Методологический протокол и аспекты транскраниальной ультразвуковой стимуляции в исследовательских клинических исследованиях на людях

Summary

Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) — это перспективная неинвазивная техника, способная стимулировать человеческий мозг на любой глубине, открывая новые терапевтические возможности для лечения различных неврологических заболеваний. Этот протокол предоставляет стандартизированную, но адаптивную эмпирическую основу для применения TUS у нейротипичных взрослых и пациентов с неврологическими заболеваниями, такими как инсульт.

Abstract

Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) становится неинвазивной нейромодуляторной техникой, способной обеспечивать миллиметровую точность стимуляции на глубинах всего мозга. Исследовательские усилия всё больше сосредоточены на её трансляционном потенциале. Обнадёживающие данные были опубликованы по нескольким популяциям заболеваний, включая болезнь Паркинсона и инсульт, что проложило путь для клинических применений TUS. Однако клинические исследования на сегодняшний день показывают значительную вариабельность фиксации на преобразователе, подходах таргетинга и акустических параметров. Это ограничивает интерпретируемость и сопоставимость результатов. Существующие методологические руководства рассматривают человеческую ТС в целом, но не сосредоточены на применении в неврологических популяциях. Этот экспериментальный протокол представляет стандартизированную, но адаптивную структуру для применения ТУЗ к неврологическим когортам, таким как инсульт. Он предлагает подробные рекомендации по: (1) необходимым и необязательным аппаратным компонентам в контексте терапевтически ориентированного ТУС; (2) аппаратные настройки и выбор параметров, включая стратегии минимизации слуховых затруднений; (3) процедуры калибровки и обеспечения качества, чтобы гарантировать, что преобразователь выдаёт формы волн в соответствии с указанием; (4) целенаправленные подходы, основанные на симуляционных или несимуляционных методах, для точной локализации фокуса/фокусов TUS в предполагаемой анатомической области(ях); (5) адаптация методологии для клинических популяций; и (6) показатели исхода для клинической ТУС, включающие оценки безопасности и суррогатные показатели, такие как кортикоспинальная возбудимость и обучение моторных последовательностей. Этот протокол разработан как воспроизводимый, модульный ресурс. Он охватывает как начинающих пользователей (ищущих практический вход в пациентскую TU), так и опытных исследователей (стремящихся соответствовать новым научным и методологическим стандартам). Цель — поддержать растущий клинический интерес к TUS и способствовать клинически переводимым, воспроизводимым и сопоставимым результатам между исследовательскими группами и пациентами.

Introduction

Уникальное и желательное сочетание — глубокий, фокальный и неинвазивный характер транскраниальной ультразвуковой^{стимуляции 1} (TUS) — вызвало растущий интерес к изучению её терапевтических возможностей при неврологических и нейропсихиатрических заболеваниях (например,^{инсульт 2}, болезнь^{Паркинсона 3},^{депрессия 4}, болезнь Альцгеймера⁵ и др.). Консенсус экспертов и рекомендации направлены на улучшение воспроизводимости и интерпретации исследований^{TUS 6,7}. Однако они в первую очередь касаются более широких фундаментальных исследований применения ТУЗ и дают меньше рекомендаций по изучению терапевтической значимости у людей. Например, при сравнении фундаментальных и клинических исследований TUS общая продолжительность стимуляции (TSD) существенно различается — часто до 80 секунд в фундаментальных исследованиях ^8,9 секунды против более 10 минут в исследовательских протоколах, разработанных для приближения клинического^{применения 2}. Такие различия подчёркивают необходимость индивидуальных рекомендаций при исследовательном применении TUS к неврологически заболевающей группе. Хотя этот протокол сосредоточен на TUS при инсульте, его структура широко применима как к другим группам пациентов, так и к нейротипичным взрослым.

TUS посылает волны давления к целевой ткани мозга для^{модуляции 7}. Основные аппаратные компоненты TUS включают генератор(ы) функций, усилитель, преобразователь и, особенно для расширенных TSD, установку^6-го преобразователя на головке. Генератор функций создаёт электрическую форму волны, определяющую исходящий образец давления, излучаемый преобразователем. Хотя некоторые генераторы функций могут генерировать пиковые напряжения, необходимые для преобразователей TUS, большинство требуют усилителя для усиления сигнала между генератором функций и преобразователем. Усилитель увеличивает амплитуду электрической сигнальной формы до уровня, необходимого для эффективной генерации ультразвука. Коммерчески доступные системы TUS часто интегрируют генератор функций и усилитель в один «под ключ», что позволяет напрямую подключаться к преобразователю. Преобразователь, обычно изготовленный из пьезоэлектрических материалов, преобразует электрические сигналы в механические вибрации для создания ультразвуковых волн. Хотя ручное удержание преобразователя возможно, этот подход трудоёмкий и подвержен ошибкам смещения, тогда как незначительное смещение может привести к полному неправильному нацеливанию заданной^{ткани 7}. Механическая рука с подбородком тоже используется и хорошо подходит для базовых исследований с относительно короткими TSD. Возможной альтернативой для исследовательской клинической ТС с TSD длительностью 10 минут является 3D-печать на креплении преобразователя с фланцами для надёжной фиксации ремня (рисунок 1), что позволяет сбалансировать стабильность положения с удобством использования в исследовательских клинических условиях и комфортом участника.

Рисунок 1: 3D-печатное крепление для трансдюсера TUS. Трансдьюсер транскраниальной ультразвуковой стимуляции с одним элементом (TUS) (центральная часть указывается красной стрелкой), размещённый в 3D-печатном креплении преобразователя (указано синей стрелкой) с верхними отверстиями (указанными зелёной стрелкой) для трекера инструментов нейронавигации, боковыми отверстиями (указанными коричневой стрелкой) для фиксации преобразователя TUS и трекера инструментов с помощью винтов, а также фланцами для фиксации на ремнях на головке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Опциональные аппаратные компоненты включают схему согласования электрического импеданса, измеритель мощности, осциллограф, нейронавигационную систему и термопару. Эти устройства соответственно помогают уменьшать электрические отражения для оптимизации передачи энергии, косвенно проверяя акустические выходы (измеритель мощности и осциллограф), обеспечивая пространственную точность и контролируя безопасность. Детали их реализации и методологические аспекты подробно изложены в разделах «Обсуждение» и «Протокол».

Оптимизация параметров транскраниальной ультразвуковой стимуляции — активная и развивающаяся область исследований, связанная с проектированием сигнала электрического привода. Вертикальная ось сигнала привода определяет амплитуду выходного давления преобразователя. Горизонтальная ось приводной сигнальной формы определяет время выхода давления преобразователя, которое можно разбить на несколько типов длительности и повторения. Используя номенклатуру, изложенную в руководящих принципах отчётности Международного консорциума по безопасности и стандартам транскраниальной ультразвуковой стимуляции (ITRUSST⁾¹⁰, параметры тайминга TUS организованы от самых коротких до самых длинных промежутков следующим образом: длительность рампы (RD) — это время, в течение которого выходное давление увеличивается от нуля до установленного максимума; длительность импульса (PD) — это длительность одного активного и непрерывного выхода давления; интервал повторения импульса (PRI) — это длительность между началом двух соседних PD, состоящая из одного PD и одного «времени выключения», в течение которого выход преобразователя равен нулю, а обратный коэффициент PRI — частота повторения импульсов (PRF); длительность импульсной поездки (PTD) — это продолжительность, в течение которой PRI повторяется; интервал импульсной поездки (ПТИ) — это длительность между началом двух соседних ПТД, состоящая из одного ПТД и одного межПТД-интервала, в течение которого выходной сигнал преобразователя равен нулю; Длительность повторения импульсного поезда (PTRD) — это продолжительность, в течение которой ПТИ повторяется.

