La stimolazione ecografica transcranica (TUS) è una tecnica emergente di neuromodulazione non invasiva che richiede un'attenta pianificazione delle simulazioni acustiche e termiche. La metodologia descrive una pipeline di elaborazione delle immagini e simulazione ecografica per una pianificazione efficiente, facile da usare e semplificata per la sperimentazione TUS umana.
È richiesta un abbonamento a JoVE per visualizzare questo contenuto. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Articolo metodologico
Pipeline per la pianificazione e l'esecuzione di esperimenti di neuromodulazione ecografica transcranica nell'uomo
In questo articolo
Sommario
Abstract
La stimolazione ecografica transcranica (TUS) è una tecnica emergente di neuromodulazione non invasiva in grado di manipolare con elevata precisione sia le strutture corticali che quelle sottocorticali. La conduzione di esperimenti che coinvolgono l'uomo richiede un'attenta pianificazione delle simulazioni acustiche e termiche. Questa pianificazione è essenziale per regolare l'interferenza ossea con la forma e la traiettoria del fascio di ultrasuoni e per garantire che i parametri TUS soddisfino i requisiti di sicurezza. Vengono acquisite scansioni di risonanza magnetica (MRI) pesate in T1 e T2, insieme a risonanza magnetica (MRI) con eco a tempo zero (ZTE) con risoluzione isotropa di 1 mm, per la ricostruzione e le simulazioni del cranio. La mappatura del bersaglio e della traiettoria viene eseguita utilizzando una piattaforma di neuronavigazione. SimNIBS viene utilizzato per la segmentazione iniziale del cranio, della pelle e dei tessuti cerebrali. La simulazione della TUS viene proseguita con lo strumento BabelBrain, che utilizza la scansione ZTE per produrre immagini TC sintetiche del cranio da convertire in proprietà acustiche. Utilizziamo un trasduttore a ultrasuoni phased array con capacità di orientamento elettrico. Lo sterzo a Z viene regolato per garantire il raggiungimento della profondità desiderata. Nello strumento di pianificazione sono supportate anche altre configurazioni del trasduttore. Le simulazioni termiche vengono eseguite per garantire che i requisiti di temperatura e indice meccanico rientrino nelle linee guida acustiche per la TUS nei soggetti umani, come raccomandato dalla FDA. Durante le sessioni di consegna TUS, un braccio meccanico assiste nel movimento del trasduttore verso la posizione richiesta utilizzando un sistema di localizzazione stereotassica frameless.
Introduzione
Le tecniche di neurostimolazione non invasiva comunemente utilizzate includono la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) e la stimolazione magnetica transcranica (TMS). Tuttavia, entrambi hanno una profondità di penetrazione limitata e una bassa precisione 1,2. Al contrario, l'ecografia transcranica (TUS) è una tecnica emergente non invasiva in grado di aumentare o sopprimere l'attività neuronale 3,4,5 e di colpire le strutture corticali o sottocorticali con precisione millimetrica 6,7
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Protocollo
Tutti i metodi che prevedono l'uso di soggetti umani sono stati eseguiti in conformità con il Tri-Council Ethical Conduct for Research Involving Humans e il protocollo è stato approvato dal Conjoint Health Research Ethics Board (CHREB) dell'Università di Calgary. Tutti i soggetti hanno fornito il consenso informato scritto prima della partecipazione. I partecipanti umani dovevano essere adulti destrimani sani di età compresa tra i 18 e i 40 anni, disposti e in grado di completare una risonanza magnetica (MRI). I criteri di esclusione includevano anamnesi familiare di convulsioni, umore o disturbi cardiovascolari, traumi all'orecchio, dipendenza da alcol o droghe, uso ....
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Risultati
La Figura 7 illustra campioni di sessioni comparative di uno dei nostri studi42, con due partecipanti distinti che utilizzano parametri ultrasonici specifici (frequenza fondamentale di 250 kHz, durata della sonicazione di 120 s, frequenza di ripetizione dell'impulso (PRF) di 100 Hz, ciclo di lavoro del 10% eSPPA I di 5 W/cm²). In questa ricerca, le scansioni MRI T1-, T2-w e ZTE con risoluzione isotropa di 1 mm sono state ottenute da soggetti neurologicament.......
