Методическая статья

Конвейер для планирования и проведения экспериментов по транскраниальной ультразвуковой нейромодуляции у человека

2.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/66972

⸱

28 июня 2024 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) – это новый метод неинвазивной нейромодуляции, который требует тщательного планирования акустического и теплового моделирования. Методология описывает конвейер обработки изображений и ультразвукового моделирования для эффективного, удобного и оптимизированного планирования экспериментов с TUS у человека.

Аннотация

Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) – это новый метод неинвазивной нейромодуляции, способный с высокой точностью воздействовать как на корковые, так и на подкорковые структуры. Проведение экспериментов с участием человека требует тщательного планирования акустического и теплового моделирования. Это планирование необходимо для корректировки на вмешательство костей в форму и траекторию ультразвукового луча, а также для обеспечения соответствия параметров TUS требованиям безопасности. Для реконструкции и моделирования черепа проводятся Т1- и Т2-взвешенные, а также магнитно-резонансная томография (МРТ) с нулевым эхом (ZTE) с изотропным разрешением 1 мм (в качестве альтернативы компьютерная томография и рентгенография (КТ)). Картирование мишени и траектории выполняется с помощью нейронавигационной платформы. SimNIBS используется для первичной сегментации тканей черепа, кожи и мозга. Моделирование TUS осуществляется с помощью инструмента BabelBrain, который использует сканирование ZTE для создания синтетических компьютерных изображений черепа, которые должны быть преобразованы в акустические свойства. Мы используем ультразвуковой преобразователь с фазированными решетками с возможностью электрического управления. Z-образное рулевое управление отрегулировано таким образом, чтобы обеспечить достижение заданной глубины. Другие конфигурации преобразователей также поддерживаются в инструменте планирования. Тепловое моделирование проводится для того, чтобы убедиться, что требования к температуре и механическим показателям соответствуют акустическим рекомендациям для TUS у людей в соответствии с рекомендациями FDA. Во время сеансов доставки TUS механический манипулятор помогает перемещать датчик в нужное место с помощью безрамочной стереотаксической системы локализации.

Введение

Обычно используемые методы неинвазивной нейростимуляции включают транскраниальную стимуляцию постоянным током (tDCS) и транскраниальную магнитную стимуляцию (TMS). Тем не менее, оба имеют ограниченную глубину проникновения и низкую точность 1,2. В отличие от этого, транскраниальное ультразвуковое исследование (ТУС) является новым неинвазивным методом, способным усиливать или подавлять активность нейронов 3,4,5 и воздействовать на корковые или подкорковые структуры с точностью до миллиметра 6,7. Животные модели с участием грызунов 4,8,9, кроликов10, овец 5,11, свиней 6 и нечеловекообразных приматов 7,12,13,14 показали эффективность и безопасность ТУС. Исследования показали, что нацеливание на различные области мозга может вызывать движения конечностей8 у крыс, соматосенсорные вызванные потенциалы (СЭП) у свиней6 и изменения в зрительно-моторнойактивности12, когнитивные и мотивационные решения у нечеловекообразных приматов13 среди других изменений в поведении. У людей было замечено, что TUS изменяет моторные вызванные потенциалы (MEP) и производительность при выполнении задачи на время реакции при нацеливании на первичную моторную кору15,16 и изменяет производительность при выполнении задачи тактильной дискриминации и SSEPs при нацеливании на соматосенсорную кору17 и сенсорный таламус18. Гистологические анализы не выявили грубых или микроскопических структурных изменений, связанных с ТУС у свиней6, овец 5,11, кроликов10 и нечеловекообразных приматов14, а также не было замечено побочных эффектов, которые существенно отличались бы от других методов неинвазивной нейростимуляции19.

TUS использует импульсный низкоинтенсивный сфокусированный ультразвук на частоте от 200 кГц до 700 кГц для получения переходного нейромодулирующего эффекта. Типичная средняя интенсивность пространственного пика пульса (I sppa) in situ составляет 10 Вт/см2 или менее, при этом зарегистрированные рабочие циклы (процент времени, когда включен ультразвук) варьируются от 0,5% до 70% у людей20,21,22,23,24. Хотя предполагается, что механизмы нейромодуляции TUS в основном связаны с механическим возбуждением липидных мембран, приводящим к открытию ионных каналов 25,26,27, нельзя игнорировать возможные тепловые и кавитационные эффекты. Они оцениваются с помощью механических (MI) и тепловых (TI) индексов. ИМ описывает прогнозируемые связанные с кавитацией биологические эффекты, которые будут иметь место при использовании TUS, в то время как TI описывает потенциальное повышение температуры в тканях после применения ультразвука28,29. Кроме того, изменение частоты и интенсивности входного сигнала также приводит к изменению MI и TI. Более высокие частоты имеют лучшее пространственное разрешение и снижают вероятность механических биоэффектов; Тем не менее, они имеют более сильную абсорбцию в тканях, что увеличивает потенциал повышения температуры28. С другой стороны, более низкие частоты при той же интенсивности увеличивают ИМ. Аналогичным образом, увеличение интенсивности имеет тенденцию к увеличению величины механических и термических биоэффектов30. Поэтому крайне важно, чтобы перед сеансами экспериментов было проведено тщательное планирование и моделирование для всех параметров TUS, которые будут реализованы.