Рисунок 2: Иллюстрация волновой формы TUS. Типичные транскраниальные ультразвуковые стимулирующие волны для потенциальной клинической эффективности. Номенклатура соответствует руководящим принципам отчетности^{ITRUSST 10}. RD, длительность рампы; PD, длительность пульса; PRI, интервал повторения импульса; PRF — частота повторения импульсов; ПТД — длительность импульсного поезда; PTI, интервал импульсной поездки; ПТРД, повторение импульсной поездки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2 иллюстрирует эти параметры времени. Таблица 1.1 содержит временные параметры в Huang et al., 2025², откуда выводится этот протокол, в соответствии с табличной формой, рекомендованной руководящими принципами ITRUSST¹⁰, а в таблице 1.2 указаны дополнительные параметры. Слуховые эффекты широко признаны как серьёзный фактор путаницы в экспериментах^{TUS 6,11}. Усиление сигнальной формы привода является наиболее используемым методом смягчения слуховых эффектов и, следовательно, считается основным методом смягчения в этом протоколе. Теоретически в начале и конце каждого активного выхода давления можно применять отдельные профили нарастания (например, PD, PTD, PTRD), но большинство исследований используют одинаковую симметричную PD, повторяющуюся на протяжении всей сессии стимуляции, что приводит к одному RD в сигнале привода. Рампинг реализуется с помощью оконных функций, которые определяют «форму» и «скорость» сигнала от нуля до установленного максимума, причём окно Тьюки является наиболее распространённым в^{литературе 10}. После контроля слуховых запутаний выбор параметров для вызова возбуждающего и тормозирующего эффекта остаётся предметом активных исследований и зависит от конкретного экспериментального вопроса. Выбор параметров в работе Huang et al., 2025², на основе которых был получен этот протокол, был основан на существующей^{литературе 12}, при этом PD был снижен с 0,36 мс до 0,2 мс для получения дополнительных запасов безопасности. Методологические аспекты были адаптированы из Legon и др., 2018,¹³. Эти отборы являются более детальным примером, чем предписывающим стандартом, отражая всё ещё исследовательскую стадию клинической ТУС. Обратитесь к соответствующей литературе для получения рекомендаций, адаптированных к специфическим гипотезам и целям исследования.

Калибровка преобразователя является важным аспектом TUS, а сканирование водяных баков представляет собой самый комплексный метод, доступный на сегодняшний день. Для систем TUS, не работающих под ключ, настоятельно рекомендуется провести начальное сканирование водяного бака для установления чувствительности передавателя, то есть связи между напряжением электрического привода в вольтах и исходящим давлением в Pascal. Системы под ключ часто оснащены заранее настроенными поставщиком параметрами, что может снизить необходимость в начальной калибровке, но проверка выхода преобразователя обеспечивает точную и качественную доставку TUS. Аналогично, хотя последующие калибровки можно минимизировать при необходимости, рекомендуется регулярно проводить проверки для повышения строгости исследования.

Проведение сканирования водяных баков обычно требует специального оборудования и обучения. Этот протокол даёт краткий обзор в Шаге 2 (на основе Chen и др., 2023,¹⁴). В качестве альтернативы процедура может быть передана на аутсорсинг в совместную лабораторию с соответствующими экспертами с подтверждением собрания всех необходимых параметров (шаг 2.7). Измерения с помощью измерителя мощности предоставляют простой и косвенный способ измерения выходной мощности преобразователя. После калибровки или характеристики производителя показания электросчётчика могут служить ориентиром для предварительного введения данных. Вариации выходной мощности подразумевают соответствующие изменения выходных давлений, что указывает на необходимость либо перекалибровки, либо корректировки сигнала привода для поддержания стабильной стимуляции.

Таргетирование TUS включает определение оптимального расположения преобразователя — как расположения, так и ориентации — для эффективной стимуляции интересующей ткани. Современный подход использует численное моделирование для определения оптимального расположения преобразователя (шаг 3 протокола), хотя это скорее один пример, чем окончательный стандарт. Альтернативно, ранее сообщаемый эмпирически метод, определяет место на коже головы, где транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) наиболее эффективно вызывает контралатеральные моторные реакции, и располагает преобразователь в этом месте так, чтобы его поверхность была перпендикулярна к коже^{головы 2,3} (Шаг 4). В принципе, этот подход, управляемый ТМС, можно распространить и на другие области мозга с идентифицируемым выходом, например, на видение фосфенов в зрительной коре. Однако для подтверждения широкой применимости такого подхода требуется больше данных и публикаций.

Показатели исхода клинической ТП включают как оценку безопасности, так и эффективности. Учитывая исследовательскую стадию клинической трансляции, выраженная эффективность пока не может быть выявлена стандартными клиническими методами. Поэтому индикаторы суррогатного ответа часто используются вместо показателей эффективности для выявления эффектов ниже клинической эффективности. Мониторинг безопасности может включать как онлайн, так и офлайн-оценки. Онлайн-безопасность можно отслеживать с помощью термопар, размещённых на коже головы во время стимуляции, что предлагает практический подход в клинической практике (Шаг 6.5). Для офлайн-безопасности этот протокол содержит инструкции по количественной оценке коэффициента видимой диффузии (ADC) (Step 8), так как ADC обычно используется для оценки целостности^{тканей 15}. Индикаторы суррогатного ответа варьируются в зависимости от целевого заболевания или области интереса. Для исследований моторного восстановления после инсульта будут описаны меры по контралатеральной кортикоспинальной возбудимости (CSE) и обучению моторной последовательности (MSL) (шаги 9-11), поскольку они обеспечивают надёжные нейрофизиологические и функциональные маркеры исследовательской клинической эффективности TUS.

В совокупности этот протокол предоставляет подробный, модульный и адаптивный пример для применения ТС как у неврологических, так и у нейротипичных взрослых, делая акцент на простоте использования и увеличенной продолжительности стимуляции. Протокол основан на основе Huang et al., 2025², где используется не готовая система привода, позволяющая настраивать форму импульсов и одноэлементный преобразователь. В пошаговой форме сначала представлен системно-независимый общий принцип, а при необходимости приводится системно-специфическая примерная реализация.

Protocol

Экспериментальные процедуры, представленные в Huang et al., 2025² , были одобрены Институциональным обзорным советом Дьюка и соответствуют недавно обновлённой Хельсинкской декларации. Получите информированное согласие каждого участника перед регистрацией.

ПРИМЕЧАНИЕ: Следуйте инструкциям, одновременно работая с аппаратным обеспечением и программным обеспечением для улучшения понимания и обеспечения точной реализации. Рисунок 3A показывает обзор всех этапов, на рисунке 3B показана схема принятия решений для выбора таргетирования на основе моделирования (Step 3) и несимуляционного (Step 4). Дополнительные материалы содержат образцы контрольных списков до и после TUS, охватывающих право на получение согласия, проверку безопасности, контроль качества оборудования TUS и мониторинг неблагоприятных событий.

1. Проверка согласия и безопасность

1. Критерии включения: i) 21 год ≥ любой расы или пола, ii) первый ишемический или геморрагический инсульт более месяца назад, iii) проявлен с односторонней слабостью конечности и имел шкалу верхних конечностей Фугля-Мейера ≤ 62 (максимальный балл = 66), и iv) паретический абдуктор pollicis brevis (APB) имеет моторные вызванные потенциалы (MEP), которые могут быть вызваны с помощью TMS. Критерии исключения: i) функции рук, затронутые любым сопутствующим неврологическим расстройством(ами), ii) задокументированы тяжелая деменция до начала инсульта, независимо от статуса медикаментов, или iii) любые противопоказания к магнитно-резонансной томографии (MRI⁾¹⁶/^{TMS 17}/TUS¹⁰.
2. Информируйте каждого участника о целях исследования, основных процедурах и связанных с ними рисках. Ответьте на любые вопросы или опасения, которые они могут выразить, а затем попросите их подтвердить понимание процесса согласия, подписав форму согласия.
3. Опросите каждого участника с помощью контрольного списка безопасности^{TUS 18} и^{TMS 17} . Исключайте участников, которые не соответствуют всем требованиям безопасности.

2. Характеристика преобразователя ^{TUS 14}

ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните шаги в этом разделе для получения первоначальной характеристики нового TUS-преобразователя или, с регулярными интервалами, подтверждения/калибровку соотношения входного напряжения и выходного акустического давления преобразователя. Рисунок 4 показывает экспериментальную установку для характеристики TUS-преобразователя на основе водяного резервуара.

