خط أنابيب لتخطيط وتنفيذ تجارب التعديل العصبي بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة في البشر

Summary

التحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) هو تقنية تعديل عصبي ناشئة غير جراحية تتطلب تخطيطا دقيقا للمحاكاة الصوتية والحرارية. تصف المنهجية خط أنابيب معالجة الصور ومحاكاة الموجات فوق الصوتية من أجل التخطيط الفعال وسهل الاستخدام والمبسط لتجارب TUS البشرية.

Abstract

التحفيز بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) هو تقنية تعديل عصبي ناشئة غير جراحية قادرة على التعامل مع كل من الهياكل القشرية وتحت القشرية بدقة عالية. يتطلب إجراء التجارب التي تشمل البشر تخطيطا دقيقا للمحاكاة الصوتية والحرارية. هذا التخطيط ضروري لضبط تداخل العظام مع شكل شعاع الموجات فوق الصوتية ومساره ولضمان تلبية معلمات TUS لمتطلبات السلامة. يتم الحصول على T1- و T2 ، جنبا إلى جنب مع التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) بالصدى في وقت الصفر (ZTE) بدقة الخواص 1 مم ، (بدلا من ذلك التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية (CT)) لإعادة بناء الجمجمة والمحاكاة. يتم تنفيذ رسم خرائط الهدف والمسار باستخدام منصة الملاحة العصبية. يستخدم SimNIBS للتجزئة الأولية للجمجمة والجلد وأنسجة المخ. يتم نقل محاكاة TUS باستخدام أداة BabelBrain ، والتي تستخدم مسح ZTE لإنتاج صور CT اصطناعية للجمجمة لتحويلها إلى خصائص صوتية. نحن نستخدم محول طاقة بالموجات فوق الصوتية صفيف مرحلي مع قدرات التوجيه الكهربائي. يتم ضبط التوجيه Z لضمان الوصول إلى عمق الهدف. يتم أيضا دعم تكوينات محول الطاقة الأخرى في أداة التخطيط. يتم تشغيل المحاكاة الحرارية لضمان أن تكون متطلبات درجة الحرارة والمؤشر الميكانيكي ضمن الإرشادات الصوتية ل TUS في البشر على النحو الموصى به من قبل إدارة الغذاء والدواء. أثناء جلسات تسليم TUS ، يساعد الذراع الميكانيكي في حركة محول الطاقة إلى الموقع المطلوب باستخدام نظام توطين تجسيمي بدون إطار.

Introduction

تشمل تقنيات التحفيز العصبي غير الغازية شائعة الاستخدام تحفيز التيار المباشر عبر الجمجمة (tDCS) والتحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS). ومع ذلك ، فإن كلاهما لهما عمق اختراق محدود ودقة منخفضة ^1,2. على النقيض من ذلك ، فإن الموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) هي تقنية ناشئة غير جراحية قادرة على تعزيز أو قمع النشاط العصبي^3،4،5 واستهداف الهياكل القشرية أو تحت القشرية بدقة^{ملليمتر 6,7}. أظهرت النماذج الحيوانية التي تستخدم القوارض^4،

Protocol

تم تنفيذ جميع الطرق التي تنطوي على استخدام الموضوعات البشرية وفقا للسلوك الأخلاقي للمجلس الثلاثي للبحوث التي تشمل البشر ، وتمت الموافقة على البروتوكول من قبل مجلس أخلاقيات البحوث الصحية المشتركة (CHREB) في جامعة كالجاري. قدمت جميع الموضوعات موافقة خطية مستنيرة قبل المشاركة. طلب من المشاركين من البشر أن يكونوا بالغين أصحاء ويستخدمون اليد اليمنى وتتراوح أعمارهم بين 18 و 40 عاما مستعدين وقادرين على إكمال فحص التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وشملت معايير الاستبعاد التاريخ العائلي للنوبات ، أو اضطرابات المزاج ، أو القلب والأوعية الدموية ، أو صدمة الأذن ، أو الاعتماد على الكحول أو المخدرات ، واستخدام الأدوية الموصوفة ، والغرسات المعدنية بما في ذلك جهاز تنظيم ضربات القلب ، ....

النتائج

يوضح الشكل 7 عينات جلسة مقارنة من إحدى دراساتنا⁴² ، تضم مشاركين متميزين يستخدمان معلمات محددة للموجات فوق الصوتية (التردد الأساسي 250 كيلو هرتز ، ومدة الصوتنة 120 ثانية ، وتردد تكرار النبض (PRF) 100 هرتز ، ودورة عمل بنسبة 10٪ ، و I_SPPA من 5 واط / سم²). في هذا البحث ، تم ا.......

Discussion

في هذه الطريقة ، يتم إجراء عمليات محاكاة خاصة بالموضوع للتنبؤ وتقييم الآثار الحرارية والميكانيكية المحتملة الناتجة عن تطبيق TUS على الدماغ. يجب أن تظل مجموعات البيانات بين المشاركين منفصلة وموثقة بعناية ، لأن استخدام مسح أو ملف بيانات غير صحيح سيؤدي إلى محاكاة غير دقيقة. عندما يتم جمع العد.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
128-channel amplifier unit	Image Guided Therapy		This unit drives the H-317 transducer
24-channel head coil	General Electric
3D printer	Raise3D	Pro2	Filament thickness of 1.75mm.
3T MRI scanner	General Electric	Discovery 750 HD	MR Console version DV26.0_R05_2008
BabelBrain	Samuel Pichardo (University of Calgary)	Version 0.3.0	Accessible at https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Executes thermal and acoustic simulations.
Blender	Blender Foundation	Version 3.4.1	Accessible at https://www.blender.org. Blender is called automatically by BabelBrain.
Brainsight	Rogue Research	Version 2.5.2	Used for target identification, trajectory planning, and execution of TUS delivery sessions.
Chair and chin/head holder	Rogue Research		To be used during TUS delivery session to ensure stability of participant’s head for optimized targeting.
Custom-made coupling cone	University of Calgary team		3D printed cone in acrylonitrile butadiene styrene (ABS), only required for H-317 transducer.
dcm2niix	Chris Rorden (University of South Carolina)	Version 1.0.20220720	Accessible at https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Used for pre-processing subject MR images.
Fiducials and headband or glasses	Brainsight, Rogue Research	ST-1325 (subject tracker), LCT-583 (large coil tracker)	Headband or glasses can be interchangeably used.
Headphones	Beats	Fit Pro True Wireless Earbuds	Wireless Bluetooth earbuds with disposable tips.
MacBookPro	Apple	M2 Max, 16”, 64GB RAM	Computer for completing trajectory planning and simulations
SimNIBS	Axel Thielscher (Technical University of Denmark)	Version 4.0.0	Accessible at https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html
Syringe(s)		10 mL, 60 mL	Used to add additional ultrasound gel to fill air pockets.
Transducer	Sonicconcepts	H-317	Other supported transducers include CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Single element, H-246 (Sonicconcepts), and Bsonix (Brainsonix)
Transducer film	Sonicconcepts	Polyurethane membrane	Interface between transducer and the subject
Ultrasound gel	Wavelength	Clear Ultrasound Gel	Coupling medium.
Windows Laptop	Acer	Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAM	System used to control 128-channel amplifier and generate sound through the headphones