Methodenartikel

Pijplijn voor planning en uitvoering van transcraniële ultrasone neuromodulatie-experimenten bij mensen

2.8K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/66972

⸱

28 juni 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

In dit artikel

Samenvatting

Transcraniële ultrasone stimulatie (TUS) is een opkomende niet-invasieve neuromodulatietechniek die een zorgvuldige planning van akoestische en thermische simulaties vereist. De methodologie beschrijft een pijplijn voor beeldverwerking en ultrasone simulatie voor efficiënte, gebruiksvriendelijke, gestroomlijnde planning voor menselijke TUS-experimenten.

Samenvatting

Transcraniële ultrasone stimulatie (TUS) is een opkomende niet-invasieve neuromodulatietechniek die in staat is om zowel corticale als subcorticale structuren met hoge precisie te manipuleren. Het uitvoeren van experimenten met mensen vereist een zorgvuldige planning van akoestische en thermische simulaties. Deze planning is essentieel om te corrigeren voor botinterferentie met de vorm en baan van de ultrasone straal en om ervoor te zorgen dat TUS-parameters voldoen aan de veiligheidseisen. T1- en T2-gewogen, samen met zero-time echo (ZTE) magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) scans met een isotrope resolutie van 1 mm, worden verkregen (alternatief computertomografie röntgenfoto's (CT) scans) voor schedelreconstructie en simulaties. Het in kaart brengen van doelen en trajecten wordt uitgevoerd met behulp van een neuronavigatieplatform. SimNIBS wordt gebruikt voor de eerste segmentatie van het schedel-, huid- en hersenweefsel. De simulatie van TUS wordt overgedragen met de BabelBrain-tool, die de ZTE-scan gebruikt om synthetische CT-beelden van de schedel te produceren die moeten worden omgezet in akoestische eigenschappen. We gebruiken een phased array ultrasone transducer met elektrische stuurmogelijkheden. De Z-besturing wordt aangepast om ervoor te zorgen dat de doeldiepte wordt bereikt. Andere transducerconfiguraties worden ook ondersteund in de planningstool. Thermische simulaties worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de temperatuur- en mechanische indexvereisten binnen de akoestische richtlijnen voor TUS bij menselijke proefpersonen vallen, zoals aanbevolen door de FDA. Tijdens TUS-leveringssessies helpt een mechanische arm bij de beweging van de transducer naar de gewenste locatie met behulp van een randloos stereotactisch lokalisatiesysteem.

Inleiding

Veelgebruikte niet-invasieve neurostimulatietechnieken zijn transcraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) en transcraniële magnetische stimulatie (TMS). Beide hebben echter een beperkte penetratiediepte en een lage precisie 1,2. Transcraniële echografie (TUS) daarentegen is een opkomende niet-invasieve techniek die in staat is om neuronale activiteit 3,4,5 te verbeteren of te onderdrukken en zich te richten op corticale of subcorticale structuren met millimeterprecisie 6,7. Diermodellen met knaagdieren 4,8,9, konijnen10, schapen 5,11, varkens6 en niet-menselijke primaten 7,12,13,14 hebben de werkzaamheid en veiligheid van TUS aangetoond. Studies hebben aangetoond dat het richten op verschillende hersengebieden ledemaatbewegingen kan uitlokken8 bij ratten, somatosensorische evoked potentials (SSEP's) bij varkens6 en veranderingen in visuomotorische activiteit12, cognitieve en motiverende besluitvorming bij niet-menselijke primaten13 naast andere gedragsveranderingen. Bij mensen is waargenomen dat TUS de motorische evoked potentials (MEP's) en prestaties op een reactietijdtaak verandert wanneer ze zich richten op de primaire motorische cortex15,16 en de prestaties veranderen op een tactiele discriminatietaak en SSEP's wanneer ze zich richten op de somatosensorische cortex17 en sensorische thalamus18. Histologische analyses hebben geen grove of microscopische structurele veranderingen aangetoond die verband houden met TUS bij varkens6, schapen 5,11, konijnen10 en niet-menselijke primaten14, en er zijn geen bijwerkingen waargenomen die significant verschillen van andere niet-invasieve neurostimulatietechnieken19.

TUS maakt gebruik van gepulseerd gefocusseerd ultrageluid met lage intensiteit met een frequentie tussen 200 kHz en 700 kHz om een voorbijgaand neuromodulerend effect te produceren. De typische gemiddelde intensiteit van de ruimtelijke-piekpuls (Isppa) in situ is 10 W/cm2 of minder, met gerapporteerde inschakelcycli (percentage van de tijd dat echografie is ingeschakeld) variërend van 0,5% tot 70% bij mensen 20,21,22,23,24. Hoewel is voorgesteld dat de mechanismen van TUS-neuromodulatie voornamelijk betrekking hebben op mechanische agitatie van lipidemembranen die leidt tot het openen van ionkanalen 25,26,27, kunnen mogelijke thermische en cavitatie-effecten niet worden genegeerd. Ze worden beoordeeld aan de hand van mechanische (MI) en thermische (TI) indices. De MI beschrijft de voorspelde cavitatie-gerelateerde bio-effecten die zullen optreden met TUS, terwijl de TI de potentiële temperatuurstijging in weefsels beschrijft na ultrasone toepassing28,29. Bovendien zorgt het wijzigen van de frequentie en ingangsintensiteit er ook voor dat de MI en TI veranderen. Hogere frequenties hebben een betere ruimtelijke resolutie en verkleinen de kans op mechanische bio-effecten; Ze hebben echter een sterkere opname in het weefsel, waardoor de kans op temperatuurstijging toeneemt28. Als alternatief verhogen lagere frequenties met dezelfde intensiteit de MI. Evenzo heeft het verhogen van de intensiteit de neiging om de omvang van mechanische en thermische bio-effecten te vergroten30. Het is daarom absoluut noodzakelijk dat er een zorgvuldige planning en simulatie wordt uitgevoerd voordat experimenten worden uitgevoerd voor alle TUS-parameters die zullen worden geïmplementeerd.

