצעו בהתאם להתנהגות האתית התלת-מועצתית למחקר המערבים בני אדם, והפרוטוקול אושר על ידי מועצת האתיקה של מחקר הבריאות המשותף (CHREB) באוניברסיטת קלגרי. כל הנבדקים נתנו הסכמה מדעת בכתב לפני ההשתתפות. המשתתפים האנושיים נדרשו להיות מבוגרים בריאים, ימניים בגילאי 18 עד 40 המוכנים ומסוגלים להשלים סריקת דימות תהודה מגנטית (MRI). קריטריוני ההחרגה כללו היסטוריה משפחתית של התקפים, מצב רוח או הפרעות לב וכלי דם, טראומה באוזניים, תלות באלכוהול או בסמים, שימוש בתרופות מרשם, שתלי מתכת כולל קוצב לב, הריון, הפרעות לב וכלי דם, היסטוריה של הפרעה נוירולוגית או פסיכיאטרית, חוסר יכולת לתקשר עם החוקר וצוות המחקר, וחוסר כשרות משפטית או יכולת משפטית מוגבלת. הפרוטוקול המתואר להלן עוקב אחר ההמלצות של ITRUSST על הדיווח הסטנדרטי של מחקרי TUS35. פרטי הציוד, התוכנה וקישורי האינטרנט הדרושים המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.

1. הדמיית תהודה מגנטית ברזולוציה גבוהה

  1. דמיינו את המשתתף באמצעות סליל ראש/צוואר בן 24 ערוצים.
    הערה: לחלופין, סליל הראש/צוואר הטוב ביותר הזמין באתר מספיק כדי לקבל MRI אנטומי.
  2. אסוף תמונות MR משוקללות T1 ו- T2 ורצפי הד זמן אפס (ZTE) ברזולוציה של 1 מ"מ.
    הערה: מומלץ לאסוף תמונות MR מבלי שהמשתתף ירכיב אוזניות מעל האוזן, מכיוון שהדבר עלול להשפיע על שחזור התמונה ולהקשות על שלבי התכנון והביצוע הבאים. במקום זאת, מומלץ שהמשתתפים ירכיבו אטמי אוזניים רק לבטיחות MR.
    1. עבור הדמיה משוקללת T1, השתמש ברצף הד הדרגתי הדרגתי מהיר (FSPGR) מוכן לשחזור היפוך תלת-ממדי עם הפרמטרים הבאים: זמן חזרה (TR) = 8.4 אלפיות השנייה, זמן הד (TE) = 3.2 אלפיות השנייה, זמן היפוך (TI) = 650 אלפיות השנייה, זווית היפוך של 10 מעלות, שדה ראייה בגודל 256 מ"מ x 256 מ"מ x 188 מ"מ, גודל מטריצה של 256 x 256 x 188, גורם GRAPPA (ARC) של 2 בכיוון קידוד הפאזה, וכיוון סגיטל-אלכסוני ליישור משוער עם AC-PC.
      הערה: זמן הסריקה הכולל הוא 5 דקות ו-21 שניות.
    2. עבור הדמיה משוקללת T2, השתמש בהד תלת-ממדי עם סיבוב מהיר (FSE) עם הפרמטרים הבאים: TR = 3000 אלפיות השנייה, TE = 60-90 אלפיות השנייה, אורך רכבת הד של 130, שדה הראייה בגודל 256 מ"מ x 225 מ"מ x 188 מ"מ, גודל מטריצה של 256 x 256 x 188, וכיוון סגיטל-אלכסוני הדומה ליישור עם ציר AC-PC. פקטור גראפה (קשת) של שניים נוצל בקידוד הפאזה ובכיוון הפרוסה.
      הערה: זמן הסריקה הכולל הוא 3 דקות ו-58 שניות.
    3. לתמונות ZTE, השתמש בסריקת ZTE תלת-ממדית איזוטרופית עם ההגדרות הבאות: TR = 698 אלפיות השנייה, TE = 16 μs, זווית היפוך של מעלה אחת, רוחב פס מקלט של 62.5 kHz, מספר ממוצעים = 3.5, שדה ראייה בגודל 256 מ"מ x 256 מ"מ x 256 מ"מ, גודל מטריצה של 256 x 256 x 256.
      הערה: זמן הסריקה הכולל הוא 5 דקות ו-23 שניות.
      הערה: יש להשלים תמונות MR לפני שניתן יהיה להתחיל בתכנון TUS.

2. עיבוד מראש של תמונות המשתתפים

  1. המר T1-w , T2-w ו- ZTE סריקת DICOM מתבנית DICOM לתבנית Nifti באמצעות הכלי dcm2niix. בחלון מסוף, הפעל: dcm2niix <נתיב לקובצי סריקת DICOM>.
    הערה: הכלי dcm2niix זמין ב- GitHub (ראה טבלת חומרים). הכלי BabelBrain רושם במשותף את התמונות של המשתתפים כדי להתאים לתמונות שנאספו בימים נפרדים. אם תמונות T1-w אינן איזוטרופיות, הן נדגמות מחדש לווקסלים איזוטרופיים בקוטר 1 מ"מ; עם זאת, תמונות CT/ZTE אינן כאלה. במקום זאת, המסכות עבור הסימולציה נדגמות מחדש לרזולוציה הסופית במונחים של PPW. אין צורך בשלבי רישום משותף או יישור נוספים.
  2. בצע רישום משותף וחילוץ מסכת רקמות באמצעות כלי הצ'ארם של SimNIBS. בחלון טרמינל, הפעל: charm , כאשר הוא מחרוזת לזיהוי. בשלב זה, ניתן להשהות את תכנון הניסוי ולהמשיך במועד אחר.
    הערה: הקבצים שנוצרו יישמרו בספריית משנה m2m , שתשמש בשלבי התכנון הבאים. עיבוד מראש של תמונות עם כלי הצ'ארם נחוץ למטרות פילוח רקמות, מכיוון שהדבר נדרש לשימוש בכלי BabelBrain36.