1. Наполните водяной бак дегазированной, деионизированной водой, чтобы предотвратить возможные повреждения гидрофона.
2. Закрепите ультразвуковой датчик на светильнике водяного бака, а гидрофон — на трёхосевой системе позиционирования.
3. Подключите гидрофон к осциллографу и включите питание гидрофона только после полного погружения в воду.
4. Приводите в действие преобразователь с помощью генератора функций и радиочастотного усилителя мощности только после полного погружения преобразователя в воду и включения гидрофона.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что входная электрическая форма сигнала содержит не менее 5 циклов для каждого импульса (то есть PRI и PTI) для стабилизации выхода преобразователя.
5. Разместить наконечник гидрофона в визуально определённой приблизительной фокальной области ультразвукового датчика с помощью трёхосевой системы позиционирования, просканировать гидрофон по водяному баку в местах возможного первичного давления, записать показания осциллографа в каждом месте для получения акустического распределения давления и зафиксировать гидрофонное место, где находится фокальная область.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рассчитайте акустическое давление с использованием чувствительности гидрофона (то есть мВ/МПа) и показаний осциллографа электрического сигнала, записанного гидрофоном.
6. Оценить чувствительность ультразвукового преобразователя (то есть выходное давление преобразователя при амплитуде входного напряжения от пика к пику, кПа/_{В PP}) в фокусной точке, применяя различные входные напряжения.
7. Убедитесь, что чувствительность передатчика (кПа/_{В PP}) преобразователя, фокальная глубина преобразователя (мм) и ширина пучка ультразвукового пучка (мм) -6 дБ собираются при передаче характеристики преобразователя в совместную лабораторию с соответствующими знаниями. Фокальная глубина определяет максимальную глубину проникновения, при которой потенциально терапевтическая энергия может эффективно доставляться в целевую область мозга. Ширина луча ультразвукового поля -6 дБ определяет латеральный размер фокальной области, тем самым определяя эффективный объём лечения в ткани мозга.

3. Таргетирование TUS на основе симуляции (рекомендуется, требуется сканирование участников)

ПРИМЕЧАНИЕ: Симуляционное таргетирование TUS требует заранее определённого внутричерепного расположения для стимуляции. Такой выбор целей является специфическим для исследования, и часто используемые методы включают анатомические подходы на основе атласов МРТ и функциональные подходы, основанные на индивидуальных данных активации функциональной^{МРТ 7}, а также таргетинг, ориентированный на^{связность 19}. Выберите метод, подходящий для исследования и гипотезы, и следуйте соответствующей^{литературе 7,19} для определения внутричерепной цели. Далее следуйте следующим шагам, чтобы получить размещение трансдьюсера TUS для стимуляции внутричерепной мишени.

1. Реконструировать сегментированную модель головки из МРТ — пример реализации: установите программное обеспечение для моделирования электрического поля (e-поле) (см. таблицу материалов), если оно ещё не установлено, и откройте терминал в папке структурного МРТ-сканирования участника. Запустите CHARM-конвейер программного обеспечения^{e-field 20} , введя charm ParticipantID ./ParticipantID_T1.nii.gz и нажав Enter/ return на клавиатуре. Если доступен T2, вместо этого можно запустить чарм ParticipantID ./ParticipantID_T1.nii.gz ./ParticipantID_T2.nii.gz . Обратите внимание на пробелы и точки в приведённых выше командах. В зависимости от типа клеммы передний слэш (/) может потребоваться заменить на задний слэш (\).
2. Проверьте результаты сегментации, особенно для поражения (если он есть) и черепа — пример реализации: проверьте результаты сегментации CHARM, открыв charm_report.html в созданной папке m2m_ParticipantID и кликнув на просмотрщик для перемещения по срезам. Особенно подтвердите контур корковых и трабекулярных костей, мозга (серые и белые вещества) и кожи головы, так как программное обеспечение для таргетирования^{TUS 21} (см. таблицу материалов) использует преимущественно именно это. Следуйте руководству программного обеспечения e-field, чтобы вручную редактировать модель головки, если сегментация неудовлетворительна.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для участников с поражением, таким как инсульт, программное обеспечение e-field позволяет индивидуально определить границы поражения и, следовательно, назначить их по отдельной сегментации. Однако программное обеспечение TUS, начиная с версии 4.3, пока не смогло распознавать пользовательские сегменты из программного обеспечения e-field. Поэтому, когда поражение присутствует, достаточно лишь убедиться, что очертания указанных типов тканей правильны и не затронуты поражением.
3. Настройка для интракраниального определения цели — пример реализации: нажмите New SimNIBS Project... в нейронавигационном программном обеспечении (см. таблицу материалов) и выберите .msh файл в папке m2m.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Версия 2.5.9 нейронавигационного программного обеспечения использовалась для подробного описания этого и последующих шагов, но эти шаги применимы к версиям с 2.5.9 по 2.5.3.
4. Настройка для физической регистрации головы в МРТ — пример реализации: нажмите Configure Landmarks... Во вкладке «Ориентиры » разместите ориентиры на кончике носа, насион и лево/правый супратрагический вырез, затем сохраните файл проекта.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Ориентиры для этого этапа должны быть там, где кожа не сжимается и не растягивается во время МРТ. Выбирайте ориентиры, отличные от указанных выше, в зависимости от того, как их участники сделали МРТ.
5. Определите внутричерепную цель и загрузите её в программное обеспечение TUS — пример реализации: Hit Configure Targets... во вкладке Targets и переведите Scalp & Targets, Inline & Targets, Inline 90 & Targets для просмотра. Левый клик по задуманному фокусу TUS внутри мозга, проецируйте смещённый курсор на кожу головы с помощью слайдера Crosssights Offset внизу справа, сдвините слайдер AP справа, чтобы минимизировать расстояние от кожи головы до целевого расстояния в Inline и Targets, затем сдвините ползунок широты , пока виртуальный преобразователь не станет касальным к коже головы в Inline 90 и Targets. В выпадающем меню Новое (верхний левый угол окна) выберите Траекторию , чтобы сохранить это положение. В левом нижнем углу окна переключите fUS, выберите папку с результатами, затем нажмите Compute Simulation , чтобы вызвать программное обеспечение TUS.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Внимательно проверьте, есть ли анатомическая синусовая или воздушная полость вдоль траектории, созданной на этом этапе. Если да, выберите следующую лучшую траекторию, избегая синуса/полости.
6. Инициализация программного обеспечения TUS — пример реализации: Убедитесь, что автоматически заполненные записи в программном обеспечении TUS в разделе Imaging Input корректны, кроме теплового профиля, выберите используемый преобразователь («Single» означает одноэлементный преобразователь) и, если доступно более одного вычислительного бэкенда, выберите нужный вычислительный бэкенд. Далее нажмите Выбрать тепловой профиль ... чтобы загрузить правильный .yaml-файл, описывающий временной паттерн движения сигнала TUS. Обратитесь к документации программного обеспечения TUS, ориентированного на создание этого .yaml-файла. Например, файл .yaml для временного паттерна TUS в Huang et al., 2025² будет
   BaseIsppa: 8,0 # Ш/^{см 2}
   AllDC_PRF_Duration: #All комбинации тайминга, которые будут учитываться
   - DC: 0,2
   PRF: 1000.0 #Hz
   Продолжительность: 0,5 #s
   DurationOff: 1.0 #s
   Повторений: 480
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот пример предназначен только для иллюстрации. 480 повторений было бы слишком чрезмерно для программного обеспечения TUS, чтобы это вычислило. Этот файл .yaml влияет только на тепловое моделирование программного обеспечения TUS и не влияет на его акустическую симуляцию, тогда как акустическая симуляция является единственным компонентом, на котором основывается TUS-наведение. Для длительного TUS используйте программное обеспечение TUS для целеуказания, а не тепловое моделирование. Используйте открытое программное обеспечение для акустического моделирования (см. Таблицу материалов) для теплового моделирования долгосрочных парадигм. Обратитесь к документации для оценки повышения температуры, совокупных эквивалентных минут при температурной дозе 43 °C (CEM43) и теплового индекса, что гарантирует, что выбранные параметры соответствуют рекомендациям по биофизической безопасности Управления по контролю за продуктами и лекарствами^{(FDA) 22} и^{ITRUSST 18} .
7. Получите тканевые маски и входные параметры для акустического моделирования — пример реализации: нажмите CONTINUE , чтобы перейти к шагу 1 — вычислить маску и выбрать правильную частоту US (кГц) (то есть основную частоту преобразователя) и желаемую PPW (то есть точки на длину волны). 9 PPW обеспечивает стабильные и точные результаты, но несёт большую вычислительную нагрузку, а стандартный 6 PPW — это минимум программного обеспечения TUS, который балансирует быстрые вычисления, стабильность и точность. Нажмите «Рассчитать маску планирования». После завершения вычислений проверьте выходную маску, чтобы убедиться, что кожу головы, кости и мозг промаркированы с нужной точностью.
8. Характеристики вводных преобразователей и запуск TUS-таргетинга — пример реализации: нажмите Step 2 - Ac Sim. Если Single был выбран на шаге 3.6, введите Фокусное расстояние (мм) и Диаметр (мм) преобразователя, введите расстояние между кожей головы и плоскостью выхода преобразователя (из-за соединения, таких как гель или гель-прокладка) на расстоянии Tx к коже (мм) и введите максимальную глубину за пределы цели (мм). Эта глубина — пространство за пределами предполагаемой цели для симуляции. В большинстве случаев достаточно стандартных 40 мм, но если цель находится над костной тканью, увеличение этой глубины гарантирует учёт отражения. После перечисленных вводных данных нажмите Вычислить поля, дождитесь завершения вычисления, затем нажмите Вычислить механические корректировки, затем снова Вычислить поля . Проверьте полученный фокус TUS относительно цели с помощью двух горизонтальных ползунков. Если фокус недостаточно близок к цели, повторяйте механическую корректировку, рассчитывайте действие поля до допустимого расстояния фокус-цель (рисунок 5A).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обратитесь к документации программного обеспечения TUS для типов преобразователей, отличных от Single.
9. Сохраните вычислительно оптимизированную цель TUS — пример реализации: закройте программное обеспечение для наведения TUS, чтобы вернуться к нейронавигационному ПО. Обратите внимание, что добавлена новая целевая траектория X-mod , где Траектория X — это имя, данное траектории, созданной на шаге 3.5. Это мишень для установки преобразователя во время TUS. Закройте окно «Цели » и сохраните текущий файл проекта.
10. ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги 3.1 - 3.9 должны быть выполнены до того, как участник придёт на TUS.