Het plannen van een TUS-experiment vereist de identificatie van het doel en het traject van interesse en de uitvoering van thermische en akoestische simulaties. Simulaties helpen bij het optimaliseren van mechanische effecten en het verminderen van de thermische effecten van TUS op weefsels. Ze vereisen inzicht in de voorspelling van schedelverwarming, drukamplitude van de echografie in het brandpunt, focale correctie en andere verwarming in de schedel en huid. Adequate simulatie zorgt ervoor dat het brandpunt het doel van interesse bereikt en dat de veiligheidsparameters voor het gebruik van echografie zoals uiteengezet in de veiligheidsrichtlijnen voor biofysische veiligheid zoals aanbevolen door het International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)31, die zijn gebaseerd op de aanbevelingen van de FDA en Health Canada, worden gevolgd. Recente studies hebben ook een auditief verstorend effect aangetoond dat gepaard gaat met TUS 32,33,34 bij dieren en mensen, waarbij TUS-stimulatie auditieve paden in de hersenen kan activeren om reacties op te wekken 32,33,34. Transsectie van de gehoorzenuwen32, verwijdering van cochleair vocht32 of chemische doofheid33 bij knaagdieren zijn gebruikt om deze effecten bij dieren te verminderen. Bij mensen is het toedienen van een auditieve toon via een koptelefoon gebruikt om auditief geluid van TUS effectief te maskeren, waarbij wordt gecontroleerd voor de TUS-geïnduceerde auditieve activiteitsverwarring34. Dit benadrukt de noodzaak om auditief geluid te beheersen in schijnstimulatieomstandigheden, die moeten worden opgenomen in de planning, het ontwerp en de implementatie van protocollen.

Hier presenteren we een gids over hoe de voorbereiding (stap 1, stap 2), planning (stap 3), simulaties (stap 4) en TUS-levering (stap 5) die nodig zijn om het TUS-neuromodulatie-experiment bij mensen uit te voeren, op de juiste manier kunnen worden voltooid.

Protocol

Alle methoden met het gebruik van menselijke proefpersonen werden uitgevoerd in overeenstemming met de Tri-Council Ethical Conduct for Research Involving Humans, en het protocol werd goedgekeurd door de Conjoint Health Research Ethics Board (CHREB) van de Universiteit van Calgary. Alle proefpersonen gaven geïnformeerde schriftelijke toestemming vóór deelname. Menselijke deelnemers moesten gezonde, rechtshandige volwassenen tussen de 18 en 40 jaar zijn die bereid en in staat waren om een MRI-scan (magnetic resonance imaging) te voltooien. Uitsluitingscriteria waren onder meer familiegeschiedenis van epileptische aanvallen, stemmings- of cardiovasculaire aandoeningen, oortrauma, alcohol- of drugsverslaving, gebruik van voorgeschreven medicijnen, metalen implantaten waaronder een pacemaker, zwangerschap, cardiovasculaire aandoeningen, voorgeschiedenis van neurologische of psychiatrische stoornissen, onvermogen om te communiceren met onderzoeker en onderzoekspersoneel, en juridische onbekwaamheid of beperkte handelingsbekwaamheid. Het hieronder beschreven protocol volgt de aanbevelingen van ITRUSST over de gestandaardiseerde rapportage van TUS-studies35. De details van de apparatuur, software en noodzakelijke weblinks die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de Materiaaltabel.

1. Magnetische resonantiebeeldvorming met hoge resolutie

  1. Stel de deelnemer voor met behulp van een 24-kanaals hoofd-/nekspoel.
    OPMERKING: Als alternatief is de beste hoofd-/nekspoel die ter plaatse beschikbaar is, voldoende om een anatomische MRI te verkrijgen.
  2. Verzamel T1- en T2-gewogen MR-beelden en Zero-time echo (ZTE)-sequenties met een resolutie van 1 mm.
    OPMERKING: Het wordt aanbevolen om MR-beelden te verzamelen zonder dat de deelnemer een over-ear-koptelefoon draagt, omdat dit de beeldreconstructie kan beïnvloeden en de daaropvolgende plannings- en implementatiestappen kan bemoeilijken. In plaats daarvan wordt aanbevolen dat de deelnemer alleen oordopjes draagt voor MR-veiligheid.
    1. Gebruik voor T1-gewogen beeldvorming een 3D-inversieherstel-voorbereide snelle verwende gradiëntecho (FSPGR)-sequentie met de volgende parameters: herhalingstijd (TR) = 8,4 ms, echotijd (TE) = 3,2 ms, inversietijd (TI) = 650 ms, fliphoek van 10 graden, een gezichtsveld van 256 mm x 256 mm x 188 mm, matrixgrootte van 256 x 256 x 188, GRAPPA (ARC) factor 2 in de fasecoderingsrichting en sagittaal-schuine oriëntatie om de uitlijning met AC-PC te benaderen.
      OPMERKING: De totale scantijd is 5 minuten en 21 s.
    2. Gebruik voor T2-gewogen beeldvorming een 3D fast-spin echo (FSE) met de volgende parameters: TR = 3000 ms, TE = 60-90 ms, een echotreinlengte van 130, het gezichtsveld van 256 mm x 225 mm x 188 mm, matrixgrootte van 256 x 256 x 188 en een sagittaal-schuine oriëntatie die de uitlijning met de AC-PC-as benadert. Een GRAPPA (ARC)-factor van twee werd gebruikt in de fasecodering en slice-richting.
      OPMERKING: De totale scantijd is 3 minuten en 58 s.
    3. Gebruik voor ZTE-beelden een isotrope 3D ZTE-scan met de volgende instellingen: TR = 698 ms, TE = 16 μs, draaihoek van 1 graad, ontvangerbandbreedte van 62,5 kHz, aantal gemiddelden = 3,5, een gezichtsveld van 256 mm x 256 mm x 256 mm, matrixgrootte van 256 x 256 x 256.
      OPMERKING: De totale scantijd is 5 minuten en 23 s.
      OPMERKING: MR-beelden moeten voltooid zijn voordat de TUS-planning kan beginnen.

2. Voorbewerken van foto's van deelnemers

  1. Converteer T1-w-, T2-w- en ZTE DICOM-scanbestanden van DICOM naar Nifti-formaat met behulp van de dcm2niix-tool. Voer in een terminalvenster uit: dcm2niix .
    OPMERKING: De dcm2niix-tool is beschikbaar op GitHub (zie Tabel met materialen). De BabelBrain-tool registreert de afbeeldingen van de deelnemer om plaats te bieden aan afbeeldingen die op verschillende dagen zijn verzameld. Als T1-w-afbeeldingen niet isotroop zijn, worden ze opnieuw gesampled naar isotrope voxels van 1 mm; CT/ZTE-beelden zijn dat echter niet. In plaats daarvan worden de maskers voor de simulatie opnieuw gesampled naar de uiteindelijke resolutie in termen van PPW. Er zijn geen extra stappen voor co-registratie of afstemming vereist.
  2. Voer co-registratie en extractie van weefselmaskers uit met behulp van de charmetool van SimNIBS. Voer in een terminalvenster uit: charm , waarbij een string is voor identificatie. Op dit punt kan de planning van het experiment worden gepauzeerd en op een ander tijdstip worden voortgezet.
    OPMERKING: De aangemaakte bestanden worden opgeslagen in een m2m subdirectory, die in de volgende planningsfasen zal worden gebruikt. Het voorbewerken van afbeeldingen met de charm-tool is noodzakelijk voor weefselsegmentatiedoeleinden, zoals dit vereist is voor gebruik in de BabelBrain-tool36.

