Protokół metodologiczny i rozważania dotyczące przezczaszkowej stymulacji ultradźwiękowej w eksploracyjnych badaniach klinicznych na ludziach
December 12th, 2025
Przezczaszkowa ultrastymulacja (TUS) to obiecująca, nieinwazyjna technika zdolna do stymulacji ludzkiego mózgu na dowolnej głębokości, oferując nowe możliwości terapeutyczne w leczeniu różnych schorzeń neurologicznych. Protokół ten zapewnia ustandaryzowane, a jednocześnie elastyczne ramy empiryczne do stosowania TUS u neurotypowych dorosłych oraz pacjentów z chorobami neurologicznymi, takimi jak udar.
Nasza neuromodulacja oraz Laboratorium Odzyskiwania Udaru koncentrują się na wykorzystaniu różnych narzędzi neuromodulacyjnych w celu poprawy powrotu do zdrowia po udarze, w tym powrotu motorycznego. Ten konkretny projekt polega na wykorzystaniu niskointensywnej przezczaszkowej stymulacji ultradźwiękowej, nowego nieinwazyjnego narzędzia stymulacji mózgu do modulacji pobudliwości kory ruchowej i wspierania uczenia się motorycznego u pacjentów po udarze. Na początek przygotuj zbiornik na wodę z odgazowaną wodą dejonizowaną, aby zapobiec potencjalnym uszkodzeniom hydrofonu.
Zamocuj przetwornik ultradźwiękowy na oprawie na zbiorniku na wodę i zamontuj hydrofon na trzyosiowym systemie pozycjonowania. Podłącz hydrofon do oscyloskopu, a następnie połącz końcówkę igły wraz z kablem. Włącz zasilanie hydrofonu dopiero po pełnym zanurzeniu w wodzie.
Steruj przetwornikiem ultrasonograficznym za pomocą generatora funkcji. Następnie ustawiam końcówkę hydrofonu w przybliżonym obszarze ogniskowym przetwornika ultradźwiękowego, stosując trójosiowy system pozycjonowania. Zapisz odczyty oscyloskopu w każdym miejscu, aby uzyskać rozkład ciśnienia akustycznego i dokumentuj lokalizację hydrofonu odpowiadającą obszarowi ogniskowym.
Oceń czułość przetwornika ultradźwiękowego w punkcie ogniskowym, stosując różne napięcia wejściowe. Podłącz sprzęt do stymulacji USG przezczaszkowej i rozpocznij nagrywanie oscyloskopem. Włącz oscyloskop.
Ustaw go na bieg i dostosuj zarówno osie pionowe, jak i poziome do interesującej mnie skali. Przełącz główny włącznik zasilania wzmacniacza na pozycję On. Ustawić moc wyjściową wzmacniacza do zera.
Konfiguruj oba generatory funkcji do pożądanego przebiegu, zapewniając, że ramping jest dodawany do każdego czasu trwania impulsu. Teraz naciśnij Output na generatorze funkcji. Ustawij wyjście wzmacniacza na 100% za pomocą pokrętła regulacyjnego i monitoruj wyświetlacz wzmocnienia.
Naciśnij przycisk zasilania wzmacniacza, aby uruchomić jego wyjście. Potwierdź przebieg sygnału napędowego na oscyloskopie i pozwól układowi napędowemu pracować przez 15 minut, aby ustabilizować wyjście. Sprawdź ramping na początku i końcu każdego cyklu impulsu na fali sygnału napędowego.
Ustaw wyjście wzmacniacza do zera. Całkowicie zanurz przetwornik w wodzie, ustawiając płaszczyznę wyjściową około cala poniżej powierzchni, skierowaną do góry. Następnie przywróć wyjście wzmacniacza do 100% i obserwuj, czy ramping się powiódł.
Teraz zamontuj narzędzie neuronawigacyjne do uchwytu przetwornika. W oprogramowaniu przejdź do Kalibracji okien i narzędzi. Kliknij Nowa kalibracja.
