探索的臨床ヒト研究における経頭蓋超音波刺激の方法論的プロトコルと考察
December 12th, 2025
経頭蓋超音波刺激(TUS)は、人間の脳をあらゆる深さから刺激できる有望な非侵襲技術であり、さまざまな神経疾患の治療に新たな治療的可能性を提供します。このプロトコルは、神経発達に典型的な成人や脳卒中などの神経疾患患者にTUSを適用するための標準化されつつも適応可能な実証的枠組みを提供します。
当院の神経調節と脳卒中回復ラボは、運動回復を含む脳卒中後の回復を促進するために様々な神経調節ツールの活用に焦点を当てています。この特定のプロジェクトでは、低強度経頭蓋超音波刺激を用いて、新しい非侵襲的な脳刺激ツールを用いて、脳卒中患者の運動皮質の興奮性を調整し、運動学習を促進することを目的としています。まずは、脱気された脱イオン水で水タンクを準備し、ハイドロフォンへの損傷を防ぎます。
超音波トランスデューサーを水タンクの器具に固定し、ハイドロフォンを三軸の位置決めシステムに取り付けます。ハイドロフォンをオシロスコープに接続し、ニードルチップとケーブルを接続します。ハイドロフォンの電源は、完全に水に浸かった後に電源を入れてください。
関数発生器を使って超音波トランスデューサーを駆動します。次に、3軸位置決めシステムを用いてハイドロフォンの先端を超音波トランスデューサーのおおよその焦点領域に位置させます。各位置でオシロスコープの読み取り値を記録し、音圧分布を得て焦点領域に対応するハイドロフォンの位置を記録します。
異なる入力電圧を適用して焦点点での超音波トランスデューサーの伝送感度を評価します。経頭蓋超音波刺激機器を接続し、オシロスコープの記録を開始します。オシロスコープをつけて。
実行に設定し、垂直軸と水平軸の両方を興味のあるスケールに合わせて調整します。アンプのメイン電源スイッチをオンに切り替えます。アンプの出力をゼロにダイヤルしてください。
両方の関数ジェネレーターを望ましい波形に設定し、各パルス持続時間にラムピングを加えます。次に関数ジェネレーターの出力を押してください。調整ホイールを使ってアンプ出力を100%に調整し、ゲイン表示をモニターしてください。
アンプの電源ボタンを押して出力を開始します。オシロスコープで駆動信号の波形を確認し、出力を安定させるために駆動システムを15分間稼働させます。ドライブ信号波形の各パルス持続時間の開始と終了時にランプがないか確認してください。
アンプ出力をゼロにダイヤルしてください。トランスデューサーを完全に水に浸し、出口面を表面から約1インチ下に位置させて上向きにします。その後、アンプ出力を100%に戻し、ランプが成功するかどうかを観察します。
次に、ニューロナビゲーションツールトラッカーをトランスデューサーホルダーに取り付けます。ソフトウェア内でウィンドウとツールのキャリブレーションに移動します。「新しいキャリブレーション」をクリックします。
名前を入力し、正しいツールトラッカーを選択します。トランスデューサーをトラッカーでキャリブレーションブロックに当て、基準インジケーターピンがトランスデューサーの出口平面の中心に接触し、垂直になるようにします。キャリブレーションカウントダウン開始をクリックしてください。
5秒間そのまま保持し、必要なら繰り返して成功が現れるまで繰り返します。その後、「キャリブレーション編集」と「ツールキャリブレーション」の両方のウィンドウを閉じます。参加者が経頭蓋超音波刺激の準備ができたら、アンプの電源ボタンを押して出力をオフにします。
オシロスコープをアンプから切り離し、トランスデューサをアンプ出力に接続します。シミュレーションベースのターゲットを使用する場合、ターゲットをニューロナビゲーションソフトウェアに読み込みます。セッションタブで新しいドロップダウンを開き、「オンラインセッション」を選択してください。
TargetsタブでTrajectory-x-modターゲットをクリックし、Addを押してセッションに追加してください。「実行」ウィンドウでブルズアイツール中心またはブルズアイターゲット中心ビューを表示してください。ドライバーを正しいTUSトランスデューサーに設定し、左上のサンプル対象リストで正しいターゲットを選択します。
参加者の髪を櫛で整え、TUSトランスデューサー部位の頭皮を露出させ、前後の分け線を作ります。ガスで塗った超音波ジェルを塗布します。各辺に約1.5センチの間隔に1本から3本の分断線を作り、同じ工程を繰り返します。
最後に、最初の別れ線に戻り、このプロセスを4回繰り返します。次に、TUSトランスデューサーを参加者の頭に装着し、ブルズアイビューでターゲットに合わせます。トランスデューサーを調整し、距離、傾き、回転の偏差を動作範囲内に最小限に抑えてください。
安全監視が必要な場合は、頭皮近くの超音波ゲルに熱電対ワイヤーを挿入してください。熱電対のワイヤーをヘッドに紙テープで貼り付けて動きを防いでいます。アンプの電源ボタンを押して出力を開始し、TUSを起動します。
同時にニューロナビゲーションソフトの「Sample Now」を押して、初期トランスデューサーの配置を記録します。3つのアライメント指標をブルズアイビューで継続的に監視してください。もし設置されている場合は熱電対ワイヤーで頭皮の温度をモニターしてください。
TUSを終えるには、アンプの電源ボタンを押して出力を停止します。トランスデューサーと参加者からすべてのヘッドマウント機器を取り外してください。頭皮に赤みの兆候がないか確認し、不快感や副作用についても尋ねてください。
問題が報告されない場合は、または懸念を解決した後、頭皮の超音波ジェルを優しく拭き取ってください。ニューロナビゲーションウィンドウで「完了」をクリックし、「ファイル」を選択して「プロジェクトを保存」を押してプロジェクトを保存してください。セッションリストから現在のセッションを選択し、「レビュー」をクリックします。
セッションレビューウィンドウで、エクスポートドロップダウンメニューから脳サイトテキストファイルを選択してください。Orientationが選択されているか確認し、SnapをNothingに設定してください。必要に応じて他のエクスポート設定を設定し、その後「保存」をクリックして刺激データをエクスポートします。