3. Planning van het traject

  1. Open Brainsight, klik op Nieuw leeg project en laad de T1-w Nifti-afbeelding van de deelnemer, geproduceerd in stap 2.1.
    OPMERKING: Als u een Brainsight-versie vóór v2.5.3 gebruikt, kunt u kiezen voor "Nieuw leeg project" of "Nieuw SimNIBS-project". Als u Brainsight v2.5.3 en hoger gebruikt, is er integratie tussen Brainsight en BabelBrain en wordt het ten zeerste aanbevolen om op "Nieuw SimNIBS-project" te klikken; Beide zijn echter nog steeds voldoende om de planningsstappen te voltooien. Voor "New Empty Project" moet de T1-w-afbeelding worden geladen, terwijl voor "Nieuw SimNIBS-project" een .msh-bestand moet worden geladen dat de T1-w-afbeelding rechtstreeks laadt. Alle andere functionaliteiten en stappen blijven hetzelfde.
  2. Klik op Overlays en vervolgens op Overlays configureren om een overlay te maken en te bekijken. Klik op Toevoegen om het bestand te selecteren dat u wilt overlappen.
    OPMERKING: Als het doel niet kan worden gevisualiseerd op een T1-w-afbeelding, moet het eerst worden gelokaliseerd op een co-geregistreerde T2-w-afbeelding (dus de T1-w- en T2-w-coördinaten zijn hetzelfde). Breng vervolgens de coördinaten over op een T1-w-afbeelding voor de volgende planningsstappen. De charm-tool in stap 2.2 produceert een co-geregistreerde T2-w-afbeelding in het m2m-bestandspad /T2_reg.nii.gz.
  3. Sluit het gedeelte met overlays, klik op het tabblad Doelen en vervolgens op Doelen configureren. Klik op de blauwe informatieknop om de dekking, kleur en drempel van de overlay te wijzigen om een vergelijking van de afbeeldingen mogelijk te maken.
    OPMERKING: Dit kan worden uitgevoerd om co-geregistreerde Nifti-beelden te visualiseren en moet worden gebruikt om te observeren hoe de akoestische simulaties over het doel heen zullen overlappen.
  4. Klik op het tabblad Reconstructies en vervolgens op het vervolgkeuzemenu Nieuwe reconstructies . Klik op Skin, gevolgd door Compute Skin in het nieuwe venster. Als u klaar bent, klikt u op de sluitknop in de linkerbovenhoek van het venster.
  5. Klik in het tabblad "Reconstructies" op het vervolgkeuzemenu Nieuwe reconstructie... gevolgd door Full Brain Curvilinear.
    1. Pas elk vak op de sagittale (Figuur 1A), coronale (Figuur 1B) en transversale (Figuur 1C) afbeeldingen aan door de randen van het groene vak te slepen, zodat de lijnen de hersenen strak omringen (Figuur 1).
    2. Blader door alle plakjes om er zeker van te zijn dat er geen randen van het weefsel overlappen. Klik op Bereken kromlijnig en stel de schildiepte in op 4 mm (Figuur 1D).
      OPMERKING: De volledige kromlijnige hersenen bieden een 3D-reconstructie van de cortex, die kan worden afgepeld om verschillende diepten te observeren. Het zorgt voor een nauwkeurige en consistente plaatsing van een TMS-spoel over de hersenen om het interessegebied te lokaliseren.
  6. Klik op het tabblad Oriëntatiepunten op Brainsight, gevolgd door Oriëntatiepunten configureren.
    1. Plaats het dradenkruis (cursor) op het puntje van de neus en label in het veld "Naam:" het herkenningspunt "Neus" (Figuur 2A). Plaats het dradenkruis tussen de ogen boven de neusbrug en label het herkenningspunt "Nasion" (Figuur 2A).
    2. Plaats het dradenkruis op het linkeroor en label het herkenningspunt "L Ear" (Figuur 2B). Plaats het dradenkruis op het rechteroor en label het herkenningspunt "R Ear" (Figuur 2C).
  7. Klik op het tabblad Doelen en gebruik het dradenkruis (cursor) om het gewenste doel te lokaliseren.
    1. Plaats het dradenkruis (cursor) op de locatie van het gewenste doel en gebruik de hoekschakelaars aan de rechterkant van het scherm om de baanhoek in te stellen.
    2. Zodra het gewenste doel en traject zijn geselecteerd, klikt u op het vervolgkeuzemenu Nieuw en kiest u Traject. Geef het doel een naam door in het tekstvak naast 'Naam:' te typen.
    3. Exporteer het doel door te klikken op Exporteren... en sla het op in de juiste onderwerpmap. Zodra het bestand is opgeslagen, kan de planning worden onderbroken en kan het experiment later opnieuw worden gestart.
      OPMERKING: Het doel zal in de volgende stappen worden gebruikt om thermische en akoestische simulaties te voltooien.

figure-protocol-1
Figuur 1: Het creëren van een volledig brein kromlijnig in Brainsight. (A) Vak aangepast aan de rand van het sagittale MR-beeld. (B) Doos aangepast aan de rand van het coronale MR-beeld. (C) Vak aangepast aan de rand van het transversale MR-beeld. (D) Volledige kromlijnige reconstructie van de hersenen met een afpeldiepte van 4 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-2
Figuur 2: Oriëntatiepunten geplaatst op de huidreconstructie en MR-beeld. (A) Plaatsing van neus- en neusoriëntatiepunten. (B) Plaatsing van oriëntatiepunten in het linkeroor. (C) Plaatsing van oriëntatiepunten in het rechteroor. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

4. Simulaties met BabelBrain

LET OP: Details voor simulatie met BabelBrain kunnen worden geraadpleegd in de handleiding van BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html.