Wprowadź nazwę i wybierz właściwy tracker narzędzi. Przytrzymaj przetwornik z trackerem przy bloku kalibracyjnym tak, aby pin wskaźnika referencyjny stykał się i był prostopadle do środka powierzchni wyjściowej przetwornika. Kliknij Rozpocznij odliczanie kalibracji.
Trzymaj się przez pięć sekund i powtarzaj w razie potrzeby, aż pojawi się sukces. Następnie zamknij okna Edycja kalibracji i Kalibracja narzędzi. Naciśnij przycisk zasilania wzmacniacza, aby wyłączyć wyjście, gdy uczestnik jest gotowy do przezczaszkowej stymulacji ultradźwiękowej.
Odłącz oscyloskop od wzmacniacza i podłącz przetwornik do wyjścia wzmacniacza. Jeśli używasz celu opartego na symulacji, załaduj go do oprogramowania neuronawigacyjnego. W zakładce Sesje otwórz nowy rozwijany menu i wybierz Sesję online.
W zakładce Cele kliknij na cel Trajektoria x-mod i naciśnij Dodaj, aby dodać go do sesji. W oknie Perform wyświetl widok skoncentrowany na narzędziu Bullseye lub Bullseye Target. Ustaw sterownik na właściwy przetwornik TUS i wybierz właściwy cel z listy Targetów do próbkowania w lewym górnym rogu.
Uczesaj włosy uczestnika, aby odsłonić skórę głowy w miejscu przetwornika TUS i utworzyć linię dzielącą przednią/tylną. Nałóż gazowany żel ultrasonograficzny wzdłuż niej. Stwórz jedną do trzech dodatkowych linii rozdzielających około 1,5 centymetra z każdej strony i powtórz ten sam proces.
Na koniec wróć do początkowej linii rozdzielania i powtórz proces cztery razy. Teraz przypnij przetwornik TUS na głowę uczestnika i wyrównaj go z celem, korzystając z widoku z celu. Reguluj przetwornik, aby zminimalizować odległość, przechylenie i odchylenia obrotowe do granic operacyjnych.
Jeśli wymagany jest monitoring bezpieczeństwa, włóż drut termopary do żelu ultradźwiękowego blisko skóry głowy. Przyklej drut termopary na głowicy taśmą papierową, aby zapobiec ruchowi. Naciśnij przycisk zasilania wzmacniacza, aby uruchomić wyjście i rozpocząć TUS.
Jednocześnie naciśnij Sample Now w oprogramowaniu neuronawigacyjnym, aby zarejestrować początkowe umieszczenie przetwornika. Stale monitoruj trzy metryki wyrównania w widoku bullseye. Monitoruj temperaturę skóry głowy za pomocą termopary, jeśli jest zainstalowana.
Aby zakończyć TUS, naciśnij przycisk zasilania wzmacniacza, aby zatrzymać wyjście. Usuń przetwornik i cały sprzęt montowany na głowie od uczestnika. Sprawdź skórę głowy pod kątem oznak zaczerwienienia i zapytaj uczestnika o ewentualny dyskomfort lub skutki uboczne.
Jeśli nie zgłaszano żadnych problemów lub po rozwiązaniu problemów, delikatnie zetrzyj żel USG ze skóry głowy. Kliknij Zakończ w oknie nawigacji neuro i zapisz projekt, wybierając Plik i naciskając Zapisz projekt. Z listy sesji wybierz aktualną sesję i kliknij Przeglądaj.
W oknie Sesje Przegląd wybierz plik tekstowy z menu rozwijanego Eksport. Upewnij się, że wybrana jest orientacja i ustaw Snap to Nothing. Konfiguruj inne ustawienia eksportu w razie potrzeby, a następnie kliknij Zapisz, aby wyeksportować dane stymulacji.