4. Таргетирование TUS, не основанное на симуляции (необязательное сканирование участников, применимо к доменам с читаемыми результатами TMS)

1. Инициализация нейронавигационного ТМС — пример реализации: нажмите New Empty Project и нажмите здесь, чтобы выбрать анатомический набор данных для выбора МРТ участника в программном обеспечении нейронавигации. Задействуйте проект New MNI Head Project, если структурное МРТ участника недоступно.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте выбранную нейронавигационную систему/программное обеспечение. Этот протокол использует нейронавигационное программное обеспечение в версии 2.5.9 (см. таблицу материалов) для иллюстрации репрезентативных процедур.
2. Пропустите этот шаг, если не используете МРТ участника. Реконструировать мозг и кожу головы из МРТ участников — пример реализации: перейдите на вкладку «Реконструкции », если используете МРТ участников, затем «Новая реконструкция»... выпадающее меню, выберите Skin и нажмите кнопку Compute Skin в открытом окне, чтобы восстановить кожу головы. Закройте окно скина, выпадающее меню New Reconstruction , выберите Full Brain Curvelinear, установите расстояние Slice на 0,5 мм в открытом окне и нажмите Compute Curvilinear. После реконструкции мозга отрегулируйте ползунок глубины Peel так, чтобы реконструированный мозг оказался открыт прямо на внешней поверхности коры, и закройте криволинейное окно мозга.
3. Пропустите этот шаг, если не используете МРТ. Настройка для физической регистрации головного МРТ — пример реализации: перейдите на вкладку Ориентиры , если используете МРТ, затем Configure Landmarks..., и разместите ориентиры на насионной и лево/правой супратрагических вырезах одним левым кликом на восстановленной голове и нажмите New в верхнем левом углу. Подтвердите расположение ориентира, проверив прицел на трёх снимках МРТ. При необходимости отрегулируйте прицел(ы) для точной настройки ориентира. Закройте окно регистрации ориентиров после того, как вы удовлетворите, и сохраните файл проекта.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги 4.1 - 4.3 должны быть выполнены до того, как участник придёт на TUS. Выбирайте ориентиры, кроме насиона, и лево/правый супратрагические отступы по мере необходимости. Хорошие ориентиры — это места, где кожа не сжимается или не растягается во время МРТ.
4. Пропустите этот шаг, если TUS используется для визуальной области. Подготовьтесь к записи электромиограммы (ЭМГ) — пример реализации: определите мышцу, представленную в целевом месте TUS, очистите кожу поверх интересующей мышцы спиртовыми салфетками, побрийте при необходимости и разрешении и примените электроды ЭМГ к животу и сухожилию мышцы. Прикладывайте другой электрод к соседней костной области, чтобы он служил эталоном.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Во время подготовки кожи будьте осторожны для участников, принимающих антикоагулянты.
5. Инициализация нейронавигационного TMS — пример реализации: перейдите во вкладку «Сеансы » в программном обеспечении нейронавигации, затем выберите «Новое... выпадающее меню», «Онлайн-сессия » для запуска нового окна сессии. В этом окне сессии перейдите на вкладку IOBox , в разделе опций TTL Trigger, проверьте правильный канал/переключатель, который получает триггерный сигнал от стимулятора TMS, и убедитесь, что мертвое время: установлено на 0 мс.
6. Пропустите этот шаг, если TUS используется для визуальной области. Настройка интегрированной нейронавигации-ЭМГ — пример реализации: для моторной области, если используется ЭМГ нейронавигационной системы, проверьте правильный канал Получить ЭМГ и введите Испытание: время, достаточное время, чтобы захватить ЭМГ от интересующей мышцы.
7. Подготовьте участника к нейронавигации — пример реализации: прикрепите трекер субъекта к участнику и обеспечьте стабильность. Перейдите на вкладку Polaris в нейронавигационном программном обеспечении и расположите камеру/участника так, чтобы зелёная точка (участник) находилась примерно в центре трёх голубых блоков (радиус обзора камеры).
8. Выполните физическую МРТ-регистрацию головы — пример реализации: перейдите на вкладку «Регистрация », сделайте один левый клик по ориентиру, стабильно разместите указатель нейронавигационной системы на соответствующую точку участника, при этом убедитесь, что и указатель, и трекер объекта видны камерой, и нажмите «Sample и Перейти к следующему ориентиру». Повторяйте, пока не будут отобраны все ориентиры.
9. Пропустите этот шаг, если используете МРТ участника. Масштабировать шаблон МРТ на физическую голову участника — пример реализации: если не используется МРТ участника, перейдите на вкладку «Масштабирование », стабильно разместите указатель на вершину скальпа участника и нажмите «Добавить ориентир». Повторите для самой внешней точки слева, справа, передней и затылка.
10. Проверьте регистрацию участника-МРТ и обновите при необходимости — пример реализации: перейдите на вкладку «Валидация », аккуратно проведите указатель на коже головы участника вокруг предполагаемой точки входа TUS/TMS и проверьте расстояние Crosssights <-> Skin distance, при этом ближе к нулю лучше (< 1 мм можно использовать как количественный операционный порог). Если отражённое расстояние считается неприемлемым, перейдите в раздел «Регистрация», «Очистить всё» и повторять шаги 4.8–4.9, пока не достигнут приемлемого расстояния.
11. Настройте окно нейронавигации — пример реализации: перейдите на вкладку Perform, откройте Bullseye (Coil Centric), Curvelinear Brain & Samples и Skin & Samples и установите Driver на правильную TMS-спираль. Если используете ЭМГ в нейронавигационной системе, включите также EMG и EMG Pod Recording .
    ПРИМЕЧАНИЕ: если хотите, используйте Bullseye (Target Centerric ) вместо Bullseye (Coil Centrric ).
12. Ищите расположение катушки TMS с откликами — пример реализации: используйте как криволинейный мозг, так и приблизительное положение на коже головы для получения начальных стартов, разместите катушку TMS в различных местах и ориентациях на коже головы, а также вводите отдельные импульсы TMS с^{интервалом в 10 секунд — 23} секунды. Если отклика отсутствует по всей анатомически разумной области, увеличьте мощность стимулятора.
    ПРИМЕЧАНИЕ: См. Таблицу материалов для моделей стимулятора и катушек TMS, а также аппаратного и программного обеспечения для получения ЭМГ. В качестве примера реализации EMG получила частоту дискретизации EMG 5000 Гц, пропускной фильтр 20–20000 Гц, выемочный фильтр 60 Гц, усиление 1000x, ручное отклонение артефактов и использовал алгоритм обнаружения MEP, описанный в Soda et al., 2020²⁴.
13. Используйте ответ, специфичный для домена, для определения целевого расположения катушки TMS — пример реализации: повторите шаг 4.12, пока не будет обнаружена реакция, то есть ЭМГ с выраженной амплитудой от пика к пику для моторной области (рисунок 6), и участники сообщают о достоверном видении фосфенов в визуальной области. Попадание => Цель и один левый клик по этому образцу в списке Мишени для выборки: чтобы сделать это положение и расположение катушки целью.
14. Получите дополнительные повторения на начальной цели TMS — пример реализации: Введите 2–3 дополнительных импульса при выравнивании по этой цели, разместив катушку так, чтобы три метрики, отображаемые в виде Bullseye (Coil Centric ) или Bullseye (Target Centrric ) были максимально близки к нулю. Запишите полученные ответы.
15. Проверьте реакции в расположениях рядом с начальной целью TMS — пример реализации: переместить катушку на ~7 мм от этой цели в первом квадранте в виде Bullseye (Coil Centric) / Bullseye (Target Centerric ), закрепить катушку в этом новом месте и направлении, провести ~3 импульса и записать полученные ответы. Повторите для остальных трёх квадрантов. Если не-центральная катушка дала более сильный средний отклик, чем центр, сделайте соответствующую выборку целью, кликнув по ней одним левым кликом в списке Recorded samples: list, => Target и одним кликом левой кнопкой мыши по этому образцу в разделе Targets to sample: list.
16. Повторяйте шаги 4.14 и 4.15, пока центр не получит самый сильный средний отклик среди него и его четырёх квадрантов. Соответствующая выборка этого центра будет целевым выборкой для TUS. Запишите этот номер образца и сохраните файл проекта.