Планирование эксперимента TUS требует определения цели и траектории, представляющей интерес, а также выполнения теплового и акустического моделирования. Моделирование помогает оптимизировать механические эффекты и смягчить термическое воздействие TUS на ткани. Они требуют понимания прогнозирования нагрева черепа, амплитуды давления ультразвука в фокальной точке, фокальной коррекции и других нагрева внутри черепа и кожи. Адекватное моделирование гарантирует, что фокусная точка достигнет интересующей цели и будут соблюдены параметры безопасности для использования ультразвука, изложенные в руководящих принципах безопасности по биофизической безопасности, рекомендованных Международным консорциумом по безопасности и стандартам транскраниальной ультразвуковой стимуляции (ITRUSST)31, которые основаны на рекомендациях FDA и Министерства здравоохранения Канады. Недавние исследования также выявили эффект слухового искажения, сопровождающийся TUS 32,33,34 у животных и людей, посредством чего стимуляция TUS может активировать слуховые пути в мозге, вызывая реакции 32,33,34. Пересечение слуховых нервов32, удаление кохлеарной жидкости32 или химическая глухота33 у грызунов были использованы для уменьшения этих эффектов у животных. У людей передача слухового тона через наушники использовалась для эффективной маскировки слухового шума от TUS, контролируя искажение слуховой активности, вызванное TUS34. Это подчеркивает необходимость контроля слухового шума в условиях фиктивной стимуляции, который должен быть включен в планирование, разработку и реализацию протокола.

Здесь мы представляем руководство о том, как правильно завершить подготовку (шаг 1, шаг 2), планирование (шаг 3), моделирование (шаг 4) и доставку TUS (шаг 5), необходимые для проведения эксперимента по нейромодуляции TUS у людей.

Протокол

Все методы, включающие использование человека в качестве субъекта, были выполнены в соответствии с Этическим поведением Трех советов для исследований с участием человека, а протокол был одобрен Советом по этике совместных исследований в области здравоохранения (CHREB) в Университете Калгари. Все испытуемые предоставили информированное письменное согласие перед участием. Участники должны были быть здоровыми правшами в возрасте от 18 до 40 лет, желающими и способными пройти магнитно-резонансную томографию (МРТ). Критерии исключения включали семейный анамнез судорог, расстройства настроения или сердечно-сосудистые заболевания, травму уха, алкогольную или наркотическую зависимость, использование рецептурных лекарств, металлические имплантаты, включая кардиостимулятор, беременность, сердечно-сосудистые заболевания, неврологические или психические расстройства в анамнезе, неспособность общаться с исследователем и исследовательским персоналом, а также недееспособность или ограниченную дееспособность. Протокол, описанный ниже, соответствует рекомендациям ITRUSST по стандартизированной отчетности по исследованиям TUS35. Подробная информация об оборудовании, программном обеспечении и необходимых веб-ссылках, использованных в этом исследовании, приведена в Таблице материалов.

1. Магнитно-резонансная томография высокого разрешения

  1. Представьте себе участника с помощью 24-канальной катушки головы/шеи.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве альтернативы, для проведения анатомической МРТ достаточно лучшей катушки для головы/шеи, доступной на данном участке.
  2. Собирайте Т1- и Т2-взвешенные МР-изображения, а также последовательности эхо-сигналов нулевого времени (ZTE) с разрешением 1 мм.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется собирать МРТ-изображения без надевания полноразмерных наушников, так как это может повлиять на реконструкцию изображения и затруднить последующие этапы планирования и реализации. Вместо этого рекомендуется, чтобы участник носил только беруши для безопасности при МРТ.
    1. Для Т1-взвешенной визуализации используйте подготовленную для восстановления 3D инверсии последовательность быстрого испорченного градиентного эха (FSPGR) со следующими параметрами: время повторения (TR) = 8,4 мс, время эхо-сигнала (TE) = 3,2 мс, время инверсии (TI) = 650 мс, угол переворота 10 градусов, поле зрения размером 256 мм x 256 мм x 188 мм, размер матрицы 256 x 256 x 188, GRAPPA (ARC) коэффициент 2 в направлении фазового кодирования и сагиттально-косая ориентация для приближенного выравнивания с AC-PC.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Общее время сканирования составляет 5 минут и 21 секунду.
    2. Для Т2-взвешенной визуализации используется 3D быстроспиновой эхо-сигнал (FSE) со следующими параметрами: TR = 3000 мс, TE = 60-90 мс, длина эхо-сигнала 130, поле зрения 256 мм x 225 мм x 188 мм, размер матрицы 256 x 256 x 188 и сагиттально-косая ориентация, приближенная к совмещению с осью AC-PC. Коэффициент граппы (дуги), равный двум, использовался для кодирования фазы и направления среза.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Общее время сканирования составляет 3 минуты 58 секунд.
    3. Для получения изображений ZTE используйте изотропный 3D скан ZTE со следующими настройками: TR = 698 мс, TE = 16 μс, угол отражения 1 градус, ширина полосы приемника 62,5 кГц, количество средних значений = 3,5, поле зрения размером 256 мм x 256 мм, размер матрицы 256 x 256 x 256.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Общее время сканирования составляет 5 минут 23 секунды.
      ПРИМЕЧАНИЕ: МРТ-снимки должны быть завершены до начала планирования TUS.

2. Предварительная обработка изображений участников

  1. Конвертируйте файлы сканирования T1-w, T2-w и ZTE DICOM из формата DICOM в формат Nifti с помощью инструмента dcm2niix. В окне терминала выполните: dcm2niix <Путь к файлам сканирования DICOM>.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Инструмент dcm2niix доступен на GitHub (см. Таблицу материалов). Инструмент BabelBrain совместно регистрирует изображения участника, чтобы учесть изображения, собранные в разные дни. Если изображения T1-w не изотропны, они пересчитываются до изотропных вокселей толщиной 1 мм; однако изображения CT/ZTE — нет. Вместо этого маски для моделирования пересчитываются до конечного разрешения в терминах PPW. Никаких дополнительных действий по совместной регистрации или согласованию не требуется.
  2. Выполняйте совместную регистрацию и извлечение тканевой маски с помощью инструмента charm от SimNIBS. В окне терминала выполните: charm , где — это строка для идентификации. На этом этапе планирование эксперимента может быть приостановлено и продолжено в другое время.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Созданные файлы будут сохранены в подкаталоге m2m , который будет использоваться на последующих этапах планирования. Предварительная обработка изображений с помощью инструмента charm необходима для целей сегментации тканей, так как это требуется для использования в инструменте BabelBrain36.