Osiągnięto satysfakcjonujący wynik celowania oparty na symulacji, gdy skupienie akustyczne dotarło do zamierzonego obszaru stymulacji korowej. Scenariusz w celowaniu opartym na symulacji, który wymaga dodatkowych iteracji z powodu niezgodności między skupieniem akustycznym a zamierzonym celem stymulacji. Dostosowanie płaszczyzny zewnętrznej Distance TX do parametru powierzchni do bardziej realistycznej wartości, aby naprawić problem ze skalowaniem wizualizacji w interfejsie symulacji.
Zarejestrowano czysty potencjał wywołany przez silnik, co wskazuje na dobrą przezczaszkową stymulację magnetyczną, umiejscowienie cewek i orientację. Zaobserwowano przebieg, który mógł nie odzwierciedlać potencjału wywołanego przez silnik. Pomyślnie wymierzono MT na poziomie jednego milivolta przy 52% maksymalnej mocy stymulatora, z pięcioma pozytywnymi i pięcioma negatywnymi odpowiedziami na tym poziomie.
Potencjalnie niejednoznaczne wyznaczenie MT na poziomie jednego milivolta zostało zarejestrowane przy 87% maksymalnej mocy stymulatora z powodu kolejnych, a nie naprzemiennych pozytywnych i negatywnych odpowiedzi. Uzyskano stały, równy odczyt sygnału sterującego przetwornika z oscyloskopu, co wskazywało na prawidłowe działanie urządzenia. Uzyskano dobre wyrównanie między fizycznym rozmieszczeniem przetwornika a zdefiniowanym celem za pomocą nawigacji neuro.
Zaobserwowano nieprawidłowe ustawienie przetwornika, co wskazywało na potrzebę dostosowania do celu. Ustaliłyśmy bezpieczeństwo TUS i efektywną intensywność u pacjentów po udarze, wykazując, że kora ruchowa TUS może zwiększać uczenie się motoryczne i pobudzenie kory. Nie ma artykułu metodologicznego skupiającego się na zastosowaniu TUS u dorosłych z chorobami neurologicznymi.
Ten protokół wypełnia tę lukę. Mamy nadzieję, że protokół ten zmniejszy zmienność metodologiczną oraz poprawi wiarygodność i powtarzalność przyszłych badań ultrasonograficznych na ludziach.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Transkranialna stymulacja ultradźwiękami (TUS) to nieinwazyjna technika, która stymuluje mózg na różnych głębokościach, zapewniając nowe opcje terapeutyczne dla schorzeń neurologicznych. Ten protokół opisuje standaryzowany rama dla stosowania TUS zarówno u dorosłych neurotypowych, jak i pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi, takimi jak udar.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Neuromodulacja
- Odzyskanie po udarze
Tło
- TUS to obiecująca metoda stymulacji mózgu.
- Może potencjalnie poprawić wyniki u pacjentów po udarze.
- Technika jest przystosowana do różnych zastosowań klinicznych.
- Standaryzowane protokoły są niezbędne dla powtarzalności.
Cel badania
- Dostarczyć szczegółowy protokół stosowania TUS.
- Zbadać jego wpływ na odzyskiwanie motoryczne u pacjentów po udarze.
- Ustanowić miary bezpieczeństwa i skuteczności dla TUS.
Stosowane metody
- Przygotowanie zbiornika wodnego z odgazowanym, odjonizowanym wodą.
- Kalibracja przetwornika ultradźwiękowego i hydrofonu.
- Nakładanie żelu ultradźwiękowego i pozycjonowanie przetwornika.
- Monitorowanie temperatury skóry głowy uczestnika podczas stymulacji.
Główne wyniki
- Udana kalibracja systemu ultradźdźwękowego.
- Skuteczna stosowanie TUS na uczestnikach.
- Monitorowanie wskazało stabilne wyjście podczas stymulacji.
- Oceny po stymulacji nie wykazały żadnych negatywnych skutków.
Wnioski
- TUS to wykonalna metoda nieinwazyjnej stymulacji mózgu.
- Może poprawić odzyskiwanie motoryczne u pacjentów po udarze.
- Potrzebne są dalsze badania, aby zoptymalizować protokoły i wyniki.
Często zadawane pytania
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