5. Настройки TUS

1. Подключите аппаратное обеспечение TUS и запустите запись осциллографа — пример реализации: подключите генераторы функций, усилитель и осциллограф, как показано на рисунке 7A. Включите осциллограф, поставьте его в режим Run и настройте вертикальную и горизонтальную оси по интересующей шкале.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Наличие двух генераторов функций не всегда необходимо. Выбранные модели генераторов функций могут создавать формы волн с более чем одним уровнем управления частотой. Кроме того, аппаратное обеспечение, используемое в этом протоколе, уже совпадает по электрическим сопротивлениям. Резисторы должны быть соединены последовательно между усилителем и осциллографом, если электрическое сопротивление не является гарантированным.
2. Запустить и проверить сигнал привода, затем (для неготовых систем) запустить выходную мощность — пример реализации: переключить переключатель MAIN POWER усилителя с O на I. Установить выходную мощность усилителя до нуля, затем настроить генераторы функций на выбранную форму волны, чтобы добавить рампинг к началу и концу каждого PD. После проверки настроек обоих генераторов функции нажмите Output на верхнем генераторе, затем Output на нижнем генераторе, а затем поднимите выходную мощность усилителя до 100%, поворачивая колесо ADJUST и проверяя отображаемое значение Gain: после чего нажмите кнопку POWER усилителя, чтобы запустить его выход (рисунок 7B).
3. Проверьте форму сигнала привода и дайте системе стабилизироваться — пример реализации: убедитесь, что форма сигнала, наблюдаемая на осциллографе, соответствует желаемому результату, и дайте системе привода работать 15 минут (эмпирически полученный критерий для аппаратного обеспечения, указанного в таблице материалов), чтобы обеспечить стабильный выход (рисунок 7C).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выход стабилизирующего усилителя не связан с колебаниями напряжения. Это позволяет напряжению устояться в нужном диапазоне, например, чтобы V_PP снизился на 10–20% от исходного значения и поддерживал его на этом уровне, используя усилитель в этом протоколе (см. таблицу материалов). Разные приводные системы имели бы разное уменьшение/_{увеличение V PP} и разную продолжительность для обеспечения стабильного выхода. Эмпирически определите специфическое для системы поведение и длительность, необходимые для стабильного результата до того, как появится первый участник исследования.
4. Проверьте меры снижения слуховых эффектов на основе усиления. Проверьте форму сигнала привода в начале и конце каждого PD на предмет повышения мощности. Набирайте (или постепенно уменьшайте выход усилителя до нуля, полностью погружайте преобразователь в воду с выходной плоскостью (то есть стороной стимуляции) на расстоянии ~1 дюйма ниже поверхности воды и направленной вверх, затем увеличите (или постепенно увеличите) выходной сигнал усилителя до 100%. Неудачная реализация рампы приведёт к тому, что водяные шарики будут выбрасываться с поверхности воды, напоминая фонтан, тогда как успешное напускание вызовет рябь на поверхности воды без выхода бусин.
5. Калибровка TUS-преобразователя для нейронавигации — пример реализации: Закрепите трекер нейронавигационного инструмента к держателю преобразователя. В программном обеспечении для нейронавигации, в разделе Window «Калибровки инструментов», нажмите «Новая калибровка », чтобы создать новую калибровку для преобразователя TUS. Введите имя после имени калибровки: и выберите правильный трекер инструмента в разделе Tool tracker:. Придержите датчик, установленный с трекером инструмента, прижав к блоку калибровки, при этом опорный индикатор блока соприкасается и перпендикулярно к центру плоскости выхода преобразователя, нажмите Начать отсчёт калибровки, удержитесь на месте 5 секунд и убедитесь, что нейронавигационное обеспечение даёт Успех. Если нет, повторяйте это последнее действие, пока не будет увиден Успех . После завершения закройте окна Редактировать калибровку и Калибровку инструментов .
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для последующих применений замените действие «Новая калибровка » одним левым кликом по соответствующей калибровке в списке « Калибровка существующего инструмента » и нажмите «Перекалибровка».
6. Terminate TUS — пример реализации: нажмите кнопку POWER усилителя (не переключатель MAIN POWER ), чтобы выключить выход, когда участник готов к TUS, отключить осциллограф от усилителя и подключить преобразователь к выходу усилителя.