3. תכנון מסלול

  1. פתח את Brainsight, לחץ על פרויקט ריק חדש וטען את תמונת T1-w Nifti של המשתתף, שהופקה בשלב 2.1.
    הערה: אם אתה משתמש בגרסת Brainsight לפני v2.5.3, ניתן לבחור "פרויקט ריק חדש" או "פרויקט SimNIBS חדש". אם משתמשים ב- Brainsight v2.5.3 ואילך, יש אינטגרציה בין Brainsight ו- BabelBrain ומומלץ מאוד ללחוץ על "פרויקט SimNIBS חדש"; עם זאת, שניהם עדיין מספיקים כדי להשלים את שלבי התכנון. "פרויקט ריק חדש" דורש טעינת תמונת T1-w, ואילו "פרויקט SimNIBS חדש" דורש טעינת קובץ .msh שטוען ישירות את תמונת T1-w. כל שאר הפונקציות והצעדים נשארים זהים.
  2. לחץ על שכבות-על ולאחר מכן על קביעת תצורה של שכבות-על כדי ליצור ולהציג שכבת-על. לחץ על הוסף כדי לבחור את הקובץ לשכבת-על.
    הערה: אם לא ניתן להציג את היעד באופן חזותי בתמונת T1-w, תחילה יש להתאים אותו לשפות אחרות בתמונת T2-w רשומה במשותף (כך שהקואורדינטות T1-w ו- T2-w זהות). לאחר מכן, העבר את הקואורדינטות לתמונת T1-w לשלבי התכנון הבאים. כלי הצ'ארם בשלב 2.2 מפיק תמונת T2-w ברישום משותף בנתיב הקובץ m2m /T2_reg.nii.gz.
  3. סגור את המקטע שכבות-על, לחץ על הכרטיסייה יעדים , ואחריו הגדר יעדים. לחץ על כפתור המידע הכחול כדי לשנות את האטימות, הצבע והסף של שכבת העל כדי לאפשר השוואה של התמונות.
    הערה: ניתן לבצע זאת כדי להמחיש תמונות Nifti רשומות במשותף ויש להשתמש בהן כדי לבחון כיצד הסימולציות האקוסטיות יכסו את המטרה.
  4. לחץ על הכרטיסייה שחזורים ולאחר מכן על התפריט הנפתח שחזור חדש... לחץ על Skin, ואחריו Compute Skin בחלון החדש. לאחר שתסיים, לחץ על כפתור הסגירה בפינה השמאלית העליונה של החלון.
  5. בכרטיסייה "שחזורים", לחץ על התפריט הנפתח שחזור חדש... ואחריו מוח מלא Curvilinear.
    1. התאימו כל קופסה בתמונות הקשת (איור 1A), העטרה (איור 1B) והרוחב (איור 1C) על-ידי גרירת הקצוות של הקופסה הירוקה, כך שהקווים מקיפים את המוח בחוזקה (איור 1).
    2. גללו בין כל הפרוסות כדי לוודא שאין קצוות של הרקמה חופפים. לחצו על Compute Curvilinear וכווננו את עומק הקליפה ל-4 מ"מ (איור 1D).
      הערה: עקמומיות המוח המלאה מספקת שחזור תלת-ממדי של קליפת המוח, אשר ניתן לקלף כדי לצפות בעומקים שונים. הוא מאפשר מיקום מדויק ועקבי של סליל TMS מעל המוח כדי למקם את האזור המעניין.
  6. לחץ על הכרטיסייה ציוני דרך על Brainsight, ואחריו להגדיר ציוני דרך.
    1. הניחו את הכוונת (הסמן) על קצה האף, ובשדה "שם:" תייגו את ציון הדרך "אף" (איור 2A). הניחו את הכוונת בין העיניים מעל גשר האף ותייגו את ציון הדרך "Nasion" (איור 2A).
    2. הניחו את הכוונת על האוזן השמאלית ותייגו את ציון הדרך "L Ear" (איור 2B). הניחו את הכוונת על האוזן הימנית ותייגו את ציון הדרך "R Ear" (איור 2C).
  7. לחץ על הכרטיסייה יעדים והשתמש בכוונת (הסמן) כדי למקם את היעד המעניין.
    1. מקם את הכוונת (הסמן) במיקום המטרה הרצויה והשתמש במתגי הזווית בצד ימין של המסך כדי לקבוע את זווית המסלול.
    2. לאחר בחירת היעד והמסלול הרצויים, לחץ על התפריט הנפתח חדש ובחר מסלול. תן שם ליעד על ידי הקלדה בתיבת הטקסט לצד "שם:".
    3. ייצא את היעד על ידי לחיצה על יצוא... ושמור אותו בתיקיית הנושא המתאימה. לאחר שמירת הקובץ, התכנון יכול להשהות והניסוי יכול להיות מופעל מחדש מאוחר יותר.
      הערה: המטרה תשמש בשלבים הבאים להשלמת סימולציות תרמיות ואקוסטיות.

figure-protocol-1
איור 1: יצירת עקמומיות מוחית מלאה בראייה מוחית. (A) תיבה מותאמת לקצה תמונת ה-MR הסגיטלית. (B) תיבה מותאמת לקצה תמונת MR העטרה. (C) תיבה מותאמת לקצה תמונת MR רוחבית. (D) שחזור עקמומי מוח מלא עם עומק קילוף של 4 מ"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-2
איור 2: ציוני דרך שהונחו על שחזור העור ותמונת MR. (A) מיקום ציוני דרך באף ובאף. (B) מיקום ציון דרך באוזן שמאל. (C) מיקום ציון דרך באוזן ימין. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

4. סימולציות עם BabelBrain

הערה: פרטים לסימולציה עם BabelBrain ניתן לעיין במדריך של BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html.