3. Планирование траектории

  1. Откройте Brainsight, нажмите « Новый пустой проект» и загрузите изображение участника T1-w Nifti, созданное на шаге 2.1.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании версии Brainsight до версии 2.5.3 можно выбрать либо "New Empty Project", либо "New SimNIBS Project". Если вы используете Brainsight v2.5.3 и более позднюю версию, между Brainsight и BabelBrain есть интеграция, и настоятельно рекомендуется нажать "New SimNIBS Project"; Тем не менее, и то, и другое все еще достаточно для завершения этапов планирования. "New Empty Project" требует загрузки образа T1-w, в то время как "New SimNIBS Project" требует загрузки файла .msh, который напрямую загружает образ T1-w. Все остальные функции и шаги остаются прежними.
  2. Нажмите « Наложения», а затем « Настроить наложения », чтобы создать и просмотреть наложение. Нажмите « Добавить », чтобы выбрать файл для наложения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если цель не может быть визуализирована на изображении T1-w, она должна быть сначала локализована на совместном изображении T2-w (чтобы координаты T1-w и T2-w совпадали). Затем перенесите координаты на изображение T1-w для последующих шагов планирования. Чудо-кнопка на шаге 2.2 создает совместно зарегистрированное изображение T2-w в пути к файлу m2m /T2_reg.nii.gz.
  3. Закройте раздел наложений, перейдите на вкладку «Цели », а затем «Настроить цели». Нажмите на синюю информационную кнопку, чтобы изменить непрозрачность, цвет и порог наложения, чтобы можно было сравнивать изображения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть выполнено для визуализации совместно зарегистрированных изображений Nifti и должно использоваться для наблюдения за тем, как акустическое моделирование будет накладываться на цель.
  4. Перейдите на вкладку « Реконструкции », затем в выпадающее меню « Новая реконструкция...». Нажмите « Скин», а затем «Вычислить скин » в новом окне. После завершения нажмите на кнопку «Закрыть » в верхнем левом углу окна.
  5. На вкладке «Реконструкции» нажмите на выпадающее меню « Новая реконструкция...», а затем на « Полный криволинейный мозг».
    1. Отрегулируйте каждую рамку на сагиттальном (рисунок 1A), корональном (рисунок 1B) и поперечном (рисунок 1C) изображениях, перетаскивая края зеленого прямоугольника так, чтобы линии плотно окружали мозг (рисунок 1).
    2. Прокрутите все срезы, чтобы убедиться, что края ткани не перекрываются. Нажмите « Вычислить криволинейный » и отрегулируйте глубину отслаивания до 4 мм (Рисунок 1D).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Полная криволинейная поверхность мозга обеспечивает 3D-реконструкцию коры головного мозга, которую можно очистить для наблюдения за различной глубиной. Это позволяет точно и последовательно размещать катушку ТМС над мозгом для локализации интересующей области.
  6. Перейдите на вкладку «Ориентиры » в Brainsight, а затем выберите «Настроить ориентиры».
    1. Поместите перекрестие (курсор) на кончик носа, а в поле "Имя:" обозначьте ориентир "Нос" (рисунок 2А). Поместите перекрестие между глазами над переносицей и обозначьте ориентир «Nasion» (рисунок 2A).
    2. Поместите перекрестие на левое ухо и обозначьте ориентир «Ухо L» (рисунок 2B). Поместите перекрестие на правое ухо и обозначьте ориентир «R Ear» (рисунок 2C).
  7. Нажмите на вкладку «Цели » и с помощью перекрестия (курсора) локализуйте интересующую цель.
    1. Наведите перекрестие (курсор) на местоположение нужной цели и используйте переключатели угла в правой части экрана для установки угла траектории.
    2. Выбрав нужную цель и траекторию, нажмите на раскрывающееся меню « Новая » и выберите «Траектория». Присвойте целевому объекту имя, введя его в текстовое поле рядом с надписью "Имя:".
    3. Экспортируйте цель, нажав на кнопку «Экспорт...», и сохраните ее в соответствующей папке темы. После сохранения файла планирование можно приостановить, а эксперимент можно возобновить позже.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Мишень будет использоваться на последующих этапах для завершения теплового и акустического моделирования.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Создание полной криволинейной формы мозга в Brainsight. (A) Коробка, отрегулированная по краю сагиттального МРТ-изображения. (B) Коробка отрегулирована по краю коронального МР-изображения. (C) Коробка отрегулирована по краю поперечного МРТ-изображения. (D) Полная криволинейная реконструкция мозга с глубиной пилинга 4 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-protocol-2
Рисунок 2: Ориентиры, размещенные на реконструкцию кожи и МРТ-изображение. (А) Расстановка ориентиров носа и носа. (B) Размещение ориентира на левое ухо. (C) Установка ориентира на правое ухо. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

4. Симуляции с помощью BabelBrain

ПРИМЕЧАНИЕ: Подробную информацию о моделировании с помощью BabelBrain можно найти в руководстве BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html.