  1. Open BabelBrain en selecteer de benodigde bestanden voor akoestische en thermische simulaties.
    OPMERKING: Deze inzending maakt gebruik van een phased array-transducer; Andere transducers zijn echter volledig compatibel met deze planningssoftware. Dit programma kan simulaties voltooien voor Single, CTX_500, H-317, H-246 en transducers. In de volgende methode wordt de H-317 gebruikt als de geselecteerde transducer.
    1. Selecteer het txt-bestand dat eerder uit Brainsight is geëxporteerd tijdens stap 3.7.3 door te klikken op Select Trajectory... en het juiste deelnemersbestand te kiezen. Klik op Selecteer SimNIBS... om het SimNIBS-bestand (m2m_folder naam) te kiezen dat in stap 2 is gemaakt. Klik op Selecteer T1W... en kies de T1-w-afbeelding die in stap 2.1 is geproduceerd en die eerder is gebruikt voor het in kaart brengen van doelen en trajecten.
    2. Kies in de vervolgkeuzelijst naast het label "CT gebruiken?" echte CT als u een CT-scan gebruikt, ZTE als u een ZTE-scan gebruikt of NEE als u een vereenvoudigd masker gebruikt dat is gegenereerd door de charm-tool als er alleen T1- en T2-w-afbeeldingen beschikbaar zijn. Als u een CT- of ZTE-afbeelding gebruikt, klikt u op het vervolgkeuzemenu Correg.? gevolgd door CT naar MR. Klik op Selecteren en kies de bijbehorende afbeelding uit het juiste deelnemersbestand.
    3. Klik op "Selecteer thermisch profiel ..." en kies het thermische profielbestand dat de sonicatieparameters van het experiment beschrijft in termen van duur aan, duur uit en inschakelduur.
      LET OP: Details zijn te raadplegen in de handleiding van BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html. Voorbeelden van profielen zijn beschikbaar op https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain/tree/main/Profiles.
    4. Klik op het vervolgkeuzemenu naast "Transducer" en selecteer de transducer die wordt gebruikt voor experimenten. Klik op het dropdown-menu naast "Computing backend" en kies de computing backend van de computer waarop de simulaties worden uitgevoerd. Zodra alle informatie is ingevoerd, klikt u op DOORGAAN om de rest van de simulaties te voltooien.
  2. Substap A: Bereken masker.
    1. Selecteer de ultrasone frequentie van de transducer en het juiste punt per golflengte (PPW).
      OPMERKING: 6 PPW is genoeg voor de meeste scenario's.
    2. Laat het genormaliseerde ZTE-bereik en de Hounsfield-eenheden (HU) zoals ze zijn.
      OPMERKING: Als u een echte CT gebruikt, verschijnt alleen de HU-drempel. Als er geen ZTE- of CT-scan is verstrekt, ontbreekt deze vermelding.
    3. Klik op Planningsmasker berekenen. Inspecteer het beeld en controleer of de grenzen voor de huid, schedel en hersenen nauwkeurig zijn herkend.
      OPMERKING: Als er discrepanties zijn, past u het genormaliseerde ZTE-bereik en/of de HU-drempel aan.
  3. Substap B: Akoestische simulatie. Klik op het tabblad Stap 2 - Ac Sim om te openen.
    OPMERKING: Dit tabblad ziet er anders uit, afhankelijk van de geselecteerde transducer. Wat volgt is specifiek voor de H-317 transducer.
    1. Pas de afstand van de kegel om scherp te stellen aan om de afstand van het oppervlak van de kegel tot het doel weer te geven door de juiste afstand in te voeren.
      OPMERKING: Dit wordt bepaald door de fysieke kegel die in experimenten moet worden gebruikt.
    2. Voer de simulatie uit door op de knop Velden berekenen te klikken.
    3. Pas de waarde van de Z-besturing (mm) aan zodat het dradenkruis (dat het doel aangeeft) zich in het midden van het brandpunt bevindt (Figuur 3). Druk op de pijlen omhoog of omlaag of voer handmatig de gewenste waarde in en klik vervolgens op Velden berekenen.
      OPMERKING: Positieve waarden zullen het brandpunt dieper in de hersenen leiden, terwijl negatieve waarden ervoor zorgen dat het brandpunt oppervlakkig beweegt.
    4. Pas de X/Y-mechanica aan als het brandpunt zich zijdelings ten opzichte van het beoogde doel bevindt. Laat Z mechanisch zoals het is. Klik op Velden berekenen.
      OPMERKING: Z mechanisch wordt herberekend als functie van de afstand tot de kegel in 4.3.1. Indien nodig om de Z-besturing, X/Y mechanische of maximale diepte voorbij het doel aan te passen na het voltooien van een berekening, moeten akoestische simulatiebestanden opnieuw worden berekend. Klik op Velden berekenen en selecteer Ja om opnieuw te berekenen. Selecteer Nee om de bestaande bestanden opnieuw te laden.
  4. Substap C: Thermische simulatie. Klik op het tabblad Stap 3 - Thermische sim en klik vervolgens op Bereken thermische velden. Beoordeel de mechanische en thermische simulaties (Figuur 4) om er zeker van te zijn dat ze voldoen aan de akoestische richtlijnen bij menselijke proefpersonen zoals aanbevolen door ITRUSST31 (Mechanische index (MI) in zacht weefsel ≤1,9; thermische stijging ≤2 °C, thermische dosis ≤0,25 CEM43, blootstellingstijd beperkt tot 80 min voor 1,5 < craniale thermische index (TIC) ≤ 2,0, 40 min voor 2,0 < TIC ≤ 2,5, 10 min voor 2.5 < TIC ≤ 3.0, 160 s voor 3.0 < TIC ≤ 4.0, 40 s voor 4.0 < TIC ≤ 5.0 en 10 s voor 5.0 < TIC ≤ 6.0).
    OPMERKING: BabelBrain lost de vergelijking voor biowarmteoverdracht op om de temperatuurstijgingte schatten 36. In zeldzame gevallen kunnen abnormale voxels bij hoge temperaturen voorkomen, in welk geval MR-beelden moeten worden geanalyseerd als anatomische kenmerken de ongebruikelijke temperatuurstijging kunnen verklaren.
    1. Pas de Isppa aan door op de pijlen omhoog of omlaag naast het vak Isppa (B/cm2) te klikken of door handmatig een waarde boven 0,1 in te voeren om te zien hoe de parameters veranderen met verschillende intensiteiten.
      OPMERKING: Een samenvatting van alle intensiteiten, temperatuurveranderingen en mechanische indices kan ter referentie worden geëxporteerd als een CSV-bestand. De software berekent de vereiste intensiteit in watercondities (Isppa in water) die moet worden toegepast om de gewenste intensiteit in situ te bereiken.
    2. Klik op de MTB-, MTS- en MTC-knoppen in het onderste gedeelte van de interface om het plakje met de hoogste temperatuur in de hersenen, huid en schedel te bekijken. Nadat de thermische simulatiestap is voltooid, zijn de simulaties voltooid.
      OPMERKING: Bestanden worden automatisch opgeslagen op dezelfde locatie als de T1-w-afbeelding.
      OPMERKING: Akoestische bestanden met een uitgang <... FullElasticSolution_Sub_NORM.nii.gz> kunnen in Brainsight worden geladen om de akoestische veldoverlay in de T1-ruimte te visualiseren. Er zullen bestanden zijn voor aandoeningen met alleen water (met het voorvoegsel "Water" in de bestandsnaam) en bestanden voor weefselaandoeningen (geen tussenvoegsel in de bestandsnaam). Volg de stappen in de notitie na stap 3.1 om een overlay toe te voegen. Na de thermische simulatiestap zijn de simulaties voltooid en kan het experiment worden gepauzeerd tot de TUS-leveringssessie.