  1. פתח את BabelBrain ובחר את הקבצים הדרושים להדמיות אקוסטיות ותרמיות.
    הערה: שליחה זו משתמשת במתמר מערך בשלבים; עם זאת, מתמרים אחרים תואמים באופן מלא לתוכנת תכנון זו. תוכנית זו יכולה להשלים סימולציות עבור יחיד, CTX_500, H-317, H-246, ומתמרים. בשיטה הבאה, H-317 ישמש כמתמר שנבחר.
    1. בחר את קובץ txt שיוצא בעבר מ- Brainsight במהלך שלב 3.7.3 על ידי לחיצה על בחר מסלול... ובחירת קובץ המשתתף המתאים. לחץ על בחר SimNIBS... כדי לבחור את קובץ SimNIBS (שם m2m_folder) שנוצר בשלב 2. לחץ על בחר T1W... ובחר את תמונת T1-w שהופקה בשלב 2.1 ששימשה בעבר למיפוי מטרות ומסלולים.
    2. בתפריט הנפתח לצד התווית "השתמש ב- CT?", בחר CT אמיתי אם אתה משתמש בסריקת CT, ZTE אם אתה משתמש בסריקת ZTE, או לא אם אתה משתמש במסיכה פשוטה שנוצרה על-ידי כלי הצ'ארם, אם רק תמונות T1 ו- T2-w זמינות. בעת שימוש בתמונת CT או ZTE, לחץ על התפריט הנפתח Correg.? ואחריו CT ל- MR. לחץ על בחר ובחר את התמונה המתאימה מקובץ המשתתפים המתאים.
    3. לחץ על "בחר פרופיל תרמי..." ובחר את קובץ הפרופיל התרמי המתאר את פרמטרי הסוניקציה של הניסוי במונחים של משך על, משך הפסקה ומחזור עבודה.
      הערה: ניתן לעיין בפרטים במדריך של BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html. דוגמאות לפרופילים זמינות בכתובת https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain/tree/main/Profiles.
    4. לחץ על התפריט הנפתח לצד "מתמר" ובחר את המתמר המשמש לניסויים. לחץ על התפריט הנפתח לצד "Computing backend" ובחר את הקצה האחורי של המחשב המריץ את הסימולציות. לאחר הזנת כל המידע, לחץ על המשך כדי להשלים את שאר הסימולציות.
  2. שלב משנה א': חישוב מסיכה.
    1. בחר את תדר האולטרסאונד של המתמר ואת הנקודה המתאימה לכל אורך גל (PPW).
      הערה: 6 PPW מספיקים לרוב התרחישים.
    2. השאר את טווח ZTE המנורמל ואת יחידות Hounsfield (HU) כפי שהם.
      הערה: אם משתמשים ב- CT אמיתי, יופיע רק סף HU. אם לא סופקה סריקת ZTE או CT, ערך זה ייעדר.
    3. לחץ על חישוב מסיכת תכנון. בדוק את התמונה, בדוק כדי לוודא שהגבולות של העור, הגולגולת והמוח זוהו במדויק.
      הערה: אם קיימות אי התאמות כלשהן, התאם את טווח ZTE המנורמל ו/או סף HU.
  3. שלב משנה ב': סימולציה אקוסטית. לחץ על שלב 2 - Ac SIM הכרטיסייה כדי לפתוח.
    הערה: כרטיסיה זו תיראה שונה בהתאם למתמר שנבחר. מה להלן הוא ספציפי למתמר H-317.
    1. התאם את המרחק מהחרוט למיקוד כדי לשקף את המרחק מפני השטח של החרוט למטרה על-ידי הקלדה במרחק המתאים.
      הערה: זה מוכתב על ידי החרוט הפיזי לשימוש בניסויים.
    2. בצע את הסימולציה על ידי לחיצה על כפתור חישוב שדות .
    3. כוונן את ערך ההיגוי Z (מ"מ) כך שהכוונת (המציינת את המטרה) תהיה במרכז נקודת המוקד (איור 3). לחץ על החצים למעלה או למטה או הזן ידנית את הערך הנדרש ולאחר מכן לחץ על חשב שדות.
      הערה: ערכים חיוביים יכוונו את נקודת המוקד עמוק יותר לתוך המוח, בעוד ערכים שליליים יגרמו לנקודת המוקד לנוע באופן שטחי.
    4. כוונן את X/Y מכני אם נקודת המוקד היא רוחבית למטרה המיועדת. השאר Z מכני כפי שהוא. לחץ על חשב שדות.
      הערה: מכניקת Z מחושבת מחדש כפונקציה של המרחק מהחרוט ב- 4.3.1. אם נדרש לכוונן את היגוי Z, X/Y מכני או עומק מקסימלי מעבר למטרה לאחר השלמת חישוב, יש לחשב מחדש את קבצי הסימולציה האקוסטית. לחץ על חשב שדות ובחר כן כדי לחשב מחדש. בחר לא כדי לטעון מחדש את הקבצים הקיימים.
  4. תת-שלב ג': סימולציה תרמית. לחץ על שלב 3 - סים תרמי הכרטיסייה ולאחר מכן לחץ על חישוב שדות תרמיים. להעריך את הסימולציות המכניות והתרמיות (איור 4) כדי לוודא שהן עומדות בהנחיות האקוסטיות בבני אדם כפי שהומלץ על-ידי ITRUSST31 (אינדקס מכני (MI) ברקמות רכות ≤1.9; עלייה תרמית ≤2°C, מינון תרמי ≤0.25 CEM43, זמן חשיפה מוגבל ל-80 דקות עבור 1.5 < אינדקס תרמי גולגולתי (TIC) ≤ 2.0, 40 דקות עבור 2.0 < TIC ≤ 2.5, 10 דקות עבור 2.5 < TIC ≤ 3.0, 160 שניות עבור 3.0 < TIC ≤ 4.0, 40 שניות עבור 4.0 < TIC ≤ 5.0, ו 10 שניות עבור 5.0 < TIC ≤ 6.0).
    הערה: BabelBrain פותר את משוואת העברת החום הביולוגי כדי להעריך את עליית הטמפרטורה36. במקרים נדירים, ווקסלים חריגים בטמפרטורה גבוהה עשויים להתרחש, ובמקרה זה יש לנתח תמונות MR אם תכונות אנטומיות כלשהן יכולות להסביר את עליית הטמפרטורה יוצאת הדופן.
    1. התאם אתI sppa על ידי לחיצה על החצים למעלה או למטה לצד התיבה Isppa (W/cm2) או הזנה ידנית של ערך מעל 0.1 כדי לבחון כיצד הפרמטרים משתנים בעוצמות שונות.
      הערה: ניתן לייצא סיכום של כל העוצמות, שינויי הטמפרטורה והמדדים המכניים כקובץ CSV לעיון. התוכנה מחשבת את העוצמה הנדרשת בתנאי מים (Isppa במים) שיש ליישם כדי להשיג את העוצמה הרצויה באתרה.
    2. לחץ על כפתורי MTB, MTS ו - MTC באזור התחתון של הממשק כדי להציג את הפרוסה עם הטמפרטורה הגבוהה ביותר במוח, בעור ובגולגולת. לאחר סיום שלב הסימולציה התרמית, הסימולציות הושלמו.
      הערה: הקבצים יישמרו באופן אוטומטי באותו מיקום כמו תמונת T1-w.
      הערה: קבצים אקוסטיים עם סיום <... ניתן לטעון FullElasticSolution_Sub_NORM.nii.gz> ב- Brainsight כדי להמחיש את כיסוי השדה האקוסטי בחלל T1. יהיו קבצים עבור תנאי מים בלבד (עם הקידומת "מים" בשם הקובץ) וקבצים עבור תנאים הנוכחיים רקמות (אין קידומת בשם הקובץ). בצע את השלבים בהערה שלאחר שלב 3.1 כדי להוסיף שכבת-על. לאחר שלב הסימולציה התרמית, הסימולציות הושלמו, וניתן להשהות את הניסוי עד להפעלת המסירה של TUS.

figure-protocol-3
איור 3: הדמיה אקוסטית באמצעות BabelBrain. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-4
איור 4: סימולציה תרמית באמצעות BabelBrain. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