  1. Откройте BabelBrain и выберите необходимые файлы для акустического и теплового моделирования.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В данной заявке используется преобразователь с фазированной решеткой; Тем не менее, другие преобразователи полностью совместимы с этим программным обеспечением для планирования. Эта программа может выполнять моделирование одиночных, CTX_500, H-317, H-246 и преобразователей. В следующем методе в качестве выбранного преобразователя будет использоваться H-317.
    1. Выберите текстовый файл, ранее экспортированный из Brainsight на шаге 3.7.3, нажав « Выбрать траекторию...» и выбрав соответствующий файл участника. Нажмите « Выбрать SimNIBS...», чтобы выбрать файл SimNIBS (m2m_folder имя), созданный на шаге 2. Нажмите « Выбрать T1W...» и выберите изображение T1-w, полученное на шаге 2.1, которое ранее использовалось для картографирования цели и траектории.
    2. В раскрывающемся списке рядом с надписью «Использовать КТ?» выберите реальную КТ при использовании компьютерной томографии, ZTE при использовании сканирования ZTE или NO при использовании упрощенной маски, созданной чудо-кнопки, если доступны только изображения T1 и T2-w. При использовании изображения КТ или ЗТЭ нажмите на раскрывающееся меню Correg.?, а затем выберите «КТ в МРТ». Нажмите « Выбрать» и выберите соответствующее изображение из соответствующего файла участника.
    3. Нажмите «Выбрать тепловой профиль...» и выберите файл теплового профиля, который описывает параметры эксперимента с точки зрения продолжительности включения, длительности выключения и рабочего цикла.
      ПРИМЕЧАНИЕ: С подробностями можно ознакомиться в руководстве BabelBrain: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html. Примеры профилей доступны по адресу https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain/tree/main/Profiles.
    4. Нажмите на выпадающее меню рядом с «Преобразователь» и выберите преобразователь, используемый для эксперимента. Нажмите на выпадающее меню рядом с «Вычислительный сервер» и выберите вычислительный сервер компьютера, на котором выполняется моделирование. После ввода всей информации нажмите «ПРОДОЛЖИТЬ », чтобы завершить остальную часть моделирования.
  2. Подшаг А: Рассчитайте маску.
    1. Выберите частоту ультразвукового сигнала преобразователя и подходящую точку для каждой длины волны (PPW).
      ПРИМЕЧАНИЕ: 6 PPW достаточно для большинства сценариев.
    2. Оставьте нормализованный диапазон ZTE и единицы измерения Hounsfield (HU) как есть.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании реальной КТ будет отображаться только порог HU. Если сканирование ZTE или компьютерной томографии не предоставлено, эта запись будет отсутствовать.
    3. Нажмите на кнопку Рассчитать маску планирования. Осмотрите изображение, чтобы убедиться, что границы кожи, черепа и мозга были точно распознаны.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При наличии каких-либо расхождений отрегулируйте нормализованный диапазон ZTE и/или порог HU.
  3. Подэтап В: Акустическое моделирование. Нажмите на вкладку Шаг 2 - Ac Sim , чтобы открыть.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эта вкладка будет выглядеть по-разному в зависимости от выбранного датчика. То, что следует далее, относится к преобразователю H-317.
    1. Отрегулируйте расстояние от конуса до фокуса, чтобы отразить расстояние от поверхности конуса до цели, введя соответствующее расстояние.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это продиктовано физическим конусом, который будет использоваться в экспериментах.
    2. Выполните моделирование, нажав на кнопку «Вычислить поля ».
    3. Отрегулируйте значение Z рулевого управления (мм) так, чтобы перекрестие (указывающее на цель) находилось в центре фокусной точки (рис. 3). Нажмите стрелки вверх или вниз или вручную введите необходимое значение, затем нажмите на «Рассчитать поля».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Положительные значения направляют фокальную точку глубже в мозг, в то время как отрицательные значения заставляют фокальную точку перемещаться поверхностно.
    4. Отрегулируйте механический параметр X/Y, если фокальная точка расположена параллельно намеченной цели. Оставьте Z механическим как есть. Нажмите на кнопку «Вычислить поля».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Механический коэффициент Z пересчитывается как функция расстояния от конуса в соответствии с разделом 4.3.1. Если после завершения расчета необходимо скорректировать Z-рулевое управление, X/Y механическое или максимальную глубину за пределами цели, файлы акустического моделирования должны быть пересчитаны. Нажмите « Вычислить поля » и выберите «Да » для повторного расчета. Выберите Нет , чтобы повторно загрузить существующие файлы.
  4. Подэтап В: Тепловое моделирование. Перейдите на вкладку « Шаг 3 - Термическая симуляция », затем нажмите « Рассчитать термические поля». Оцените результаты механического и теплового моделирования (рис. 4), чтобы убедиться, что они соответствуют акустическим рекомендациям для людей в соответствии с рекомендациями ITRUSST31 (механический индекс (ИМ) в мягких тканях ≤1,9; термический подъем ≤2 °C, тепловая доза ≤0,25 CEM43, время экспозиции ограничено 80 мин для 1,5 < краниальный термический индекс (ИТК) ≤ 2,0, 40 мин для 2,0 < ТИК ≤ 2,5, 10 мин для 2,5 < TIC ≤ 3.0, 160 с для 3.0 < TIC ≤ 4.0, 40 с для 4.0 < TIC ≤ 5.0, и 10 с для 5.0 < TIC ≤ 6.0).
    ПРИМЕЧАНИЕ: BabelBrain решает уравнение переноса биотепла для оценки повышения температуры36. В редких случаях могут возникать аномальные высокотемпературные воксели, и в этом случае следует проанализировать МР-изображения, если какие-либо анатомические особенности могут объяснить необычное повышение температуры.
    1. Отрегулируйте Isppa, щелкнув стрелки вверх или вниз рядом с полем Isppa (Вт/см2) или вручную введя значение выше 0,1, чтобы наблюдать, как параметры изменяются с разной интенсивностью.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сводка всех интенсивностей, изменений температуры и механических показателей может быть экспортирована в виде файла CSV для справки. Программное обеспечение рассчитывает требуемую интенсивность в водных условиях (Isppa в воде), которую необходимо приложить для достижения желаемой интенсивности in situ.
    2. Нажмите на кнопки MTB, MTS и MTC в нижней области интерфейса, чтобы просмотреть срез с самой высокой температурой в мозге, коже и черепе. После завершения этапа теплового моделирования моделирование завершается.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Файлы будут автоматически сохранены в том же месте, что и образ T1-w.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Акустические файлы с окончанием <... FullElasticSolution_Sub_NORM.nii.gz> можно загрузить в Brainsight для визуализации наложения акустического поля в пространстве T1. Будут файлы только для состояния воды (с инфиксом "Вода" в имени файла) и файлы для состояний с присутствием ткани (без инфикса в имени файла). Следуйте инструкциям в примечании после шага 3.1, чтобы добавить наложение. После этапа теплового моделирования моделирование завершается, и эксперимент можно приостановить до сеанса доставки TUS.