6. Проведение TUS

1. Пропускайте этот шаг, если используете цель, не основанную на симуляции. Загрузите цель TUS на основе симуляции в нейронавигацию и выполните регистрацию участника — МРТ (шаги 4.7-4.10) — пример реализации: перейдите во вкладку «Сессии » в программном обеспечении нейронавигации, если используете цель на основе симуляции, и участник готов к TUS, новому... выпадающему меню и онлайн-сессии для запуска нового окна сессии. Там, во вкладке «Цели», сделайте один левый клик по цели Trajectory X-mod и нажмите Add => , чтобы сделать её целью для этой сессии. Далее выполните точно шаги 4.7-4.10, затем перейдите на вкладку «Выполнить ».
2. Настройка нейронавигации для администрирования TUS — пример реализации: Откройте хотя бы Bullseye (Coil Centric ) или Bullseye (Target Centrric ) в окне Perform , установите Driver: на правильный TUS-преобразователь и выберите правильную цель в списке Targets to sample: в левом верхнем углу.
3. Подготовьте кожу головы участников для TUS-соединения — пример реализации: расчесать волосы максимально возможно, обнажая кожу головы в приблизительном месте для трансдюсера TUS, и таким образом создайте передне-заднюю линию пробора. Нанесите дегазированный ультразвуковой гель вдоль этой линии пробора, нанесите нажатие пальцами по центру вдоль естественного направления волос, чтобы лопнуть пузырьки воздуха и насытить волосы. В зависимости от размера преобразователя создайте 1-3 дополнительные линии раздела на расстоянии ~1,5 см с каждой стороны начальной линии разъединения и повторите вышеуказанные действия. Далее вернёмся к начальной линии разделения и повторяем вышеуказанные действия 4 раза.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг соответствует практической рекомендации^{ITRUSST 7}.
4. Соединить преобразователь TUS с участником — пример реализации: закрепить преобразователь TUS на головке участника и выровнять преобразователь с целью, корректируя его расположение так, чтобы три метрики, отображаемые в Bullseye (Coil Centric ) или Bullseye (Target-Centric), были максимально близки к нулю, при этом отклонения расстояния < 1,5 мм, наклон (танг + крена) < 2 градуса, а вращательные отклонения (рыскание) < 1 градуса могут использоваться в качестве количественных операционных критериев. Когда вы удовлетворяетесь размещением преобразователя, немного затяните ремешок. Убедитесь, что участник чувствует себя комфортно и не задыхается.
5. (Необязательно, но рекомендуется) Если требуется онлайн-оценка безопасности, вставьте термопару между преобразователем и кожей головы. Вводите внутри ультразвукового геля и, желательно, ближе к коже головы, а не к поверхности преобразователя. Вводите датчик ближе к одному краю преобразователя, а не через центр, чтобы ультразвуковая волна была минимально затронута при локальном мониторинге температуры кожи головы. Прикрепите термопару к головке, чтобы она оставалась на месте в случае движения головы. Используйте бумажный скотч для баланса между лёгкостью снятия и липкостью.
6. Запустите TUS и запишите начальное размещение преобразователя — пример реализации: нажмите кнопку POWER усилителя, чтобы включить его выход и, соответственно, TUS. Одновременно нажмите кнопку Sample Now в левом нижнем углу окна нейронавигационного программного обеспечения, чтобы записать первоначальное расположение преобразователя.
7. Записывайте расположение преобразователя по всему TUS и корректируйте по мере необходимости — пример реализации: нажмите Sample Now во время TUS по необходимости, чтобы зафиксировать размещение преобразователя. Внимательно следите за тремя метриками: Bullseye (Coil Centric ) и Bullseye (Target-Centric). Скорректируйте расположение преобразователя, если оно отклоняется от цели, что видно по трём метрикам, удаляющимся от нуля (рисунок 8).
8. Следите за температурой кожи головы при использовании термопары и вмешивайтесь, если показатель термопары приближается к 43,3 °C (110 °F⁾²⁵ или если участник сообщает о чрезмерном ощущении тепла.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот порог 43,3 °C (110 °F) предназначен для предотвращения ожогов на коже головы ≥^2-й степени. Внутричерепные тепловые дозовые пределы учитываются в рекомендациях по безопасности^{ITRUSST 18}, согласно которым тепловые эффекты считаются безопасными при выполнении любого из трёх условий: повышение температуры внутричерепной ≤ 2 °C в любой момент, тепловая доза ≤ 0,25 CEM43 или максимальное время воздействия в зависимости от температурного индекса (TI, 40 мин для 2,0 < TI ≤ 2,5, и 10 минут для 2,5 < TI ≤ 3,0). Проверьте рекомендации по безопасности ITRUSST для внутричерепных термических расчетов. TI обычно означает черепный TI (TIC) для большинства TUS¹⁸, но TI также определяется для мягких тканей (TIS) и костей в фокусе (TIB). Определите, насколько лучше всего подходит TIC, TIS или TIB данному сценарию.

7. Завершение TUS

1. Завершить TUS, проверить состояние участника и очистить кожу головы участника — пример реализации: нажмите кнопку POWER усилителя, чтобы отключить его выход и, соответственно, TUS. Снимите датчик и всё оборудование/установки, осмотрите кожу головы на покраснение и осмотрите участника на наличие дискомфорта или нежелательных эффектов. Убедившись, что нет дискомфорта или событий, или после ответа/решения вопросов, аккуратно протирайте гель от ультразвукового геля.
2. Завершение и экспорт данных нейронавигации — пример реализации: нажмите «Завершение » в окне нейронавигации и сохранение проекта по файлу и сохранению проекта. Выберите текущую сессию из списка Sessions: выберите Review, выберите текстовый файл Brainsight (.txt) из выпадающего меню Export... в нижнем левом углу открывающегося окна, убедитесь, что выбрана Ориентация (3 вектора направления), и Snap to: выпадающее меню — Ничего, настройте другие настройки по желанию и нажмите Сохранить , чтобы экспортировать записанное местоположение и ориентацию TUS во время стимуляции.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Не требуется отсутствие пробелов в каждом названии образца, но это хорошая практика.

8. Офлайн-оценка безопасности (необязательно, но рекомендуется)

1. Получить трёхмерную T1-намагниченную систему быстрого эхо-градиентного эхо, подготовленного с намагниченностью (MPRAGE) и последовательность диффузионного тензорного изображения (DTI) минимум. Изображения восстановления инверсии с ослаблённой жидкостью (FLAIR) с T2-взвешенным растворением с таким же разрешением, как MPRAGE T1, будут опциональными, но ценными, особенно для хода. Получите до и после TUS.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Выбирайте параметры нейровизуализации и сканер по желанию, этот протокол имеет T1 MPRAGE: изотропное пространственное разрешение 1 мм, TR 2400 мс, 3 мс TE и 900 мс TI; FLAIR: изотропное пространственное разрешение 1 мм, 5000 мс TR, 90 мс TE и 1806 мс TI; и DTI: двойное спин-эхо, эхо-планарные изображения, изотропное пространственное разрешение 2 мм, коэффициент b = 1000 с/^{мм 2} и толщина среза 2,5 мм. См. таблицу материалов для используемого сканера.
2. Преобразуйте сырые изображения в NIFTI (то есть в формате .nii), если не по умолчанию, используя выбранный метод. См. таблицу материалов , например, методы.
3. Отдельте 4D-образ DTI и получите маску мозга — пример реализации: установите программное обеспечение обработки^{DTI 26} , если оно ещё не установлено (см. таблицу материалов), запустите fslsplit на 4D-диффузионном NIFTI и сделайте ставку на полученный файл vol0000 для маски^{мозга 27}.
4. Корректируйте искажения, вызванные вихрьим током, в DTI-изображении — пример реализации: Создайте index.txt-файл из одной строки из N 1 с одним пробелом между ними (например, для N = 5 index.txt будет содержать только: 1 1 1 1 1), где N — количество значений в файле bval, и запустить ^{вихрь 28} с --imain, --mask, --bvecs, --bvals, --index, --acqp, --data_is_shelled, --repol и --out, где индексный текстовый файл является входом для --index, а одна строка текстового файла с пробелом и содержит 0, 1, 0, 0.08 (то есть 0 1 0 0.08) — вход для --acqp.
5. Пропустите этот шаг для нейротипичных взрослых. Определите поражение для маски поражения — пример реализации: используйте выбранный инструмент сегментации поражения или вручную нарисуйте на FLAIR маску поражения при изучении когорты с поражением, используйте T1, если FALIR недоступен, и сохраняйте маску как NIFTI.
6. Сегментировать анатомические изображения МРТ — пример реализации: установите программное обеспечение для обработки МРТ (см. Таблицу материалов), если оно ещё не установлено, запустите spm fmri в окне команды платформы программирования (см. таблицу материалов), нажмите кнопку Сегмент , выпадающее меню SPM , Инструменты, Клинические и MR segment-normalize для вызова окна сегментации. Введите T1 в анатомические данные, маски поражения в карты поражения (оставьте пустым, если это нейротипично), FLAIR в патологические сканирования и нажмите зелёный треугольник , чтобы начать^{сегментацию 29}.
7. Подогнать модель диффузионного тензора на изображение DTI с коррекцией вихрей для скалярного DTI-отображения — пример реализации: запустить dtifit³⁰ с включением опций --data, --out, --mask, --bvecs, --bvals и --verbose , где вход в --out в шаге 8.4 (вихревой шаг) является входом в --данные. Запустите fslsplit на 4D-диффузионном изображении после dtifit , чтобы создать новый vol0000.
8. Получить репрезентативное местоположение и ориентацию преобразователя во время администрирования TUS — пример реализации: использовать пользовательский скрипт или опубликованный^{конвейер 31} в текстовом файле из нейронавигационного ПО (шаг 7.2), импортировать это представление в нейронавигационное ПО вкладке Цели , Новое... выпадающее меню в верхнем левом углу, и Импортировать из файла... представления, один левый клик в списке Name , и нажмите Go to , чтобы убедиться, что он находится в разумном месте и в нужном положении.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что этот файл программного обеспечения для нейронавигации построен на основе изображения МРТ до TUS. Убедитесь, что местоположение и ориентация нейронавигационного программного обеспечения имеют координаты в том же пространстве, что и изображение МРТ, на котором проводится акустическая симуляция.
9. Получить область интереса (ROI) для ткани, стимулируемых TUS — пример реализации: Проведите акустическое моделирование, выполнив шаги 3.1 - 3.2 и 3.6 - 3.8. Выполните Calculate Fields один раз на шаге 3.8.
10. Выровнять анатомические сканирования до TUS и маски сегментов тканей от Step 8.6 до pre-TUS, скалярной карты DTI b0 (начиная с Step 8.7) — пример реализации: используйте coregister-est&reselice из программного обеспечения для обработки МРТ, где vol0000 — это эталон, pre-TUS T1 — источник, а файлы c1–c5 с Step 8.6 для pre-TUS вводятся в другие изображения. Выровняйте post-TUS, dtifit-ed vol0000 на pre-TUS, dtifit-ed vol0000 с помощью того же инструмента ( например, reference = pre-TUS, dtifited vol0000 и source = post-TUS, dtifit-ed vol0000), затем выровняйте маски post-TUS T1 и сегмента с шага 8.6 к любому из vol0000 аналогично.
11. Пересечь ROI, стимулируемый TUS (шаг 8.9), с масками серого и белого вещества для финального ROI для чтения ADC — пример реализации: Бинаризуйте маски серого и белого вещества, запустив fslmaths rc1_* -thr 0.5 -bin ID_GM.nii и fslmaths rc2_* -thr 0.5 -bin ID_WM.nii, объедините полученные маски, запустив fslmaths ID_GM.nii -add ID_WM.nii ID_WGM.nii, и получить пересечение этой комбинированной маски с симулируемым акустическим полем путём запускаf slmaths *_FullElasticSolution.nii.gz -mas ID_WGM.nii ID_roi_WGM.nii , где *_FullElasticSolution.nii.gz — результат моделирования из шага 8.9.
12. Наложите финальную маску ROI (шаг 8.11) и получите до- и пост-TUS АЦП — пример реализации: наложите этот ID_roi_WGM.nii на до- и пост-TUS dtifit-ed vol0000 в просмотрщике МРТ (см. Таблицу материалов), затем нарисуйте, описаю, запишите значение в MEDIAN и получите изменение после и до АЦП, вычислив (пост-пре)/пре-процент с помощью медиан до и после ТУС.