5. מפגש משלוח TUS

  1. פתח את Brainsight ולחץ על Open Existing Project. בחר בקובץ Brainsight שנוצר ונשמר במהלך מיפוי מסלול ויעד.
  2. לחץ על הפעלות כדי להתחיל סשן התנסות חדש. לחץ על התפריט הנפתח ובחר חדש, ואחריו הפעלה מקוונת. לחץ על שם היעד ואחריו הוסף, והבא כדי להוסיף את היעד לסשן הניסוי והמשך לחלון הניסוי.
    הערה: אם מסירת TUS מתבצעת באמצעות מחשב שונה מזה ששימש לתכנון, Brainsight תדרוש לבחור את תמונת T1-w המתאימה. במקרה זה, ייפתח חלון חדש ויבקש ממך לבחור את תמונת המשתתף המשויכת T1-w מקובץ המשתתף שלו.
  3. לחץ על חלון, וכיול כלים, ובחר את הכלים לשימוש, ולאחר מכן כיול מחדש.
    הערה: יש להשלים שלב זה עבור המתמר וכל הכלים האחרים המשמשים במהלך הפעלת הניסוי, כגון סליל TMS.
    1. אבטח את גשש הסליל הגדול ואת בלוק הכיול למתמר. ודא שהמצלמה יכולה לראות את הפידוקים בשני הכלים. לחץ על התחל ספירה לאחור של כיול כדי לכייל מחדש.
      הערה: שמירת הכיול תבטיח שהוא יישאר זהה באותו יום ניסויים. אם פעולה זו אינה מבוצעת והמחשב נכבה, הציוד ידרוש כיול מחדש.
  4. הגדר את המתמר בהתאם לנוהלי ההגדרה שלו לניסויים. הסר את רכיב המעקב על המתמר לפני הגדרתו כדי שלא יינזק.
    הערה: ההגדרה המתוארת היא עבור מתמר H-317 עם חרוט צימוד מותאם אישית.
    1. הרכיבו את החרוט לפי הצורך, והניחו את סרט המתמר בין החרוט למכסה הקצה. חברו את חרוט הצימוד לאוגן שעל המתמר באמצעות ברגים, מכונות כביסה ואומים, וודאו שכולם הדוקים כדי שלא יהיו דליפות.
    2. מלאו את המתמר במים שעברו דה-יוניזציה וחברו את הצינורות מהמשאבה למתמר, תוך חיבור הצינור המסומן "IN" ל-"OUT" וה-"OUT" ל-"IN". סתום את חור המים תוך כדי לחיצה על "ניקוז" במשאבה כדי להקל על הלחץ.
    3. הפוך את המתמר כדי לבודד את בועות האוויר על הסרט, ואז סובב כלפי מעלה, ואפשר להן לצאת דרך צינור המתמר שכותרתו "OUT". חזור על פעולה זו עד להסרת כל בועות האוויר הגלויות. הגדר את המתמר כך שצינור ה- "OUT" שלו יהיה בזווית קדימה ובנקודה הגבוהה ביותר, והשאר עם המשאבה פועלת למשך 30 דקות.
    4. הפוך את המתמר כדי לוודא שכל בועות האוויר הוסרו. אם חלקם נשארים, בודדו את בועות האוויר על סרט הצילום, וסובבו את המתמר כמו קודם כדי לוודא שהן יוצאות דרך צינור ה-"OUT". חזור על הפעולה עד שכל הבועות יוסרו.
    5. כבו את המשאבה, נתקו את הצינורות ונעלו את המתמר בניוטרל. חבר מחדש את רכיב המעקב למתמר והמשך בהגדרת המשתתף.
  5. חברו את עוקב הנושא לראשו של המשתתף באמצעות משקפיים, סרט ראש הממוקם מעל האוזניים והגבות (איור 5), או מעקב הדבקה קל משקל. ודא שהפידוקיאלים מכוונים כך שיהיו גלויים למצלמה ולא ייחסמו או ייפגעו על ידי המתמר בעת תנועה לעבר או לאחר שהגיע למיקומו הסופי.
    1. מקם את המצלמה לפני המשתתף כדי שיוכל לראות את מעקב הנושא ואת המצביע.
      הערה: אם הם אינם גלויים, המחוון בפינה השמאלית התחתונה של המסך יהיה אדום. ניתן לאמת זאת גם על ידי כניסה לכרטיסייה "פולאריס" ב- Brainsight.
  6. לחץ על הכרטיסייה רישום ב- Brainsight. מקם את המצביע על כל ארבעת ציוני הדרך שנקבעו במהלך שלב 3.6, ייצב אותו בשתי ידיו, ולאחר מכן לחץ על דוגמה ועבור לציון הדרך הבא.
    הערה: חשוב שסרט הראש או המשקפיים יישארו צמודים לראשו של המשתתף ושעוקב הנושא לא יזוז. במקרה כזה, בצע שוב את הרישום. אם יש לסובב את המתמרים כדי להתאים לתנועת המתמרים לאחר השלמת הרישום, בצע שוב את הרישום.
  7. לחץ על הכרטיסייה אימות כדי לאמת את רישום המשתתף. הניחו קלות את המצביע על מיקומים שונים לאורך הקרקפת וודאו שכל הנקודות קטנות מ-3 מ"מ.
    הערה: מערכות ניווט עצבי מסחריות שנוצרו עבור TMS משמשות לניסויי TUS בבני אדם. שגיאת תרגום של 3 מ"מ מקובלת על כיול מתמרים ידני37, מכיוון שהיא עולה בקנה אחד עם דיוק המטרה38,39 ומערכות ניווט עצבי אחרות40. הערך של 3 מ"מ מוטמע בתוכנת הניווט העצבי Brainsight.
    1. אם נקודות כלשהן גדולות מ- 3 מ"מ, לחץ על כפתור הוסף כדי להוסיף נקודות ציון נוספות עד שלוש נקודות לכל היותר. אם נדרשות יותר משלוש נקודות כדי להשיג אימות עקבי מתחת ל-3 מ"מ, בצע שוב את הרישום.
      הערה: כדי לשפר את הצלחת ההרשמה, מומלץ לאסוף תמונות MR מבלי שהמשתתף ירכיב אוזניות מעל האוזן, מכיוון שהדבר עלול להשפיע על שחזור התמונה ולהקשות על ההרשמה. היזהר שהמצביע ממוקם קרוב ככל האפשר לציון הדרך לפני לחיצה על Sample & Go To Next Landmark, וודא שהמצביע מיוצב בשתי ידיים. האימות מספק ביטחון שהממוצע של כל הנקודות לאורך פני הקרקפת נמצא מתחת לסף. אין להמשיך עד שכל המיקומים האקראיים בקרקפת נמצאים מתחת לסף 3 מ"מ.
  8. אבטחו את ראשו של המשתתף באמצעות משענת סנטר ומייצב המונחים על גב הראש כדי למנוע תזוזה (איור 5). ודא שהם יושבים בנוחות בכיסא למשך הניסוי.
  9. לחץ על ביצוע. השתמש בזרוע המכנית כדי למקם את המתמר מעל יעד העניין לאורך המסלול שנבחר.
    הערה: הקפד לתרגל ולהכיר כיצד רכיבי הזרוע המכנית נעים כדי להגיע למטרה. הצלחה במיקום הזרוע המכנית מגיעה דרך הבנת הניידות של הזרוע והיכרות עם האופן שבו היא נעה בכיוון הראש, שכן הדבר תלוי מאוד במיקום המטרה.
    1. השתמשו בכוונת שעל חלון עין השוורים כדי להשיג את המיקום והזווית הנכונים (איור 6). יישרו את שני המעגלים (תרגומיים וסיבוביים) כך שהם ימוקמו על הכוונת ויפנו לקריאת הדיוק לצורך אימות.
    2. חלק את שיער הנבדק לאורך חלקו הטבעי וסרק בג'ל האולטרסאונד כדי לוודא שאין כיסי אוויר בתוך השיער. אם שטח גדול דורש צימוד, יש למרוח ג'ל אולטרסאונד על סרט המתמר. מלא את כיסי האוויר הנותרים בג'ל אולטרסאונד נוסף באמצעות מזרק.
    3. הנמיכו את המתמר לגובה המתאים על-ידי התבוננות כאשר הכוונת נמצאת במרכז הקופסה המקיפה את המטרה (איור 6). זה יציין מתי הגיע עומק המטרה המתאים.
  10. סקריפט Python מותאם אישית משתמש בתוצאות מהדמיות בשלב 4 כדי לתכנת את יחידת 128 המגברים ולהפיק צליל באמצעות אוזניות (https://github.com/ProteusMRIgHIFU/TUSApp). אם אתם מבצעים ניסוי מקוון ו/או כפול סמיות, ודאו שהשמע במיסוך מושמע דרך אוזניות34,41 או הגבירו את הגירוי והיסט לאורך משך ההתפרצות 42,43,44 כשיטות להפחתת השפעות מבלבלות שמיעתיות פוטנציאליות.
    הערה: בשלב זה, אם אתה משתמש ביחידה זמינה מסחרית, כגון מתמר CTX-500, קבע את העוצמה שדימה בתנאי מים, יחד עם פרמטרים אחרים (PRF, משך, מחזור עבודה). מתמר H-317 משתמש בסקריפט ייעודי להפעלת המתמר; לכן, שלב זה מושמט מהגשה זו.
    1. צור את שמע המיסוך ב- MATLAB כדי להשמיע אותו עם תחילת אספקת TUS. צליל במהלך גירוי דמה משלב גל חטא רציף ב-250 קילוהרץ, גל מרובע בתדר פרץ של 100 הרץ שנדגם ב-48 קילוהרץ, עם רעש אקראי כדי לשכפל מקרוב את הצליל המופק מהמתמר. במהלך TUS, רק רעש אקראי מתנגן דרך האוזניות, מכיוון שהצליל הנפלט מהמתמר יישמע גם על ידי הנבדק.
  11. לאחר השלמת אספקת TUS, הסר את המתמר, הג'ל והגשש מראשו של המשתתף לפני כל הליכי הניסוי הבאים.
  12. כדי לנקות את ציוד TUS, הסר את הגשש מהמתמר כדי למנוע נזק. יש לפרק את המתמר על ידי הסרת התקע בחלק העליון והפיכתו הפוך כדי לנקז את המים. הסר את חרוט הצימוד ופרק אותו כדי לאפשר לחתיכות להתייבש באוויר.
    1. החזירו את המתמר לניטרלי וודאו שכל רכיבי הזרוע נעולים היטב ב-90° לאחסון עד לסשן הניסוי הבא של TUS.