figure-protocol-3
Рисунок 3: Акустическое моделирование с помощью BabelBrain. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-4
Рисунок 4: Тепловое моделирование с помощью BabelBrain. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

5. Сеанс доставки TUS

  1. Откройте Brainsight и нажмите « Открыть существующий проект». Выберите файл Brainsight, созданный и сохраненный во время построения траектории и карты.
  2. Нажмите « Сеансы », чтобы начать новый сеанс эксперимента. Нажмите на раскрывающийся список и выберите «Новый», а затем «Онлайн-сеанс». Щелкните имя целевого объекта , затем нажмите кнопку Добавить, и нажмите кнопку Далее , чтобы добавить целевой объект в сеанс эксперимента и перейти к окну эксперимента.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если доставка TUS выполняется с использованием компьютера, отличного от того, который использовался для планирования, Brainsight потребует выбора соответствующего образа T1-w. В этом случае откроется новое окно, в котором вам будет предложено выбрать связанное изображение участника T1-w из файла участника.
  3. Нажмите « Окно» и «Калибровка инструмента» и выберите инструменты, которые будут использоваться, а затем «Повторная калибровка».
    ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг должен быть выполнен для датчика и всех других инструментов, используемых во время экспериментальной сессии, таких как катушка TMS.
    1. Закрепите большой трекер катушки и калибровочный блок на преобразователе. Убедитесь, что камера может видеть реперные точки на обоих инструментах. Нажмите « Начать обратный отсчет калибровки » для повторной калибровки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сохранение калибровки гарантирует, что она останется неизменной в тот день экспериментов. Если этого не выполнить и компьютер выключится, то оборудование потребует повторной калибровки.
  4. Настройте преобразователь в соответствии с его процедурами настройки для эксперимента. Перед настройкой снимите трекер с датчика, чтобы он не был поврежден.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Описанная конфигурация предназначена для преобразователя H-317 с индивидуальным конусом связи.
    1. Соберите конус по мере необходимости, поместив пленку преобразователя между конусом и торцевой крышкой. Прикрепите конус муфты к фланцу датчика с помощью винтов, шайб и гаек, убедившись, что все затянуто и не было утечек.
    2. Заполните датчик деионизированной водой и подсоедините трубки от насоса к датчику, соединив трубку с маркировкой «IN» на «OUT» и «OUT» на «IN». Заткните отверстие для воды, одновременно нажимая кнопку «DRAIN» на насосе, чтобы сбросить давление.
    3. Переверните преобразователь вверх дном, чтобы изолировать пузырьки воздуха на пленке, затем поверните вверх, позволяя им выйти через трубку датчика с надписью «OUT». Повторяйте это до тех пор, пока не будут удалены все видимые пузырьки воздуха. Установите датчик так, чтобы его трубка «OUT» была наклонена вперед и в самой высокой точке, и оставьте с включенным насосом на 30 минут.
    4. Переверните датчик вверх дном, чтобы убедиться, что все пузырьки воздуха были удалены. Если некоторые из них остались, изолируйте пузырьки воздуха на пленке и поверните датчик, как и раньше, чтобы убедиться, что они выходят через трубку «OUT». Повторяйте до тех пор, пока все пузырьки не будут удалены.
    5. Выключите насос, отсоедините шланги и заблокируйте датчик в положении нейтрали. Снова прикрепите трекер к датчику и приступайте к настройке участника.
  5. Прикрепите трекер к голове участника с помощью очков, оголовья, расположенного над ушами и бровями (рис. 5), или легкого клейкого трекера. Убедитесь, что реперные точки ориентированы таким образом, чтобы они были видны камере и не блокировались и не задевались датчиком при движении к конечному положению или после его достижения.
    1. Поместите камеру перед участником, чтобы он мог видеть трекер объекта и указатель.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если они не видны, индикатор в левом нижнем углу экрана будет красным. Это также можно проверить, войдя во вкладку «Полярная звезда» в Brainsight.
  6. Перейдите на вкладку «Регистрация » в Brainsight. Поместите указатель на все четыре ориентира, установленные на шаге 3.6, стабилизируя его обеими руками, затем нажмите на «Образец и перейти к следующему ориентиру».
    ПРИМЕЧАНИЕ: Важно, чтобы оголовье или очки оставались плотно прилегающими к голове участника и чтобы трекер объекта не двигался. Если это произошло, выполните регистрацию еще раз. Если после завершения регистрации реперные точки должны быть повернуты для приспособления к перемещению преобразователя, повторите регистрацию.
  7. Перейдите на вкладку «Проверка », чтобы подтвердить регистрацию участника. Слегка расположите указатель в различных положениях вдоль кожи головы и убедитесь, что все точки находятся на расстоянии менее 3 мм.
    Примечание: Коммерческие нейронавигационные системы, созданные для TMS, используются для экспериментов с TUS на людях. Погрешность пересчета в 3 мм приемлема для калибровки ручного преобразователя37, так как она согласуется с точностью мишени38,39 и другими нейронавигационными системами40. Значение 3 мм встроено в программное обеспечение для нейронавигации Brainsight.
    1. Если какие-либо точки больше 3 мм, нажмите кнопку « Добавить », чтобы добавить дополнительные точки ориентира максимум на три точки. Если для достижения согласованной валидации менее 3 мм требуется более трех точек, повторите регистрацию.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для повышения успешности регистрации рекомендуется собирать МР-изображения без надевания на участника полноразмерных наушников, так как это может повлиять на реконструкцию изображения и затруднить регистрацию. Следите за тем, чтобы указатель располагался как можно ближе к ориентиру, прежде чем нажимать на кнопку «Образец и переход к следующему ориентиру», и убедитесь, что указатель стабилизирован обеими руками. Валидация дает уверенность в том, что среднее значение всех точек на поверхности кожи головы ниже порогового значения. Не продолжайте до тех пор, пока все случайные участки на коже головы не окажутся ниже порога в 3 мм.
  8. Закрепите голову участника с помощью упора для подбородка и стабилизатора, размещенного на затылке, чтобы предотвратить движение (Рисунок 5). Убедитесь, что они удобно сидят в кресле на протяжении всего эксперимента.
  9. Нажмите « Выполнить». С помощью механического манипулятора расположите преобразователь над интересующей целью вдоль выбранной траектории.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно потренируйтесь и ознакомьтесь с тем, как компоненты механической руки движутся, чтобы достичь цели. Успех в позиционировании механической руки достигается за счет понимания подвижности руки и знакомства с тем, как она движется относительно ориентации головы, поскольку это сильно зависит от местоположения цели.
    1. Используйте перекрестие в окне «яблочко», чтобы добиться правильного позиционирования и угла (рис. 6). Выровняйте оба круга (поступательный и вращательный) так, чтобы они располагались на перекрестии и ссылались на показания точности для проверки.
    2. Разделите волосы субъекта на пробор вдоль их естественной части и нанесите ультразвуковой гель, чтобы убедиться, что в волосах нет воздушных карманов. Если большая площадь требует сопряжения, нанесите ультразвуковой гель на пленку датчика. Заполните оставшиеся воздушные карманы дополнительным гелем для ультразвука с помощью шприца.
    3. Опустите преобразователь на соответствующую высоту, наблюдая, когда перекрестие находится в центре коробки, окружающей цель (Рисунок 6). Это укажет на то, когда будет достигнута соответствующая целевая глубина.
  10. Специально созданный скрипт Python использует результаты моделирования на шаге 4 для программирования блока из 128 усилителей и генерации звука через наушники (https://github.com/ProteusMRIgHIFU/TUSApp). При проведении эксперимента в режиме онлайн и/или двойным слепым экспериментом убедитесь, что маскирующий звук воспроизводится через наушники34,41 или нарастайте направление стимула и смещение в течение длительности пакета 42,43,44 в качестве метода уменьшения потенциальных эффектов искажения слуха.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе, если используется коммерчески доступное устройство, такое как преобразователь CTX-500, укажите интенсивность, которая была смоделирована в водных условиях, наряду с другими параметрами (PRF, продолжительность, рабочий цикл). Датчик H-317 использует специальный сценарий для запуска датчика; Таким образом, этот шаг опущен в данном документе.
    1. Сгенерируйте маскирующий звук в MATLAB для воспроизведения после начала доставки TUS. Звук во время симуляции стимуляции сочетает в себе непрерывную звуковую волну на частоте 250 кГц, прямоугольную волну с частотой 100 Гц, дискретизированную на частоте 48 кГц, со случайным шумом, который точно повторяет звук, производимый преобразователем. Во время TUS через наушники воспроизводится только случайный шум, так как звук, издаваемый преобразователем, также будет слышен объекту.
  11. После завершения доставки TUS удалите датчик, гель и трекер с головы участника перед любыми последующими экспериментальными процедурами.
  12. Чтобы очистить оборудование TUS, снимите трекер с датчика во избежание повреждения. Разберите датчик, сняв заглушку сверху и перевернув ее вверх дном, чтобы слить воду. Снимите конус муфты и разберите его, чтобы детали высохли на воздухе.
    1. Верните преобразователь в нейтральное положение и убедитесь, что все компоненты манипулятора плотно зафиксированы под углом 90° для хранения до следующего экспериментального сеанса TUS.