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Discussione
In questo metodo, vengono eseguite simulazioni specifiche per soggetto per prevedere e valutare i possibili effetti termici e meccanici derivanti dall'applicazione della TUS al cervello. I set di dati tra i partecipanti devono rimanere separati e accuratamente documentati, poiché l'utilizzo di una scansione o di un file di dati errati porterà a simulazioni imprecise. Quando vengono raccolte numerose scansioni dei partecipanti e la pianificazione viene eseguita insieme, è importante garantire un'etichettatura corretta di .......
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Dichiarazioni
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato in parte sostenuto da un Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant, dal programma INNOVAIT, dal Cumming Medical Research Fund, dalla Canada Foundation for Innovation (Project 36703), dall'Hotchkiss Brain Institute CAPRI Grant e dal Parkinson Association of Alberta Funding. GBP riconosce il sostegno degli Istituti canadesi per la ricerca sanitaria (FDN-143290) e del programma di cattedra Campus Alberta Innovates.
....Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Unità di amplificazione a 128 canali | Terapia | da immagini Questa unità pilota il trasduttore H-317 | |
| Bobina di testa a 24 canali | Stampante | ||
| Spessore | Raise3D | Pro2 | di 1,75 mm. |
| Scanner MRI 3T | General Electric | Discovery 750 HD | MR Console versione DV26.0_R05_2008 |
| BabelBrain | Samuel Pichardo (Università di Calgary) | Versione 0.3.0 | Accessibile all'indirizzo https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Esegue simulazioni termiche e acustiche. |
| Blender | Blender Foundation | versione 3.4.1 | accessibile all'indirizzo https://www.blender.org. Blender viene chiamato automaticamente da BabelBrain. |
| Brainsight | Rogue Research | Versione 2.5.2 | Utilizzato per l'identificazione del bersaglio, la pianificazione della traiettoria e l'esecuzione delle sessioni di consegna TUS. |
| Sedia e supporto per mento/testa | Rogue Research | Da utilizzare durante la sessione di consegna TUS per garantire la stabilità del partecipante per un puntamento ottimizzato. | |
| Cono di accoppiamento su misura Cono | dell'Università di Calgary | in acrilonitrile butadiene stirene (ABS), richiesto solo per il trasduttore H-317. | |
| dcm2niix | Chris Rorden (Università della Carolina del Sud) | Versione 1.0.20220720 | accessibile all'indirizzo https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Utilizzato per la pre-elaborazione delle immagini RM del soggetto. |
| Fiduciali e fascia o occhiali | Brainsight, Rogue Research | ST-1325 (inseguitore del soggetto), LCT-583 (inseguitore a bobina grande) | L'archetto o gli occhiali possono essere utilizzati in modo intercambiabile. |
| Cuffie | Beats | Fit Pro True Wireless Earbuds | Auricolari Bluetooth wireless con punte usa e getta. |
| MacBookPro | Apple | M2 Max, 16", 64 GB di RAM | Computer per completare la pianificazione della traiettoria e le simulazioni |
| SimNIBS | Axel Thielscher (Università Tecnica della Danimarca) | Versione 4.0.0 | Accessibile a https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html |
| siringa/siringa | e10 mL, 60 mL | Utilizzato per aggiungere ulteriore gel per ultrasuoni per riempire le sacche d'aria. | |
| Trasduttore | Sonicconcepts | H-317 | Altri trasduttori supportati includono CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Single element, H-246 (Sonicconcepts) e Bsonix (Brainsonix) |
| Pellicola del trasduttore | Sonicconcepts | Membrana poliuretanica | Interfaccia tra il trasduttore e il soggetto |
| Gel per ultrasuoni | Lunghezza d'onda | Gel per ultrasuoni trasparente | Mezzo di accoppiamento. |
| Computer portatile Windows | Acer | Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB di RAM | Sistema utilizzato per controllare l'amplificatore a 128 canali e generare il suono attraverso le cuffie |
Riferimenti
- Baek, H., Pahk, K. J., Kim, H. A review of low-intensity focused ultrasound for neuromodulation. Biomed Eng Lett. 7 (2), 135-142 (2017).
- Rezayat, E., Toostani, I. G. A review on brain stimulation using low intensity focused ultrasound. Basic Clin Neurosci.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Ristampe e permessi