figure-protocol-5
איור 5: פידוקיאלים שישמשו לניווט עצבי. משקפיים (משמאל) וסרט ראש (מימין) עם פידוקיאלים מחוברים למעקב אחר נושאים. ראשו של הנבדק מאובטח באמצעות משענת סנטר ומייצב מאחורי ראשו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-6
איור 6: מסך ניווט עצבי של Brainsight עבור לוקליזציה של מטרות במהלך הפעלת העברת TUS עבור מטרה ראשונית בקליפת המוח המוטורית (M1). אינדיקטורים סיבוביים ותרגומיים מנחים את הנסיין היכן למקם את המתמר מעל הקרקפת ומתי הושגה זווית המסלול. דיוק המטרה מציין עד כמה קרוב כיוון התרגום והסיבוב למטרה, ויש להשתמש בו כדי לכוונן את התנועה. מחוון העומק מראה את עומק נקודת המוקד ויש להשתמש בו כדי להוריד את המתמר לגובה המתאים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

תוצאות

איור 7 מדגים דגימות מפגש השוואתי מאחד המחקרים שלנו42, שכללו שני משתתפים שונים המשתמשים בפרמטרים ספציפיים של אולטרסאונד (תדר בסיסי של 250 קילוהרץ, משך סוניקציה של 120 שניות, תדר חזרה על פולס (PRF) של 100 הרץ, מחזור עבודה של 10% ו- I SPPA של 5 ואט לסמ"ר). במחקר זה, סריקות MRI T1-, T2-w ו- ZTE ברזולוציה איזוטרופית של 1 מ"מ התקבלו מנבדקים בריאים מבחינה נוירולוגית. TMS התמקד בקליפת המוח המוטורית העיקרית (M1) כדי להעריך את ההשפעה של PRFs TUS שונים (10 הרץ, 100 הרץ ו-1000 הרץ) על עוררות קורטיקוספינלית בנקודות זמן נפרדות לפני ואחרי TUS (30 מדידות TMS בפעימה אחת בכל נקודת זמן, כפי שמצוין על ידי הנקודות הבודדות באיור). איור 7 כולל תוצאות מניסוי מוצלח, המציג אפקט מעכב ממושך לאחר TUS (איור 7A), לצד נתונים ממשתתף שבו לא נצפתה השפעה משמעותית (איור 7B). מחקרי TUS קודמים דיווחו כי חלק מהמשתתפים אינם מראים השפעות משמעותיות הקשורות לגירוי אולטרסאונד45,46. תוצאות דומות נצפו במחקרים שהשתמשו ב-TMS 47,48 וב-tDCS 49,50, והראו כי טכניקות NIBS לא תמיד גורמות להשפעות צפויות. זה מדגיש את הצורך לתכנן בזהירות וליישם ניסויי TUS בבני אדם באמצעות פרוטוקולים כמו זה שתואר כדי למקסם את הסיכוי להשיג הצלחה ניסיונית.

המחקר של Zadeh et al.42 מדגיש את ההשפעות הדיפרנציאליות של TUS, ומראה כי PRF של 10 הרץ ו- 100 הרץ יכול לגרום להשפעות מעכבות ממושכות, בניגוד להשפעה הזניחה שנצפתה עם PRF של 1000 הרץ. חשוב לציין, המחקר מדגים כי PRF של 100 הרץ הוא היעיל ביותר, ומשיג דיכוי ממושך של חברי פרלמנט אירופיים העולים על 60 דקות, בניגוד לדיכוי של 30 דקות שהושג עם PRF של 10 הרץ. ניתן להשתמש בשיטות חלופיות להערכת ההשפעה של TUS, כגון מדידת SSEPs או ביצועי משימה, שכל אחת מהן דורשת פרשנות ייחודית של התוצאות.

figure-results-1
איור 7: גירוי מגנטי תוך גולגולתי (TMS) המכוון לקליפת המוח המוטורית העיקרית (M1) כדי להעריך את ההשפעה של תדרי חזרה שונים של דופק TUS (PRF) על עוררות קורטיקוספינלית. TUS סופק בתדר בסיסי של 250 קילוהרץ, משך סוניקציה של 120 שניות, תדר חזרת פולס (PRF) של 100 הרץ, מחזור עבודה של 10%, ו- I SPPA של 5 ואט/ס"מ2. שלושים ניסויים בכל נקודת זמן נרשמו, כפי שמצוין על ידי נקודות בודדות. התוצאות שהוצגו מדגישות את ההבדלים באמפליטודת MEP המנורמלת החציונית במשך 5 דקות, 30 דקות ו-60 דקות לאחר חשיפה ל-TUS. קווי שגיאה מציגים את הטווח הבין-רבעוני עבור גירסאות ניסיון בכל נקודת זמן. (A) נבדק שהראה תוצאות ניסוי מוצלחות המדגימות השפעות מעכבות ממושכות. (ב) נושא שאינו מראה השפעה משמעותית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

דיון

בשיטה זו, סימולציות ספציפיות לנושא מבוצעות כדי לחזות ולהעריך השפעות תרמיות ומכניות אפשריות הנובעות מיישום TUS במוח. מערכי הנתונים בין המשתתפים חייבים להישאר נפרדים ומתועדים בקפידה, שכן שימוש בסריקה או קובץ נתונים שגויים יוביל לסימולציות לא מדויקות. כאשר נאספות סריקות רבות של משתתפים, והתכנון מתבצע יחד, חשוב להקפיד על תיוג נכון של תמונות ותיקיות ולנהוג בזהירות בעת מיון ושמירת קבצים.