figure-protocol-5
Рисунок 5: Реперные точки для использования в нейронавигации. Очки (слева) и оголовье (справа) с прикрепленными реперными точками для отслеживания объекта. Голова субъекта фиксируется упором для подбородка и стабилизатором за головой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-6
Рисунок 6: Нейронавигационный экран Brainsight для локализации мишени во время сеанса доставки TUS для мишени первичной моторной коры (M1). Вращательные и поступательные индикаторы указывают экспериментатору, где расположить датчик над кожей головы и когда будет достигнут угол траектории. Точность до цели показывает, насколько близко поступательная и вращательная ориентация находятся к цели, и должна использоваться для точной настройки движения. Индикатор глубины показывает глубину фокусного пятна и должен использоваться для опускания датчика на соответствующую высоту. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Результаты

На рисунке 7 показаны сравнительные выборки сеансов из одного из наших исследований42, в которых участвовали два разных человека, использующих определенные ультразвуковые параметры (основная частота 250 кГц, длительность ультразвука 120 с, частота повторения импульсов (PRF) 100 Гц, скважность 10% и ISPPA 5 Вт/см²). В этом исследовании были получены МРТ-сканирования T1-, T2-w и ZTE с изотропным разрешением 1 мм у неврологически здоровых субъектов. ТМС была нацелена на первичную моторную кору (M1) для оценки влияния различных PRF TUS (10 Гц, 100 Гц и 1000 Гц) на возбудимость кортикоспинальных мышц в различные моменты времени до и после TUS (30 одноимпульсных измерений ТМС в каждой временной точке, как показано отдельными точками на рисунке). На рисунке 7 представлены результаты успешного эксперимента, демонстрирующие пролонгированный ингибирующий эффект после TUS (рисунок 7A), а также данные от участника, у которого не наблюдалось значительного эффекта (рисунок 7B). В предыдущих исследованиях TUS сообщалось, что у некоторых участников не наблюдаются какие-либо значимые эффекты, связанные с ультразвуковой стимуляцией45,46. Аналогичные результаты наблюдались в исследованиях с использованием TMS 47,48 и tDCS49,50, показывая, что методы NIBS не всегда приводят к ожидаемым эффектам. Это подчеркивает необходимость тщательного планирования и проведения экспериментов TUS на людях с использованием протоколов, подобных описанному, чтобы максимизировать шансы на достижение успеха эксперимента.