音響焦点が意図した皮質刺激領域に到達する満足のいくシミュレーションベースのターゲット設定結果が得られました。シミュレーションベースのターゲティングにおいて、音響フォーカスと意図された刺激ターゲットの位置がずれているため、追加の反復が必要なシナリオです。シミュレーションインターフェースの可視化スケーリングの問題を修正するため、Distance TX out out to skin パラメータをより現実的な値に調整しました。
運動誘発電位はクリーンで記録され、経頭蓋磁気刺激、コイルの配置、姿勢が良好であることを示しました。運動誘発電位を反映しない波形が観測されました。52%の最大刺激出力でMTの1ミリボルト測定に成功し、そのレベルで5回の正反応と5回の陰性反応が認められました。
陽性と負の交互反応ではなく連続した刺激器出力87%で、最大刺激器出力87%で決定的でない可能性が高まりました。トランスデューサ駆動信号の安定的かつ均一なオシロスコープ読み取りが得られ、機器の正常な動作を示しました。ニューロナビゲーションを用いて、物理的なトランスデューサーの配置とあらかじめ定義されたターゲットとの間で良好なアライメントが達成されました。
トランスデューサーの位置がずれていることが観察され、ターゲットに合わせて調整が必要であることが示されました。運動野が発達している脳卒中患者において、TUSの安全性と効果的な強度を確立しました。TUSは運動学習と皮質興奮を促進できます。神経疾患の成人におけるTUSの使用に焦点を当てた方法論的な論文はありません。
このプロトコルはこのギャップを埋めます。このプロトコルが方法論的ばらつきを減らし、将来のヒト超音波検査の信頼性と再現性を向上させることを期待しています。
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概要
経頭蓋超音波刺激（TUS）は、様々な深度で脳を刺激する非侵襲的な技術で、神経学的疾患に対する新しい治療選択肢を提供します。このプロトコルは、神経学的に正常な成人と脳卒中などの神経学的障害を持つ患者の両方にTUSを適用するための標準化されたフレームワークを概説しています。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 神経調節
- 脳卒中回復
背景
- TUSは脳刺激の有望な方法です。
- 脳卒中患者の回復を潜在的に促進できます。
- この技術は様々な臨床応用に適応可能です。
- 標準化されたプロトコルは再現性にとって不可欠です。
研究の目的
- TUS適用の詳細なプロトコルを提供すること。
- 脳卒中患者の運動回復に対するその効果を探ること。
- TUSの安全性と有効性の基準を確立すること。
使用された方法
- 脱気された脱イオン水の水槽の準備。
- 超音波トランスデューサとハイドロフォンの校正。
- 超音波ジェルの適用とトランスデューサの位置決め。
- 刺激中の参加者の頭皮温度のモニタリング。
主な結果
- 超音波システムの成功した校正。
- 参加者へのTUSの効果的な適用。
- モニタリングは刺激中の安定した出力を示しました。
- 刺激後の評価では有害効果は示されませんでした。
結論
- TUSは非侵襲的な脳刺激の有効な方法です。
- 脳卒中患者の運動回復を強化する可能性があります。
- プロトコルと結果を最適化するためにさらなる研究が必要です。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Transcranial ultrasonic stimulation (TUS) offers a non-invasive, millimeter-precision neuromodulation platform with translational potential for neurological disorders. Standardized protocols for TUS in clinical populations address critical reproducibility and comparability gaps, directly impacting early clinical validation and mechanistic de-risking. This methodological framework enables enterprise R&D teams to generate reliable, cross-study data for target engagement and safety in human neuromodulation pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven interrogation of neuromodulatory effects in disease-relevant human cohorts.
- Supports functional target validation by quantifying cortical excitability and motor learning outcomes.
- Reduces mechanistic ambiguity through standardized calibration and targeting procedures.
- Facilitates predictive confidence in translational neuromodulation strategies.
Screening & Assay Development
- Establishes validated, reproducible stimulation parameters for downstream clinical and preclinical workflows.