כדי לבצע סימולציות מדויקות, יש למדל נכון את הגולגולת כדי לקבל הבנה ספציפית לנושא של תכונות אקוסטיות וגיאומטריות. BabelBrain, אם כן, דורש השלמת סריקת CT או ZTE; אם אף אחד מהם אינו זמין, BabelBrain יכול להשתמש במסכה פשוטה של עצם הגולגולת המתקבלת באמצעות כלי הקסם. סריקות CT מספקות את המידע המדויק ביותר על מאפייני הגולגולת כדי לחזות כיצד האולטרסאונד יתפשט במוח ברגע שהוא בא במגע עם הגולגולת. זה מושג על ידי שימוש במידע ווקסליזציה של עצם הגולגולת, אם כי עדיין קשה לחזות את הערכת נפח העצם בשל אופיו ההטרוגני51. עם זאת, לאחרונה, רצפי TE MRI קצרים במיוחד, כגון סריקת ZTE, שימשו כדי לקבוע את התכונות האקוסטיות של הגולגולת ולבצע סימולציות TUS. רזולוציית פיקסל העצם והניגודיות אינן גבוהות בתמונת ZTE כפי שהן ב- CT; עם זאת, בהשוואה למסכות פשוטות שמקורן ב-MRI T1-w ו-T2-w בלבד, תמונות ZTE עדיין מספקות הערכה משופרת של חימום עם סימולציות TUS52 בעלות תחזיות דומות לאלה שנעשו בסריקות CT53. שימוש בסריקות ZTE בסימולציות מבטל כל חשיפה מיותרת לקרינה וזמן נוסף הנדרש לקבלת תמונות CT רנטגן, שכן ניתן להוסיף רצפי ZTE לסשן סריקת ה- MRI המקורי. עם זאת, פרוטוקולי ZTE אינם מוצר סטנדרטי ברוב סורקי ה- MRI, ונדרש מחקר נוסף כדי לשפר עיבוד לאחר מבוסס ZTE לשימוש במידול TUS. אם תמונות CT ו-ZTE אינן זמינות, כלי הצ'ארם שבו נעשה שימוש עם BabelBrain יוצר מסיכה פשוטה מתמונות T1 ו-T2-w כדי לחזות את מאפייני הגולגולת. השוואה של סימולציות שבוצעו עם CT לעומת מסיכה פשוטה ראתה הבדלים מזעריים בהיגוי (1.00 מ"מ ± 1.3 מ"מ) ובמיקום מחדש מכני (כיוון x 0.2 מ"מ ± 0.4 מ"מ; כיוון Y 0.1 מ"מ ± 0.5 מ"מ) הנדרשים כדי להגיע למטרה, אולם התפלגות עוצמה מעט שונה (אורך מיקוד 6% ± 8%; רוחב מיקוד 2.7% ± 2%; נפח מיקוד 10.4% ± 16%; לחץ שיא -0.5% ± 15% עבור מסיכה פשוטה ביחס ל-CT)36. זה מגלה כי CT מספק סימולציות מדויקות יותר; עם זאת, אם לא ניתן להשתמש בסריקת CT או ZTE, המסכה הפשוטה מספיקה כדי להשלים סימולציות לניסויי TUS בבני אדם.

שיטות מיפוי של תכונות אקוסטיות נותרו תחום מחקר הכרחי, שכן חיזוי מהירות הקול והנחתה מתמונות CT ו- MR עדיין דורש הבנה טובה יותר וזרימת עבודה יעילה. לכן, נותרה אזהרה של סטייה פוטנציאלית בהשפעות תרמיות או מכניות ממה שנחזה בסימולציה. מידול של אפקטים אקוסטיים ב- BabelBrain מושג באמצעות ספריית קוד פתוח BabelViscoFDTD54,55, המאפשרת מידול של העברת גלי דחיסה ליניארית וגזירה. מודל זה אומת מול מספר דגמים אחרים מבחינת מיקום, גודל וגודל המיקוד, עם פחות מ-10% בלחץ מוקד ופחות מ-1 מ"מ במיקום מוקד56. סימולציות אקוסטיות עולות אפוא בקנה אחד עם מודלים אחרים של סימולציה. חיזוי תרמי קשה יותר ולא אומת בניסוי מכיוון שלא ניתן לבצע תרמומטריה MR בגולגולת, ושינויי הטמפרטורה צפויים להיות קטנים מאוד, מה שיוצר מקור לאי ודאות. המידול התרמי המשמש ב- BabelBrain עקבי בין מאמרים, ופותר את משוואת העברת החום הביולוגי (BHTE) כדי לדמות את חימום הגולגולת באמצעות מידול דיפוזיה תרמית, השפעות של זילוח והספק אקוסטי36,51. אומדנים של עלייה תרמית ממודלים של הנחתה וספיגה משמשים לחיזוי ההשפעות בגולגולת עם TUS בהתבסס על ספרות אחרת שפורסמה57, המשמשת כחלופה הטובה ביותר עד כה להדמיית חימום גולגולת. כפי שניתן לראות בשיטות המתוארות, המשתמש מציין את משך האולטרסאונד, פסק הזמן לאחר האולטרסאונד, מחזור העבודה והעוצמה המרחבית-שיא הרצויה של הדופק הממוצע בתנאי מוח, כאשר פרמטרי הבטיחות מחושבים כפונקציה של בחירת פרמטרים. המשתמש חייב, אם כן, לבדוק את כל הפרמטרים שיש להשתמש בהם כדי לוודא שהם עומדים בדרישות הבטיחות. מערכות נוירו-ניווט שונות המשמשות למיקום המתמר מעל אזור העניין נראו גם עם שגיאת רישום מטרה של כ-3 מ"מ 38,58,59. עם זאת, בהתאם לתדירות השימוש ולגודל המטרה, נקודת המוקד עדיין עשויה להיות גדולה מספיק כדי לכסות את המטרה, אפילו עם 3 מ"מ שגיאה. למרות שזו עשויה להיות מגבלה, היא עדיין מציעה יתרון גדול יותר על פני מערכות ניווט חלופיות בשל הפולשנות של שיטות לוקליזציה סטריאוטקטיות.

BabelBrain מייעלת את שלבי התכנון הנדרשים להשלמת ניסויי TUS בבני אדם מכיוון שהיא יעילה, קלה לשימוש והיא כלי התכנון הנגיש היחיד בקוד פתוח עד כה. זה מאפשר שקיפות בשיטות ניסיוניות בספרות שפורסמה, שכן התסריטים המשמשים נגישים באופן גלוי. השיטה המתוארת משלימה את שלבי הכנת הנתונים ועיבוד התמונה, ומבטלת את הצורך בסקריפטים מותאמים אישית או בכל שיתוף פעולה חיצוני להפעלת סימולציות. לכן, זה מסיר מחסום מרכזי עבור נסיינים, מאפשר להם להשלים תכנון וסימולציות ישירות ומאפשר למעבדות נוספות להשלים ניסויי TUS מוצלחים. בנוסף לתכנון פרוספקטיבי של ניסויים, לשיטה זו יש גם יישומים פוטנציאליים בתכנון טיפול FUS בתיווך קוויטציה36, כגון פתיחת מחסום הדם-מוח59. בסך הכל, שיטה זו מספקת גישה יעילה ויעילה לתכנון ויישום ניסויי TUS בבני אדם ופיתוח TUS לשימוש בסביבות קליניות.

גילויים

למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר.