Исследование Zadeh et al.42 подчеркивает дифференциальные эффекты TUS, показывая, что PRF с частотой 10 Гц и 100 Гц могут вызывать длительные ингибирующие эффекты, в отличие от незначительного воздействия, наблюдаемого при PRF с частотой 1000 Гц. Важно отметить, что исследование демонстрирует, что PRF с частотой 100 Гц является наиболее эффективным, достигая длительного подавления MEP более чем на 60 минут. в отличие от 30-минутного подавления, достигаемого с помощью PRF с частотой 10 Гц. Могут быть использованы альтернативные методы оценки влияния TUS, такие как измерение SSEP или выполнения задачи, каждый из которых требует уникальной интерпретации результатов.

figure-results-1
Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), направленная на первичную моторную кору (M1), для оценки влияния различных частот повторения импульсов TUS (PRF) на кортикоспинальную возбудимость. TUS подавался на основной частоте 250 кГц, длительности ультразвуковой обработки 120 с, частоте повторения импульсов (PRF) 100 Гц, коэффициенте заполнения 10% и ISPPA 5 Вт/см2. Было зарегистрировано тридцать испытаний в каждый момент времени, на что указывают отдельные точки. Представленные результаты подчеркивают различия в медианной нормированной амплитуде MEP в течение 5 мин, 30 мин и 60 мин после воздействия TUS. Полосы погрешностей показывают межквартильный диапазон для испытаний в каждой временной точке. (А) Субъект демонстрирует успешные экспериментальные результаты, иллюстрирующие пролонгированные ингибирующие эффекты. (B) Субъект не оказывает существенного эффекта. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обсуждение

В этом методе проводится предметно-ориентированное моделирование для прогнозирования и оценки возможных тепловых и механических эффектов, возникающих в результате применения TUS к мозгу. Наборы данных между участниками должны быть разделены и тщательно задокументированы, так как использование неправильного сканирования или файла данных приведет к неточному моделированию. При сборе большого количества сканов участников и совместном планировании важно обеспечить надлежащую маркировку изображений и папок и соблюдать осторожность при сортировке и сохранении файлов.

Для точного выполнения моделирования череп должен быть правильно смоделирован, чтобы получить специфическое понимание акустических и геометрических свойств. Таким образом, BabelBrain требует завершения компьютерной томографии или сканирования ZTE; если ни то, ни другое недоступно, BabelBrain может использовать упрощенную маску кости черепа, полученную с помощью инструмента талисмана. Компьютерная томография предоставляет наиболее точную информацию о характеристиках черепа, чтобы предсказать, как ультразвук будет распространяться в мозге после контакта с черепом. Это достигается за счет использования вокселизированной информации о кости черепа, хотя оценка объема кости все еще трудно предсказать из-за ее неоднородного характера51. Тем не менее, в последнее время для определения акустических свойств черепа и выполнения моделирования TUS используются ультракороткие последовательности TE MRI, такие как сканирование ZTE. Разрешение и контрастность костных пикселей на изображении ZTE не так высоки, как на КТ; однако, по сравнению с упрощенными масками, полученными только на основе МРТ T1-w и T2-w, изображения ZTE по-прежнему обеспечивают улучшенную оценку нагрева с помощью моделирования52 TUS, имеющих прогнозы, аналогичные тем, которые были сделаны с помощью компьютерной томографии53. Использование сканирования ZTE в моделировании исключает любое ненужное воздействие радиации и дополнительное время, необходимое для получения рентгеновских изображений компьютерной томографии, поскольку последовательности ZTE могут быть добавлены к исходному сеансу сканирования МРТ. Тем не менее, протоколы ZTE не являются стандартным продуктом для большинства МРТ-сканеров, и необходимы дополнительные исследования для улучшения постобработки на основе ZTE для использования в моделировании TUS. Если изображения CT или ZTE недоступны, инструмент charm, используемый в BabelBrain, создает упрощенную маску из изображений T1- и T2-w для прогнозирования характеристик черепа. Сравнение симуляций, выполненных с помощью компьютерной томографии и упрощенной маски, показало минимальные различия в рулевом управлении (1,00 мм ± 1,3 мм) и механическом перемещении (направление X 0,2 мм ± 0,4 мм; направление y 0,1 мм ± 0,5 мм), необходимых для достижения цели, однако несколько отличающееся распределение интенсивности (длина фокуса 6% ± 8%; ширина фокуса 2,7% ± 2%; объем фокуса 10,4% ± 16%; пиковое давление -0,5% ± 15% для упрощенной маски относительно КТ)36. Это показывает, что компьютерная томография обеспечивает более точное моделирование; однако, если вы не можете использовать компьютерную томографию или сканирование ZTE, упрощенная маска достаточна для полного моделирования экспериментов с TUS на людях.