figure-protocol-3
Figuur 3: Akoestische simulatie met behulp van BabelBrain. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-4
Figuur 4: Thermische simulatie met behulp van BabelBrain. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

5. TUS-oplevering sessie

  1. Open Brainsight en klik op Bestaand project openen. Selecteer het Brainsight-bestand dat is gemaakt en opgeslagen tijdens het in kaart brengen van het traject en het doel.
  2. Klik op Sessies om een nieuwe experimenteersessie te starten. Klik op de vervolgkeuzelijst en selecteer Nieuw, gevolgd door Online sessie. Klik op de naam van het doel, gevolgd door Toevoegen en Volgende om het doel toe te voegen aan de experimentsessie en door te gaan naar het experimenteervenster.
    OPMERKING: Als TUS-levering wordt uitgevoerd met een andere computer dan die welke voor de planning is gebruikt, vereist Brainsight dat het juiste T1-w-beeld wordt gekozen. In dit geval wordt een nieuw venster geopend waarin u wordt gevraagd de bijbehorende afbeelding van de T1-w-deelnemer uit hun deelnemersbestand te selecteren.
  3. Klik op Venster en gereedschapskalibratie en selecteer de gereedschappen die u wilt gebruiken, gevolgd door Opnieuw kalibreren.
    OPMERKING: Deze stap moet worden voltooid voor de transducer en alle andere gereedschappen die tijdens de experimentele sessie worden gebruikt, zoals een TMS-spoel.
    1. Bevestig de grote spoeltracker en het kalibratieblok aan de transducer. Zorg ervoor dat de camera de fiducials op beide tools kan zien. Klik op Begin Calibration Countdown om opnieuw te kalibreren.
      OPMERKING: Als u de kalibratie opslaat, zorgt u ervoor dat deze hetzelfde blijft voor die dag van experimenten. Als dit niet wordt uitgevoerd en de computer wordt uitgeschakeld, moet de apparatuur opnieuw worden gekalibreerd.
  4. Stel de transducer in volgens de instellingsprocedures voor experimenten. Verwijder de tracker op de transducer voordat u deze instelt, zodat deze niet beschadigd raakt.
    OPMERKING: De beschreven opstelling is voor de H-317 transducer met een aangepaste koppelingsconus.
    1. Monteer de conus naar wens en plaats de transducerfilm tussen de conus en de eindkap. Bevestig de koppelingsconus aan de flens op de transducer met behulp van schroeven, ringen en moeren en zorg ervoor dat ze allemaal goed vastzitten zodat er geen lekken zijn.
    2. Vul de transducer met gedeïoniseerd water en sluit de slangen van de pomp aan op de transducer, waarbij u de slang met het label "IN" aansluit op "OUT" en de "OUT" op "IN". Sluit het watergat af terwijl u op "DRAIN" op de pomp drukt om de druk te ontlasten.
    3. Draai de transducer ondersteboven om de luchtbellen op de film te isoleren en draai vervolgens naar boven, zodat ze naar buiten kunnen via de transducerbuis met het label "OUT". Herhaal dit totdat alle zichtbare luchtbellen zijn verwijderd. Stel de transducer zo in dat de "OUT"-buis naar voren en op het hoogste punt is gericht, en laat de pomp 30 minuten draaien.
    4. Draai de transducer ondersteboven om te controleren of alle luchtbellen zijn verwijderd. Als er wat achterblijft, isoleer dan de luchtbellen op de film en draai de transducer zoals eerder om ervoor te zorgen dat ze via de "OUT"-buis naar buiten komen. Herhaal dit totdat alle bubbels zijn verwijderd.
    5. Schakel de pomp uit, maak de slangen los en vergrendel de transducer in neutraal. Sluit de tracker weer aan op de transducer en ga verder met het instellen van de deelnemer.
  5. Bevestig de onderwerptracker aan het hoofd van de deelnemer met behulp van een bril, een hoofdband die boven de oren en wenkbrauwen wordt geplaatst (Figuur 5) of de lichtgewicht zelfklevende tracker. Zorg ervoor dat de fiducials zo zijn georiënteerd dat ze zichtbaar zijn voor de camera en niet worden geblokkeerd of geraakt door de transducer wanneer ze naar of zodra deze zijn definitieve positie heeft bereikt.
    1. Plaats de camera voor de deelnemer zodat deze de onderwerptracker en de aanwijzer kan zien.
      OPMERKING: Als ze niet zichtbaar zijn, is de indicator linksonder in het scherm rood. Dit kan ook worden geverifieerd door het tabblad "Polaris" op Brainsight in te voeren.
  6. Klik op het tabblad Registratie in Brainsight. Plaats de aanwijzer op alle vier de oriëntatiepunten die tijdens stap 3.6 zijn ingesteld, stabiliseer deze met beide handen en klik vervolgens op Voorbeeld en ga naar volgende oriëntatiepunt.
    OPMERKING: Het is belangrijk dat de hoofdband of bril strak om het hoofd van de deelnemer blijft zitten en dat de onderwerptracker niet beweegt. Als dit gebeurt, voert u de registratie opnieuw uit. Als de fiducials moeten worden gedraaid om de beweging van de transducer mogelijk te maken nadat de registratie is voltooid, voert u de registratie opnieuw uit.
  7. Klik op het tabblad Validatie om de deelnemersregistratie te valideren. Plaats de aanwijzer lichtjes op verschillende posities langs de hoofdhuid en zorg ervoor dat alle punten minder dan 3 mm zijn.
    OPMERKING: Commerciële neuronavigatiesystemen die voor TMS zijn gemaakt, worden gebruikt voor TUS-experimenten bij mensen. Een translatiefout van 3 mm is acceptabel voor kalibratie van draagbare transducers37, omdat deze consistent is met doelnauwkeurigheid38,39 en andere neuronavigatiesystemen40. De waarde van 3 mm is ingebed in de Brainsight neuronavigatiesoftware.
    1. Als er punten zijn die groter zijn dan 3 mm, klikt u op de knop Toevoegen om extra oriëntatiepunten toe te voegen voor maximaal drie punten. Als er meer dan drie punten nodig zijn om een consistente validatie onder de 3 mm te bereiken, voer de registratie dan opnieuw uit.
      OPMERKING: Om het succes van de registratie te vergroten, wordt aanbevolen om MR-beelden te verzamelen zonder dat de deelnemer een over-ear-koptelefoon draagt, omdat dit de beeldreconstructie kan beïnvloeden en de registratie kan bemoeilijken. Zorg ervoor dat de aanwijzer zo dicht mogelijk bij het herkenningspunt wordt geplaatst voordat u op Voorbeeld en ga naar volgend oriëntatiepunt klikt, en zorg ervoor dat de aanwijzer met beide handen wordt gestabiliseerd. De validatie biedt de zekerheid dat het gemiddelde van alle punten langs het hoofdhuidoppervlak onder de drempel ligt. Ga pas verder als alle willekeurige locaties op de hoofdhuid onder de drempel van 3 mm zijn.
  8. Zet het hoofd van de deelnemer vast met de kinsteun en stabilisator op de achterkant van het hoofd om beweging te voorkomen (Figuur 5). Zorg ervoor dat ze comfortabel in de stoel zitten voor de duur van het experiment.
  9. Klik op Uitvoeren. Gebruik de mechanische arm om de transducer over het gewenste doel langs het geselecteerde traject te plaatsen.
    NOTITIE: Zorg ervoor dat u oefent en bekend bent met hoe de componenten van de mechanische arm bewegen om het doel te bereiken. Succes bij het positioneren van de mechanische arm komt door inzicht in de mobiliteit van de arm en bekend te zijn met hoe deze beweegt over de oriëntatie van het hoofd, aangezien dit sterk afhankelijk is van de locatie van het doel.
    1. Gebruik het dradenkruis op het roosvenster om de juiste positionering en hoek te bereiken (Figuur 6). Lijn beide cirkels (translatiecirkels en rotatiecirkels) uit zodat ze op het dradenkruis zijn geplaatst en raadpleeg de nauwkeurigheidsmeting ter verificatie.
    2. Scheid het haar van de proefpersoon langs het natuurlijke deel en kam de ultrasone gel erin om ervoor te zorgen dat er geen luchtbellen in het haar zitten. Als een groot gebied moet worden gekoppeld, breng dan ultrasone gel aan op de transducerfilm. Vul eventuele resterende luchtbellen met extra ultrasone gel met behulp van een spuit.
    3. Laat de transducer op de juiste hoogte zakken door te observeren wanneer het dradenkruis zich in het midden van het vak rond het doel bevindt (Figuur 6). Dit geeft aan wanneer de juiste doeldiepte is bereikt.
  10. Een op maat gemaakt Python-script gebruikt de resultaten van simulaties in stap 4 om de 128-versterker te programmeren en geluid te genereren via een koptelefoon (https://github.com/ProteusMRIgHIFU/TUSApp). Als u een online en/of dubbelblind experiment uitvoert, zorg er dan voor dat maskerende audio wordt afgespeeld via een koptelefoon34,41 of voer de stimulus op en offset over de burstduur 42,43,44 als methoden om mogelijke auditieve verstorende effecten te verminderen.
    OPMERKING: Bij deze stap, als u een in de handel verkrijgbare eenheid gebruikt, zoals een CTX-500-transducer, schrijft u de intensiteit voor die is gesimuleerd in wateromstandigheden, samen met andere parameters (PRF, duur, inschakelduur). De H-317-transducer gebruikt een speciaal script om de transducer uit te voeren; Die stap wordt dan ook in deze indiening achterwege gelaten.
    1. Genereer de maskerende audio in MATLAB om af te spelen bij het begin van de TUS-levering. Geluid tijdens schijnstimulatie combineert een continue zondgolf op 250 kHz, een blokgolf met een burst-frequentie van 100 Hz bemonsterd op 48 kHz, met willekeurige ruis om het geluid dat door de transducer wordt geproduceerd nauwkeurig na te bootsen. Tijdens TUS wordt alleen willekeurige ruis door de hoofdtelefoon afgespeeld, omdat het geluid dat door de transducer wordt uitgezonden, ook door de proefpersoon wordt gehoord.
  11. Verwijder na voltooiing van de TUS-toediening de transducer, gel en tracker van het hoofd van de deelnemer voordat u verdere experimentele procedures uitvoert.
  12. Om de TUS-apparatuur op te ruimen, verwijdert u de tracker van de transducer om schade te voorkomen. Demonteer de transducer door de plug aan de bovenkant te verwijderen en ondersteboven te draaien om het water af te voeren. Verwijder de koppelconus en demonteer deze om de stukken aan de lucht te laten drogen.
    1. Zet de transducer terug in neutraal en zorg ervoor dat alle armcomponenten stevig op 90° zijn vergrendeld voor opslag tot de volgende TUS-experimentele sessie.