תודות

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי מענק גילוי של מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה, תוכנית INNOVAIT, קרן המחקר הרפואי קאמינג, קרן קנדה לחדשנות (פרויקט 36703), מענק CAPRI של מכון המוח הוצ'קיס וקרן אגודת פרקינסון של אלברטה. GBP מודה בתמיכה מהמכונים הקנדיים לחקר הבריאות (FDN-143290) ומתוכנית הקתדרה לחדשנות בקמפוס אלברטה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
יחידת מגבר 128 ערוציםמונחה תמונהיחידה זו מניעה את מתמר H-317
סליל ראש 24 ערוציםג'נרל אלקטריק
Raise3DPro2עובי נימה של 1.75 מ"מ.
סורק MRI 3Tג'נרל אלקטריקדיסקברי 750 HDMR גרסה DV26.0_R05_2008
BabelBrainSamuel Pichardo (אוניברסיטת קלגרי)גרסה 0.3.0נגישה ב-https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. מבצע סימולציות תרמיות ואקוסטיות.
בלנדרבלנדר יסודגרסה 3.4.1נגיש ב-https://www.blender.org. בלנדר נקרא אוטומטית על ידי BabelBrain.
BrainsightRogue Researchגרסה 2.5.2משמשת לזיהוי מטרות, תכנון מסלול וביצוע מפגשי מסירה של TUS.
כיסא ומחזיק סנטר/ראשמחקרלשימוש במהלך מפגש ההעברה של TUS כדי להבטיח יציבות של המשתתף' S לפילוח אופטימלי.
חרוט צימוד בהתאמה אישיתאוניברסיטת קלגרי צוותחרוט מודפס בתלת מימד באקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן (ABS), נדרש רק למתמר H-317.
dcm2niixכריס רורד (אוניברסיטת דרום קרוליינה) גרסה 1.0.20220720נגישה בכתובת https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. משמש לעיבוד מקדים של תמונות MR נושא.
נאמנים וסרט ראש או משקפייםBrainsight, Rogue Research ST-1325 (גשש נושא), LCT-583 (גשש סליל גדול)ניתן להשתמש בסרט או במשקפיים לסירוגין.
אוזניותBeatsFit Pro אוזניות אלחוטיות אמיתיותאוזניות Bluetooth אלחוטיות עם טיפים חד פעמיים.
MacBookProAppleM2 Max, 16 אינץ', 64GB RAMמחשב להשלמת תכנון מסלול וסימולציות
SimNIBSAxel Thielscher (האוניברסיטה הטכנית של דנמרק)גרסה 4.0.0נגיש ב-https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html
מזרקים10 מ"ל, 60 מ"למשמש להוספת ג'ל אולטרסאונד נוסף למילוי כיסי אוויר.
מתמרSonicconceptsH-317מתמרים נתמכים אחרים כוללים CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), אלמנט יחיד, H-246 (Sonicconcepts), ו-Bsonix (Brainsonix)
סרט מתמרSonicconceptsממברנת פוליאוריטןממשק בין מתמר לנבדק
ג'ל אולטרסאונדאורך גלשקוף אולטרסאונד ג'לצימוד מדיום.
מחשב נייד WindowsAcerAspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAMמערכת המשמשת לשליטה במגבר 128 ערוצים והפקת צליל דרך האוזניות
טיפול מדפסת תלת מימד של נוכלים של