9. Оценка вариаций CSE, вызванных TUS,

Шаги в этом разделе являются модульными. Выполняйте их для оценки CSE на желаемой частоте и временных точках относительно TUS. Выбирайте частоту и временные точки, исходя из конкретного исследовательского вопроса. См. таблицу материалов для моделей стимулятора и катушек TMS, а также аппаратного обеспечения получения ЭМГ.

1. Оцените CSE на мышце, чья кортикальная представленность получает TUS, и выполните шаг 4.4 этой мышцы для подготовки электродов ЭМГ.
2. Выполните шаги 4.5-4.11 для подготовки нейронавигации.
3. Определите расположение и ориентацию спирали TMS, которая лучше всего стимулирует интересующую мышцу, то есть хотспоту.
   1. Используйте горячую точку TMS, полученную при несимуляционном таргетинге TUS, если таргетирование TUS не основано на симуляции — пример реализации: в программном обеспечении нейронавигации, в списке ниже «Цели для выборки:», один левый клик по образцу, дающему наиболее сильную реакцию ЭМГ, чтобы сделать его целью для нейронавигации.
      ПРИМЕЧАНИЕ: См. Таблицу материалов для моделей стимулятора и катушек TMS, а также аппаратного и программного обеспечения для получения ЭМГ. В качестве примера реализации EMG получила частоту дискретизации EMG 5000 Гц, пропускной фильтр 20–20000 Гц, выемочный фильтр 60 Гц, усиление 1000x, ручное отклонение артефактов и использовал алгоритм обнаружения MEP, описанный в Soda et al., 2020²⁴.
   2. Если назначение TUS основано на симуляции, выполните шаги 4.12 - 4.16 для определения горячей точки.
4. Определите порог двигателя в 1 мВ (MT_{1 мВ}) — пример реализации: Разместить выравнивание катушки TMS к полученной выше горячей точке, минимизируя три метрики, отображаемые в окне «мишень» (отклонения расстояния < 1,5 мм, наклонные отклонения (тангаж + крен) < 2 градуса и вращательные отклонения (рыскание) < 1 градуса), определить выходной выход стимулятора TMS, необходимый для получения 1 мВ МП, то есть MT_1mV, используя выбранный алгоритм (например,^{PEST 32}). Если 1 мВ MEP недостижим при 100% максимальном выходе стимулятора (MSO), определите процент MSO, необходимый для 0,05 mV MEP.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Процент MSO, необходимый для 0,05 мВ MEP, не составляет MT_1mV (см. шаг 9.5). Кроме того, при выполнении этого участка более одного раза этот шаг MT_1mV нужно определить только с первого раза, если только сам MT_1mV не выбран для использования в качестве глобальной меры CSE.
5. Подайте 20 одиночных импульсов TMS на MT_{1 мВ} с межимпульсным интервалом > 10^{с 23} секунды.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если MT_1mV недостижим, а_{MT 0,05mV} — возможно, используйте 100% MSO. Если и MT_1mV , и MT_0,05mV недостижимы, этот участник не будет иметь права на эту оценку CSE.

10. Оценка вариаций MSL, вызванных TUS

ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги в этом разделе модульные. Выполняйте их для оценки MSL на желаемой частоте и временных точках относительно TUS. Выбирайте частоту и временные точки, исходя из конкретного исследовательского вопроса.

1. Используйте программное обеспечение или язык выбора (см. Таблицу материалов для примеров) для создания задачи создания дискретной последовательности, где перед экраном компьютера размещается физическая клавиатура с пятью кнопками, показывающими пять горизонтально одинаковых пустых блоков размером 2 см x 2 см, выровненных с пятью кнопками клавиатуры. Пусть бусина появляется в одной коробке за раз, исчезает при нажатии соответствующей кнопки коробки и появляется в другом блоке. Пусть бусина появляется в пяти коробках без повторения, образуя последовательность появления, например, номер коробки 1-4-3-2-5. Пусть задание повторяет последовательность двенадцать раз. Создайте страницу приветствия перед началом задачи и пусть переходит с этой страницы на задачу, инициируемую нажатием любой клавиши. Имейте регистратор времени отклика, который отслеживает время, прошедшее между каждым появлением шарика и соответствующим нажатием кнопки. Пример псевдокода —
   boxes = [1, 2, 3, 4, 5]
sequence = [1, 4, 3, 2, 5]
repeats = 12
rt_log = []
print("Welcome! Press any key to begin.")
wait_for_any_key()
show_boxes() # draw empty boxes
for r in range(repeats):
  for target in sequence:
    show_bead(target) # bead in current box
    start = current_time()
    while True:
      key = wait_for_key()
      if key == target: # correct button
        rt = current_time() - start
        rt_log.append(rt)
        clear_bead()
        break
      else:
        continue # ignore wrong presses
print("Task complete. Thank you!")
save(rt_log, "results.csv")
   ПРИМЕЧАНИЕ: Количество кнопок/блоков и повторение последовательностей может варьироваться в зависимости от дизайна эксперимента. Учитываются уровень функции в интересующей когорте и баланс последовательностей между участниками, то есть количество участников должно делиться на количество возможных последовательностей. Интервал между исчезновением бусинок и следующим появлением, а также между концом одной последовательности и началом следующей, также зависит от дизайна эксперимента.
2. Пусть участник сидит с комфортной осанкой. Разместите клавиатуру в удобном положении паретической рукой участника.
3. Объясните участнику: «На экране будет пять блоков. В одной из коробок появится бусинка или круг. Когда вы видите бусину/круг, нажмите соответствующую клавишу рукой, затронутой ударом. Делайте это как можно быстрее, так как мы будем подбирать время, хорошо? Есть вопросы?»
   ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте упоминания «последовательности» в любой форме. MSL должен быть неявным обучением, чтобы он был мерой состояния моторной^{коры 33}. Упоминание «последовательности» увеличивает вероятность того, что участники будут индексировать каждый блок и явно запоминать последовательность, лишая MSL возможности оценивать состояние моторной коры.
4. Назначьте последовательность случайным образом участнику после ответа на любые вопросы, сообщите ему: «Вы можете нажать любую клавишу, чтобы начать, когда будете готовы.»
5. Следите за осанкой участника во время выполнения и вмешивайтесь при появлении признаков падения. В то же время, если участник использует другую руку или руку для помощи, напомните, что для этого следует использовать только паретическую руку.
6. Проверьте, хорошо ли участник выполняет задачу, уберите клавиатуру/экран, похвалите его за работу и выразите благодарность.