- Standardizes outcome measures such as motor evoked potentials and safety assessments.
- Enables quantitative comparison of stimulation effects across patient populations and studies.
- Prepares robust assay systems for evaluating neuromodulatory interventions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns stimulation protocols with disease-relevant endpoints in neurological populations.
- Ensures continuity from mechanistic discovery to early clinical validation.
- Supports risk-adjusted advancement decisions based on reproducible safety and efficacy data.
- Provides a modular framework adaptable to diverse neurological indications.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol positions TUS as a bridge from early discovery through lead identification to preclinical and exploratory clinical research in neuromodulation.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification in human neurological models.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts for cross-study and cross-population comparison.
- Analytics: Provides standardized measurements of cortical excitability and motor function for robust statistical analysis.
- Translational Research: Enables alignment of stimulation parameters with clinical endpoints and biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Offers a replicable, modular protocol adaptable across research groups and patient populations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic risk in neuromodulation pipelines.
- Operational Value: Drives standardization, reproducibility, and scalability in clinical neuromodulation studies.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and capital allocation by providing reliable early human data.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neuromodulatory assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuromodulation, neuro-navigation, and clinical neurophysiology.
- Demands access to calibrated ultrasound hardware, hydrophones, and neuro-navigation systems.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of targeting, calibration, and safety monitoring procedures.
- Adaptable to various neurological model systems with protocol modifications as needed.
- Dependent on robust quality assurance and calibration to ensure reproducibility across sites.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
0:38
Hydrophone-Based Characterization of Ultrasound Transducer Acoustic Output in a Water Tank Setup
1:50
Configuration and Calibration of Transcranial Ultrasound Stimulation (TUS) System
4:20
Neuronavigation-Guided Transcranial Ultrasound Stimulation (TUS) Administration and Data Export Procedure
7:27
Results
9:08
Conclusion