מקורות

  1. Baek, H., Pahk, K. J., Kim, H. A review of low-intensity focused ultrasound for neuromodulation. Biomed Eng Lett. 7 (2), 135-142 (2017).
  2. Rezayat, E., Toostani, I. G. A review on brain stimulation using low intensity focused ultrasound. Basic Clin Neurosci. 7 (3), 187-194 (2016).
  3. Dell'Italia, J., Sanguinetti, J. L., Monti, M. M., Bystritsky, A., Reggente, N. Current state of potential mechanisms supporting low intensity focused ultrasound for neuromodulation. Front Hum Neurosci. 16, 872639(2022).
  4. Kim, H., et al. Suppression of EEG visual-evoked potentials in rats through neuromodulatory focused ultrasound. Neuroreport. 26 (4), 211-215 (2015).
  5. Yoon, K., et al. Effects of sonication parameters on transcranial focused ultrasound brain stimulation in an ovine model. PLoS One. 14 (10), e0224311(2019).
  6. Dallapiazza, R. F., et al. Non-invasive neuromodulation and thalamic mapping with low-intensity focused ultrasound. J Neurosurg. 128 (3), 875-884 (2018).
  7. Folloni, D., et al. Manipulation of subcortical and deep cortical activity in the primate brain using transcranial focused ultrasound stimulation. Neuron. 101 (6), 1109-1116 (2019).
  8. Gulick, D. W., Li, T., Kleim, J. A., Towe, B. C. Comparison of electrical and ultrasound neurostimulation in rat motor cortex. Ultrasound Med Biol. 43 (12), 2824-2833 (2017).
  9. King, R. L., Brown, J. R., Newsome, W. T., Pauly, K. B. Effective parameters for ultrasound-induced in vivo neurostimulation. Ultrasound Med Biol. 39 (2), 312-331 (2013).
  10. Yoo, S. S., et al. Focused ultrasound modulates region-specific brain activity. Neuroimage. 56 (3), 1267-1275 (2011).
  11. Kim, H. C., et al. Transcranial focused ultrasound modulates cortical and thalamic motor activity in awake sheep. Sci Rep. 11 (1), 19274(2021).
  12. Deffieux, T., et al. Low-intensity focused ultrasound modulates monkey visuomotor behavior. Curr Biol. 23 (23), 2430-2433 (2013).
  13. Munoz, F., et al. Long term study of motivational and cognitive effects of low-intensity focused ultrasound neuromodulation in the dorsal striatum of nonhuman primates. Brain Stimul. 15 (2), 360-372 (2022).
  14. Verhagen, L., et al. Offline impact of transcranial focused ultrasound on cortical activation in primates. ELife. 8, e40541(2019).
  15. Fomenko, A., et al. Systematic examination of low-intensity ultrasound parameters on human motor cortex excitability and behavior. ELife. 9, e54497(2020).
  16. Legon, W., Bansal, P., Tyshynsky, R., Ai, L., Mueller, J. K. Transcranial focused ultrasound neuromodulation of the human primary motor cortex. Sci Rep. 8 (1), 10007(2018).
  17. Legon, W., et al. Transcranial focused ultrasound modulates the activity of primary somatosensory cortex in humans. Nat Neurosci. 17 (2), 322-329 (2014).
  18. Legon, W., Ai, L., Bansal, P., Mueller, J. K. Neuromodulation with single-element transcranial focused ultrasound in human thalamus. Hum Brain Mapp. 39 (5), 1995-2006 (2018).
  19. Legon, W., et al. A retrospective qualitative report of symptoms and safety from transcranial focused ultrasound for neuromodulation in humans. Sci Rep. 10, 5573(2020).
  20. Forster, A., et al. Investigating the role of the right inferior frontal gyrus in control perception: A double-blind cross-over study using ultrasonic neuromodulation. Neuropsychologia. 187, 108589(2023).
  21. Forster, A., et al. Transcranial focused ultrasound modulates the emergence of learned helplessness via midline theta modification. J Affect Disord. 329, 273-284 (2023).
  22. Ziebell, P., et al. Inhibition of midfrontal theta with transcranial ultrasound explains greater approach versus withdrawal behavior in humans. Brain Stimul. 16 (5), 1278-1288 (2023).
  23. Kim, H. C., Lee, W., Weisholtz, D. S., Yoo, S. S. Transcranial focused ultrasound stimulation of cortical and thalamic somatosensory areas in human. PLoS One. 18 (7), e0288654(2023).
  24. Kim, Y. G., et al. Neuromodulation using transcranial focused ultrasound on the bilateral medial prefrontal cortex. J Clin Med. 11 (13), 3809(2022).
  25. Chu, Y. C., Lim, J., Chien, A., Chen, C. C., Wang, J. L. Activation of mechanosensitive ion channels by ultrasound. Ultrasound Med Biol. 48 (10), 1981-1994 (2022).
  26. Kubanek, J., et al. Ultrasound modulates ion channel currents. Sci Rep. 6 (1), 24170(2016).
  27. Prieto, M. L., Firouzi, K., Khuri-Yakub, B. T., Maduke, M. Activation of Piezo1 but not NaV1.2 channels by ultrasound at 43 MHz. Ultrasound Med Biol. 44 (6), 1217-1232 (2018).
  28. Quarato, C. M. I., et al. A review on biological effects of ultrasounds: Key messages for clinicians. Diagnostics. 13 (5), 855(2023).
  29. Nowicki, A. Safety of ultrasonic examinations; thermal and mechanical indices. Med Ultrason. 22 (2), 203(2020).
  30. Miller, D. L., et al. Overview of therapeutic ultrasound applications and safety considerations. J Ultrasound Med. 31 (4), 623-634 (2012).
  31. Aubry, J. F., et al. ITRUSST consensus on biophysical safety for transcranial ultrasonic stimulation. arXiv preprint arXiv. , 2311.05359(2023).
  32. Guo, H., et al. Ultrasound produces extensive brain activation via a cochlear pathway. Neuron. 98 (5), 1020-1030 (2018).
  33. Sato, T., Shapiro, M. G., Tsao, D. Y. Ultrasonic neuromodulation causes widespread cortical activation via an indirect auditory mechanism. Neuron. 98 (5), 1031-1041 (2018).
  34. Braun, V., Blackmore, J., Cleveland, R. O., Butler, C. R. Transcranial ultrasound stimulation in humans is associated with an auditory confound that can be effectively masked. Brain Stimul. 13 (6), 1527-1534 (2020).
  35. Martin, E., et al. ITRUSST consensus on standardised reporting for transcranial ultrasound stimulation. Brain Stimul. , S1935861X24000718(2024).
  36. Pichardo, S. BabelBrain: An open-source application for prospective modeling of transcranial focused ultrasound for neuromodulation applications. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 70 (7), 587-599 (2023).
  37. Khoshnevisan, A., Allahabadi, N. S. Neuronavigation: Principles, clinical applications and potential pitfalls. Iran J Psychiatry. 7 (2), 97-103 (2012).
  38. Xu, L., et al. Characterization of the targeting accuracy of a neuronavigation-guided transcranial fus system in vitro, in vivo, and in silico. IEEE Trans Biomed Eng. 70 (5), 1528-1538 (2023).
  39. Kuehn, B., et al. Sensor-based neuronavigation: Evaluation of a large continuous patient population. Clin Neurol Neurosurg. 110 (10), 1012-1019 (2008).
  40. Ambrosini, E., et al. StimTrack: An open-source software for manual transcranial magnetic stimulation coil positioning. J Neurosci Methods. 293, 97-104 (2018).
  41. Kop, B. R., et al. Auditory confounds can drive online effects of transcranial ultrasonic stimulation in humans. eLife. , (2024).
  42. Zadeh, A. K., et al. The effect of transcranial ultrasound pulse repetition frequency on sustained inhibition in the human primary motor cortex: A double-blind, sham-controlled study. Brain Stimul. 17 (2), 476-484 (2024).
  43. Mohammadjavadi, M., et al. Elimination of peripheral auditory pathway activation does not affect motor responses from ultrasound neuromodulation. Brain Stimul. 12 (4), 901-910 (2019).
  44. Johnstone, A., et al. A range of pulses commonly used for human transcranial ultrasound stimulation are clearly audible. Brain Stimul. 14 (5), 1353-1355 (2021).
  45. Zeng, K., et al. Induction of human motor cortex plasticity by theta burst transcranial ultrasound stimulation. Ann Neurol. 91 (2), 238-252 (2022).
  46. Lee, W., et al. Image-guided transcranial focused ultrasound stimulates human primary somatosensory cortex. Sci Rep. 5, 8743(2015).
  47. Ridding, M. C., Rothwell, J. C. Is there a future for therapeutic use of transcranial magnetic stimulation. Nat Rev Neurosci. 8 (7), 559-567 (2007).
  48. Nicolo, P., Ptak, R., Guggisberg, A. G. Variability of behavioural responses to transcranial magnetic stimulation: Origins and predictors. Neuropsychologia. 74, 137-144 (2015).
  49. Horvath, J. C., Carter, O., Forte, J. D. No significant effect of transcranial direct current stimulation (tDCS) found on simple motor reaction time comparing 15 different simulation protocols. Neuropsychologia. 91, 544-552 (2016).
  50. Horvath, J. C., Vogrin, S. J., Carter, O., Cook, M. J., Forte, J. D. Effects of a common transcranial direct current stimulation (tDCS) protocol on motor evoked potentials found to be highly variable within individuals over 9 testing sessions. Exp Brain Res. 234 (9), 2629-2642 (2016).
  51. Angla, C., Larrat, B., Gennisson, J., Chatillon, S. Transcranial ultrasound simulations: A review. Med Phys. 50 (2), 1051-1072 (2023).
  52. Miller, G. W., Eames, M., Snell, J., Aubry, J. Ultrashort echo-time MRI versus CT for skull aberration correction in MR-guided transcranial focused ultrasound: In vitro comparison on human calvaria. Med Phys. 42 (5), 2223-2233 (2015).
  53. Miscouridou, M., Pineda-Pardo, J. A., Stagg, C. J., Treeby, B. E., Stanziola, A. Classical and learned MR to pseudo-CT mappings for accurate transcranial ultrasound simulation. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 69 (10), 2896-2905 (2022).
  54. Pichardo, S., et al. A viscoelastic model for the prediction of transcranial ultrasound propagation: application for the estimation of shear acoustic properties in the human skull. Phys Med Biol. 62 (17), 6938-6962 (2017).
  55. Pichardo, S. ProteusMRIgHIFU/BABELVISCOFDTD: Software Library for FDTD of viscoelastic equation using a staggered grid arrangement with support for GPU and CPU backends. , (2024).
  56. Aubry, J. F., et al. Benchmark problems for transcranial ultrasound simulation: Intercomparison of compressional wave models. J Acoust Soc Am. 152 (2), 1003-1019 (2022).
  57. Pinton, G., et al. Attenuation, scattering, and absorption of ultrasound in the skull bone: Absorption of ultrasound in the skull bone. Med Phys. 39 (1), 299-307 (2011).
  58. Chaplin, V., et al. On the accuracy of optically tracked transducers for image-guided transcranial ultrasound. Int J Comput Assist Radiol Surg. 14 (8), 1317-1327 (2019).
  59. Wu, S. Y., et al. Efficient blood-brain barrier opening in primates with neuronavigation-guided ultrasound and real-time acoustic mapping. Sci Rep. 8 (1), 7978(2018).

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

צנרת לתכנון וביצוע ניסויי נוירומודולציה באולטרסאונד טרנס-גולגולתי בבני אדם
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.