figure-protocol-5
Figuur 5: Fiducials te gebruiken voor neuronavigatie. Bril (links) en hoofdband (rechts) met fiducials bevestigd voor het volgen van onderwerpen. Het hoofd van de proefpersoon wordt vastgezet met een kinsteun en stabilisator achter het hoofd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-6
Figuur 6: Brainsight neuronavigatiescherm voor doellokalisatie tijdens TUS-leveringssessie voor een primair motorisch cortex (M1) doelwit. Rotatie- en translatie-indicatoren begeleiden de onderzoeker bij het bepalen waar de transducer over de hoofdhuid moet worden geplaatst en wanneer de baanhoek is bereikt. Nauwkeurigheid ten opzichte van het doel geeft aan hoe dicht de translatie- en rotatieoriëntatie bij het doel ligt en moet worden gebruikt om de beweging te verfijnen. De diepte-indicator geeft de diepte van het brandpunt aan en moet worden gebruikt om de transducer op de juiste hoogte te laten zakken. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Resultaten

Figuur 7 illustreert vergelijkende sessievoorbeelden uit een van onze onderzoeken42, met twee verschillende deelnemers die specifieke ultrasone parameters gebruiken (fundamentele frequentie van 250 kHz, sonicatieduur van 120 s, een pulsherhalingsfrequentie (PRF) van 100 Hz, een inschakelduur van 10% en een ISPPA van 5 W/cm²). In dit onderzoek werden T1-, T2-w en ZTE MRI-scans met een isotrope resolutie van 1 mm verkregen van neurologisch gezonde proefpersonen. TMS richtte zich op de primaire motorische cortex (M1) om de impact van gevarieerde TUS PRF's (10 Hz, 100 Hz en 1000 Hz) op corticospinale prikkelbaarheid op verschillende tijdstippen voor en na TUS te beoordelen (30 TMS-metingen met één puls op elk tijdstip zoals aangegeven door de afzonderlijke punten in de figuur). Figuur 7 bevat de resultaten van een succesvol experiment, dat een langdurig remmend effect laat zien na TUS (Figuur 7A), naast gegevens van een deelnemer waarbij geen significant effect werd waargenomen (Figuur 7B). Eerdere TUS-studies hebben gemeld dat sommige deelnemers geen significante effecten vertonen die verband houden met ultrasone stimulatie45,46. Vergelijkbare resultaten zijn waargenomen in onderzoeken met TMS47,48 en tDCS49,50, wat aantoont dat NIBS-technieken niet altijd tot de verwachte effecten leiden. Dit benadrukt de noodzaak van het zorgvuldig plannen en implementeren van TUS-experimenten bij mensen met behulp van protocollen zoals beschreven om de kans op experimenteel succes te maximaliseren.