11. Анализ данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Общий анализ данных зависит от дизайна эксперимента. Ниже приведены инструкции по одной базовой единице измерения CSE/MSL вместе с простым, каноничным примером процентного сравнения после предварительного сравнения.

1. Анализ CSE
   1. Проверьте каждую дорожку EMG на наличие идентифицируемого MEP с задержкой начала не менее 19 мс (для APB), рассчитайте амплитуду от пика до пика между началом и смещением каждого MEP и вычислите медианную амплитуду от пика к пику для 20 MEP внутри блока. Эта медианная амплитуда будет мерой CSE для этого блока.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Начало латентности MEP зависит от мышцы, состояния мышц (в состоянии покоя или активности) и неврологических заболеваний, например, верхняя конечность: 10-40^{мс 34}; Нижняя конечность: 30-45 мс^{, 35,36}. Обратитесь к литературе, если интересующая мышца не является APB. Начало/смещение MEP можно определить с помощью порогового метода, описанного в Soda et al., 2020,²⁴.
   2. Получите процент изменений после пре-CSE, вычитая меру после CSE из до-CSE и разделив эту разницу на меру до CSE.
2. Анализ MSL
   1. Рассчитайте медиану времени отклика внутри каждого повторения последовательности, то есть медиану пяти нажатий кнопок, затем вычислите медиану из двенадцати медиан внутри повторения. Эта «медиана медианы» будет мерой MSL для этого блока.
   2. Получите процент изменения после MSL, вычитая измерительную после MSL из меры до MSL и деля эту разницу на меру до MSL.

Results

Симуляционное наведения TUS сначала вручную определяет начальное расположение преобразователя на основе близости к внутричерепной цели и перпендикулярности черепа, а также использует это начальное расположение и спецификации преобразователя для решения интракраниального акустического поля. Далее он вычисляет несоответствие между предполагаемой целью стимуляции и фокусом акустического поля, обновляет расположение преобразователя в обратном направлении от этого расхождения, решает акустиче...

Discussion

Существует значительный энтузиазм исследований по применению ТУЗ при неврологических заболеваниях; однако существует необходимость в повышении научной строгости и воспроизведении результатов. Успешное ТУЗ на целевой ткани зависит от нескольких критически важных этапов. Во-первых, необходимо правильно охарактеризовать чувствительность преобразователя. Варианты включают выполнение второго шага протокола, аутсорсинг сотруднику и использование услуг поставщика. Второй критический этап — это ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-принтер	UltiMaker	S3	Используется для изготовления крепления преобразователя.
3T МРТ-сканер	General Electric	Signa UHP
BabelBrain	Самуэль Пичардо (Университет Калгари)	Версия 0.4.3	В основном тексте называется «программное обеспечение для таргетинга TUS». Доступно по адресу https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/
Brainsight	Rogue Research		В основном тексте называется «программное обеспечение/система нейронавигации». Для использования для TUS/TMS нацеливания, комплектуется компьютером Mac, инфракрасной камерой и фидуциальным оборудованием.
EMG усилитель и аналогово-цифровой преобразователь	Cambridge Electronic Design Ltd	CED 1902,   MICRO4	Используется для приёма, усиления и оцифровки сигналов ЭМГ.
dcm2niix	Кристофер Рорден	V1.0.20250506	Для преобразования нейроизображений из DICOM в NIFTI. Доступно в https://pypi.org/project/dcm2niix/
E-prime	Программные инструменты для психологии	E-prime 3.0	В основном тексте упоминается как пример программного обеспечения для MSL. Используется для создания задачи создания дискретной последовательности.
Фидуциалы и оголовье	Rogue Research	ST-1275 (трекер объекта), LCT-494 (трекер больших катушек), P-1528 (указатель)	Используется вместе с Brainsight для нейронавигации.
FSL	Оксфордский университет		В основном тексте называется «программное обеспечение обработки DTI». Используется в необязательном, но рекомендуемом шаге 8 для обработки диффузионных изображений.
Генератор функций	Keysight Technologies	33210A	Генерировать сигнал привода для преобразователя TUS.
Гидрофон	Корпорация Onda	HNA-0400	Для измерения выходного давления от преобразователя.
ITK-SNAP	Лаборатория имидж-вычислений и науки Пенсильванского университета	ITK-SNAP 4.0	В основном тексте называется «МРТ-просмотрщиком». Доступно по адресу https://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php?n=Downloads.SNAP4
k-Wave	Брэдли Триби, Бен Кокс и Йири Ярош	K-Wave Версия 1.4	В основном тексте называется «открытым программным обеспечением для акустического симуляции». Доступно по адресу http://www.k-wave.org/
MATLAB	MathWorks Inc.	R2024b	В основном тексте называется «платформа программирования». Доступно по адресу https://www.mathworks.com/products/matlab.html
MRIcroGL	Инструменты и нейровизуализация Ресурсная коллаборатория	v1.2.20220720	Для преобразования нейроизображений из DICOM в NIFTI. Доступно в https://www.nitrc.org/projects/mricrogl/
MRIcron	Инструменты и нейровизуализация Ресурсная коллаборатория	v1.0.20190902	В основном тексте называется «МРТ-просмотрщиком». Доступно по адресу https://www.nitrc.org/projects/mricron
Осциллограф	Технологии SIGLENT	SDS 1202X-E	Используется для измерения входа TUS-преобразователя и записи гидрофонных измерений.
Python	Фонд программного обеспечения Python	Python 3.13	В основном тексте упоминается как пример языка для MSL. Используется для создания задачи создания дискретной последовательности.
RF-усилитель мощности	AR RF/микроволновые приборы	50A250	Используется для усиления выхода генераторов функций до амплитуды, необходимой преобразователю TUS.
Сигнал	Cambridge Electronic Design Ltd	Сигнал 7.05a (x86)	В основном тексте называется «программное обеспечение для получения ЭМГ». Используется для получения сигналов ЭМГ с аналогово-цифрового преобразователя на компьютер.
SimNIBS	Аксель Тильшер (Технический университет Дании)	Версия 4.5	В основном тексте называется «программное обеспечение e-field». Доступно по адресу https://simnibs.github.io/simnibs/build/html/index.html
SPM12	Лаборатория функциональной визуализации (Университетский колледж Лондона)		В основном тексте называется «программное обеспечение для обработки МРТ». Используется в необязательном, но рекомендуемом шаге 8 для обработки МРТ-изображений.
Стимулятор TMS и катушка	Magstim Inc.	BiStim2, 70 мм фигура восьмёрки	Используется для подачи импульсов TMS.
Преобразователь	Blatek Industries	AT32080
Крепление преобразователя	Команда Университета Дьюка		Крепление трандюсера на 3D-принтере из полиактиновой кислоты (PLA) и добавлено с тканевыми ремешками.
Гель для ультразвука	Лаборатории Паркера	Aquasonic 100	Применяется между трансдьюсером TUS и скальпом участника.
Водяной бак и система позиционирования по трёх осям	Корпорация Onda	Гидрофонная сканирующая система AIMS III	Индивидуализировано с компанией.