Методы картирования акустических свойств остаются необходимой областью исследований, поскольку прогнозирование скорости звука и затухания по изображениям КТ и МРТ все еще требует лучшего понимания и оптимизации рабочего процесса. Таким образом, остается оговорка о потенциальном отклонении тепловых или механических эффектов от того, что прогнозируется в моделировании. Моделирование акустических эффектов в BabelBrain достигается с помощью библиотеки с открытым исходным кодом BabelViscoFDTD54,55, которая позволяет моделировать как линейное компрессионное, так и поперечное прохождение волн. Эта модель была проверена по сравнению с несколькими другими моделями по положению, размеру и величине фокусировки, отличающимся менее чем на 10 % по фокусному давлению и менее чем на 1 мм по фокусному положению56. Таким образом, акустическое моделирование согласуется с другими имитационными моделями. Тепловые прогнозы более сложны и не были экспериментально подтверждены, поскольку МР-термометрия не может быть выполнена в черепе, а изменения температуры, как ожидается, будут очень небольшими, что создает источник неопределенности. Тепловое моделирование, используемое в BabelBrain, согласуется между статьями, решая уравнение передачи биотепла (BHTE) для моделирования нагрева черепа через моделирование тепловой диффузии, эффектов перфузии и акустической мощности36,51. Оценки теплового подъема с помощью моделей затухания и поглощения используются для прогнозирования эффектов в черепе с помощью TUS на основе другой опубликованной литературы57, что на сегодняшний день служит лучшей альтернативой для моделирования нагрева черепа. Как видно из описанных методов, пользователь указывает продолжительность ультразвукового исследования, время перерыва после ультразвука, рабочий цикл и желаемую пространственно-пиковую интенсивность пульса и средней интенсивности в состоянии мозга, параметры безопасности которых рассчитываются как функция выбора параметров. Поэтому пользователь должен проверить все используемые параметры, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям безопасности. Также было замечено, что различные нейронавигационные системы, используемые для позиционирования преобразователя над исследуемой областью, имеют ошибку регистрации мишени приблизительно 3 мм 38,58,59. Однако, в зависимости от используемой частоты и размера мишени, фокальное пятно может быть достаточно большим, чтобы покрыть цель, даже с погрешностью в 3 мм. Хотя это может быть ограничением, оно все же дает большее преимущество по сравнению с альтернативными навигационными системами из-за инвазивности методов стереотаксической локализации.

BabelBrain оптимизирует этапы планирования, необходимые для завершения экспериментов TUS на людях, поскольку он эффективен, прост в использовании и является единственным доступным инструментом планирования с открытым исходным кодом на сегодняшний день. Это обеспечивает прозрачность экспериментальных методов в опубликованной литературе, поскольку используемые сценарии находятся в открытом доступе. Описанный метод завершает этапы подготовки данных и обработки изображений, устраняя необходимость в настраиваемых сценариях или каком-либо внешнем сотрудничестве для запуска моделирования. Таким образом, это устраняет основной барьер для экспериментаторов, позволяя им завершать планирование и моделирование напрямую, а большему количеству лабораторий — успешно проводить эксперименты с TUS. В дополнение к проспективному планированию экспериментов, этот метод также имеет потенциальные применения при планировании кавитационно-опосредованной ФУС-терапии36, такой как открытие гематоэнцефалического барьера59. В целом, этот метод обеспечивает эффективный, оптимизированный подход к планированию и проведению экспериментов с TUS на людях и разработке TUS для использования в клинических условиях.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов, о котором можно было бы заявить.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана грантом Канадского совета по естественным наукам и инженерным исследованиям, программой INNOVAIT, Фондом медицинских исследований Камминга, Канадским фондом инноваций (проект 36703), грантом CAPRI Института мозга Гочкиса и финансированием Ассоциации Паркинсона Альберты. GBP выражает признательность за поддержку со стороны Канадского института исследований в области здравоохранения (FDN-143290) и программы Campus Alberta Innovates Chair.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
128-канальный усилительный блокImage Guided TherapyЭтот блок приводит в действие датчик H-317
24-канальная головная катушка 3D-принтерGeneral Electric
Raise3DPro2Толщина нити 1,75 мм.
МРТ-сканер 3TElectric Discovery 750 HDMR Консоль версия DV26.0_R05_2008
BabelBrainSamuel Pichardo (Университет Калгари)Версия 0.3.0Доступно в https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Выполняет тепловое и акустическое моделирование.
BlenderBlender Foundationверсии 3.4.1доступен в https://www.blender.org. Blender вызывается автоматически BabelBrain.
BrainsightRogueResearch Version 2.5.2Используется для идентификации целей, планирования траектории и выполнения сеансов доставки TUS.
Кресло и держатель для подбородка/головыRogue ResearchДля использования во время сеанса сдачи TUS для обеспечения устойчивости для оптимизированного наведения.
Изготовленный на заказ соединительный конускоманды Университета Калгари напечатална 3D-принтере конус из акрилонитрилбутадиенстирола (ABS), который требуется только для датчика H-317.
dcm2niixКрис Рорден (Университет Южной Каролины) Версия 1.0.20220720доступна в https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Используется для предварительной обработки объектных МР-изображений.
Реперные точки и оголовье или очкиBrainsight, Rogue Research ST-1325 (трекер предмета), LCT-583 (трекер с большой катушкой)Оголовье или очки могут быть взаимозаменяемыми.
НаушникиBeatsFit Pro True Wireless EarbudsБеспроводные Bluetooth-вкладыши с одноразовыми насадками.
MacBookProAppleM2 Max, 16", 64 ГБ ОЗУКомпьютер для завершения планирования траектории и моделирования
SimNIBSAxel Thielscher (Технический университет Дании)Версия 4.0.0Доступно в https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html
Шприц(ы)10 мл, 60 млИспользуется для добавления дополнительного ультразвукового геля для заполнения воздушных карманов.
ПреобразовательSonicconceptsH-317Другие поддерживаемые преобразователи включают CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Single element, H-246 (Sonicconcepts) и Bsonix (Brainsonix).
Windows LaptopAcerAspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 ГБ ОЗУСистема используется для управления 128-канальным усилителем и генерации звука через наушники
General

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Теги

Конвейер для планирования и проведения экспериментов по транскраниальной ультразвуковой нейромодуляции у человека
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.