De studie van Zadeh et al.42 benadrukt de differentiële effecten van TUS en toont aan dat PRF's van 10 Hz en 100 Hz langdurige remmende effecten kunnen veroorzaken, in tegenstelling tot de verwaarloosbare impact die wordt waargenomen bij een PRF van 1000 Hz. Belangrijk is dat het onderzoek aantoont dat een PRF van 100 Hz het meest effectief is, waarbij een verlengde onderdrukking van MEP's van meer dan 60 minuten wordt bereikt, in tegenstelling tot de 30 minuten onderdrukking die wordt bereikt met een 10 Hz PRF. Alternatieve methoden om het effect van TUS te beoordelen, kunnen worden gebruikt, zoals het meten van SSEP's of taakprestaties, die elk een unieke interpretatie van de resultaten vereisen.

figure-results-1
Figuur 7: Transcraniële magnetische stimulatie (TMS) gericht op de primaire motorische cortex (M1) om de impact van gevarieerde TUS-pulsherhalingsfrequenties (PRF) op corticospinale prikkelbaarheid te beoordelen. TUS werd geleverd met een fundamentele frequentie van 250 kHz, een sonicatieduur van 120 s, een pulsherhalingsfrequentie (PRF) van 100 Hz, een inschakelduur van 10% en een ISPPA van 5 W/cm2. Dertig proeven op elk tijdstip werden geregistreerd, zoals aangegeven door de afzonderlijke stippen. De gepresenteerde resultaten benadrukken de verschillen in de mediane genormaliseerde MEP-amplitude gedurende 5 min, 30 min en 60 min na TUS-blootstelling. Foutbalken tonen de interkwartielafstand voor proeven op elk tijdstip. (A) Proefpersoon die succesvolle experimentele resultaten vertoont die langdurige remmende effecten illustreren. (B) Proefpersoon die geen significant effect vertoont. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Bij deze methode worden onderwerpspecifieke simulaties uitgevoerd om mogelijke thermische en mechanische effecten als gevolg van TUS-toepassing op de hersenen te voorspellen en te beoordelen. Datasets tussen deelnemers moeten gescheiden en zorgvuldig gedocumenteerd blijven, omdat het gebruik van een onjuiste scan of gegevensbestand leidt tot onnauwkeurige simulaties. Wanneer er meerdere scans van deelnemers worden verzameld en de planning samen wordt uitgevoerd, is het belangrijk om te zorgen voor de juiste labeling van afbeeldingen en mappen en voorzichtig te werk te gaan bij het sorteren en opslaan van bestanden.

Om nauwkeurige simulaties uit te voeren, moet de schedel correct worden gemodelleerd om een vakspecifiek begrip van akoestische en geometrische eigenschappen te krijgen. BabelBrain vereist daarom de voltooiing van een CT- of ZTE-scan; als geen van beide beschikbaar is, kan BabelBrain een vereenvoudigd masker van het schedelbot gebruiken dat is verkregen met de charmetool. CT-scans bieden de meest nauwkeurige informatie over schedelkenmerken om te voorspellen hoe de echografie zich in de hersenen zal voortplanten zodra deze in contact komt met de schedel. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van gevoxeliseerde informatie van het schedelbot, hoewel de schatting van het botvolume nog steeds moeilijk te voorspellen is vanwege de heterogene aardervan51. Meer recentelijk zijn echter ultrakorte TE MRI-sequenties, zoals de ZTE-scan, gebruikt om de akoestische eigenschappen van de schedel te bepalen en TUS-simulaties uit te voeren. De resolutie en het contrast van botpixels zijn niet zo hoog in een ZTE-afbeelding als in CT; vergeleken met vereenvoudigde maskers die zijn afgeleid van alleen T1-w en T2-w MRI, bieden ZTE-beelden echter nog steeds een verbeterde schatting van de verwarming, waarbij TUS-simulaties52 voorspellingen hebben die vergelijkbaar zijn met die gemaakt met CT-scans53. Het gebruik van ZTE-scans in simulaties elimineert onnodige blootstelling aan straling en extra tijd die nodig is om röntgen-CT-beelden te verkrijgen, omdat ZTE-sequenties kunnen worden toegevoegd aan de oorspronkelijke MRI-scansessie. ZTE-protocollen zijn echter geen standaardproduct op de meeste MRI-scanners en er is aanvullend onderzoek nodig om de op ZTE gebaseerde nabewerking te verbeteren voor gebruik in TUS-modellering. Als er geen CT- of ZTE-afbeeldingen beschikbaar zijn, maakt de charm-tool die met BabelBrain wordt gebruikt een vereenvoudigd masker van T1- en T2-w-afbeeldingen om schedelkenmerken te voorspellen. Een vergelijking van simulaties uitgevoerd met een CT versus een vereenvoudigd masker heeft minimale verschillen opgeleverd in besturing (1,00 mm ± 1,3 mm) en mechanische herpositionering (x-richting 0,2 mm ± 0,4 mm; y-richting 0,1 mm ± 0,5 mm) die nodig zijn om het doel te bereiken, maar een iets andere intensiteitsverdeling (focuslengte 6% ± 8%; focusbreedte 2,7% ± 2%; focusvolume 10,4% ± 16%; piekdruk -0,5% ± 15% voor vereenvoudigd masker ten opzichte van CT)36. Hieruit blijkt dat de CT nauwkeurigere simulaties biedt; als het echter niet mogelijk is om een CT- of ZTE-scan te gebruiken, is het vereenvoudigde masker voldoende om simulaties voor TUS-experimenten bij mensen te voltooien.

Het in kaart brengen van methoden voor akoestische eigenschappen blijft een noodzakelijk onderzoeksgebied, aangezien het voorspellen van de geluidssnelheid en demping van CT- en MR-beelden nog steeds een beter begrip en een gestroomlijnde workflow vereist. Daarom blijft er een voorbehoud van mogelijke afwijking in thermische of mechanische effecten van wat in de simulatie wordt voorspeld. Modellering van akoestische effecten in BabelBrain wordt bereikt met behulp van een open-source BabelViscoFDTD 54,55-bibliotheek, waarmee zowel lineaire compressie- als schuifgolftransmissie kan worden gemodelleerd. Dit model is gevalideerd ten opzichte van meerdere andere modellen voor positie, grootte en scherpstelgrootte, met een verschil van minder dan 10% in brandpuntsdruk en minder dan 1 mm in brandpuntsafstand56. Akoestische simulaties zijn daarom in overeenstemming met andere simulatiemodellen. Thermische voorspellingen zijn moeilijker en zijn niet experimenteel gevalideerd omdat MR-thermometrie niet in de schedel kan worden uitgevoerd en de temperatuurveranderingen naar verwachting zeer klein zullen zijn, wat een bron van onzekerheid creëert. De thermische modellering die in BabelBrain wordt gebruikt, is consistent tussen papers en lost de Bioheat Transfer Equation (BHTE) op om de verwarming van de schedel te simuleren door middel van het modelleren van thermische diffusie, effecten van perfusie en akoestisch vermogen36,51. Schattingen van thermische stijging uit modellen van verzwakking en absorptie worden gebruikt om de effecten in de schedel te voorspellen met TUS op basis van andere gepubliceerde literatuur57, die tot nu toe het beste alternatief is voor het simuleren van schedelverwarming. Zoals te zien is in de beschreven methoden, specificeert de gebruiker de duur van de echografie, de vrije tijd na echografie, de inschakelduur en de gewenste gemiddelde intensiteit van de ruimtelijke-piekpuls in hersenaandoeningen, waarvan de veiligheidsparameters worden berekend als functie van parameterselectie. De gebruiker moet daarom alle parameters die moeten worden gebruikt inspecteren om er zeker van te zijn dat ze binnen de veiligheidseisen vallen. Verschillende neuronavigatiesystemen die worden gebruikt om de transducer boven het interessegebied te positioneren, hebben ook een doelregistratiefout van ongeveer 3 mm 38,58,59. Afhankelijk van de gebruikte frequentie en de grootte van het doel, kan het brandpunt echter nog steeds groot genoeg zijn om het doel te bedekken, zelfs met een fout van 3 mm. Hoewel dit een beperking kan zijn, biedt het nog steeds een groter voordeel ten opzichte van alternatieve navigatiesystemen vanwege de invasiviteit van stereotactische lokalisatiemethoden.

BabelBrain stroomlijnt de planningsstappen die nodig zijn om TUS-experimenten bij mensen te voltooien, omdat het efficiënt en gebruiksvriendelijk is en tot nu toe de enige open-source toegankelijke planningstool is. Dit zorgt voor transparantie in experimentele methoden in gepubliceerde literatuur, aangezien de gebruikte scripts openlijk toegankelijk zijn. De beschreven methode voltooit de stappen voor gegevensvoorbereiding en beeldverwerking, waardoor er geen aangepaste scripts of externe samenwerking nodig zijn om simulaties uit te voeren. Het neemt daarom een belangrijke barrière weg voor experimentatoren, waardoor ze de planning en simulaties direct kunnen voltooien en meer laboratoria in staat stellen om succesvolle TUS-experimenten te voltooien. Naast prospectieve planning van experimenten heeft deze methode ook potentiële toepassingen bij het plannen van cavitatie-gemedieerde FUS-therapie36, zoals het openen van de bloed-hersenbarrière59. Over het algemeen biedt deze methode een effectieve, gestroomlijnde aanpak voor het plannen en implementeren van TUS-experimenten bij mensen en de ontwikkeling van TUS voor gebruik in klinische omgevingen.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door een Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant, het INNOVAIT-programma, het Cumming Medical Research Fund, Canada Foundation for Innovation (Project 36703), Hotchkiss Brain Institute CAPRI Grant en Parkinson Association of Alberta Funding. GBP erkent de steun van de Canadian Institutes for Health Research (FDN-143290) en het Campus Alberta Innovates Chair Program.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
128-kanaals versterkereenheidBeeldgestuurde therapieDeze eenheid drijft de H-317 transducer aan
24-kanaals hoofdspoelGeneral Electric
3D-printerRaise3DPro2Filamentdikte van 1,75 mm.
3T MRI-scannerGeneral ElectricDiscovery 750 HDMR Console versie DV26.0_R05_2008
BabelBrainSamuel Pichardo (University of Calgary)Versie 0.3.0Toegankelijk op https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Voert thermische en akoestische simulaties uit.
BlenderBlender FoundationVersie 3.4.1Toegankelijk op https://www.blender.org. Blender wordt automatisch aangeroepen door BabelBrain.
BrainsightRogue ResearchVersie 2.5.2Gebruikt voor doelidentificatie, trajectplanning en uitvoering van TUS-afleveringssessies.
Stoel en kin-/hoofdhouderRogue ResearchTe gebruiken tijdens TUS-afleveringssessie om stabiliteit van de hoofd van de deelnemer te waarborgen voor geoptimaliseerd targeting.
Op maat gemaakte koppelingskogelUniversity of Calgary team3D-geprinte kegel in acrylonitrielbutadieenstyreen (ABS), alleen vereist voor H-317 transducer.
dcm2niixChris Rorden (University of South Carolina) Versie 1.0.20220720Toegankelijk op https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Gebruikt voor voorverwerking van MR-beelden van onderwerpen.
Fiducials en hoofdband of brilBrainsight, Rogue Research ST-1325 (subject tracker), LCT-583 (large coil tracker)Hoofdband of bril kan onderling worden gebruikt.
HoofdtelefoonBeatsFit Pro True Wireless EarbudsDraadloze Bluetooth-oordopjes met wegwerptips.
MacBookProAppleM2 Max, 16”, 64GB RAMComputer voor het voltooien van trajectplanning en simulaties
SimNIBSAxel Thielscher (Technical University of Denmark)Versie 4.0.0Toegankelijk op https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html
Spuit(en)10 mL, 60 mLGebaat om extra echografie-gel toe te voegen om luchtzakken te vullen.
TransducerSonicconceptsH-317Andere ondersteunde transducers omvatten CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Single element, H-246 (Sonicconcepts) en Bsonix (Brainsonix)
TransducerfilmSonicconceptsPolyurethaanmembraanInterface tussen transducer en het onderwerp
Echografie-gelWavelengthClear Ultrasound GelKoppelingsmedium.
Windows LaptopAcerAspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAMSysteem dat wordt gebruikt om de 128-kanaals versterker te bedienen en geluid via de hoofdtelefoon te genereren

Referenties

  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).

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Akoestische simulatieThermische simulatieSchedelreconstructieTargetmappingTrajectmappingMagnetische resonantiebeeldvormingPhased array transducerStereotactische lokalisatie
Pijplijn voor planning en uitvoering van transcraniële ultrasone neuromodulatie-experimenten bij mensen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.