用于规划和执行人体经颅超声神经调控实验的管道

摘要

经颅超声刺激 （TUS） 是一种新兴的非侵入性神经调控技术，需要仔细规划声学和热模拟。该方法描述了图像处理和超声模拟管道，用于高效、用户友好、简化的人体 TUS 实验规划。

摘要

经颅超声刺激 （TUS） 是一种新兴的非侵入性神经调控技术，能够高精度地操纵皮层和皮层下结构。进行涉及人类的实验需要仔细规划声学和热仿真。此规划对于调整骨与超声束形状和轨迹的干扰以及确保 TUS 参数满足安全要求至关重要。获取 T1 和 T2 加权以及具有 1 mm 各向同性分辨率的零时间回波 （ZTE） 磁共振成像 （MRI） 扫描（或者计算机断层扫描 X 射线 （CT） 扫描）用于颅骨重建和模拟。使用神经导航平台进行目标和轨迹映射。SimNIBS 用于颅骨、皮肤和脑组织的初始分割。TUS 的模拟是通过 BabelBrain 工具进行的，该工具使用 ZTE 扫描生成头骨的合成 CT 图像，并将其转换为声学特性。我们使用具有电动转向功能的相控阵超声换能器。调整 Z 方向转向以确保达到目标深度。规划工具还支持其他传感器配置。运行热模拟以确保温度和机械指数要求符合 FDA 建议的人体 TUS 声学指南。在 TUS 交付过程中，机械臂使用无框架立体定向定位系统协助传感器移动到所需位置。

引言

常用的非侵入性神经刺激技术包括经颅直流电刺激 （tDCS） 和经颅磁刺激 （TMS）。然而，两者都具有有限的穿透深度和较低的精度 ^1,2。相比之下，经颅超声 （TUS） 是一种新兴的非侵入性技术，能够增强或抑制神经元活动 ^3,4,5 并以毫米级精度靶向皮质或皮质下结构 ^6,7。使用啮齿动物^4、8、9、兔子¹⁰、绵羊^5、11、猪⁶ 和非人灵长类动物^7、12、

研究方案

所有涉及使用人类受试者的方法均按照涉及人类的研究的三委员会道德行为进行，并且该协议已获得卡尔加里大学联合健康研究伦理委员会 （CHREB） 的批准。所有受试者在参与前均提供了知情书面同意书。人类参与者必须是年龄在 18 至 40 岁之间、愿意并能够完成磁共振成像 （MRI） 扫描的健康右撇子成年人。排除标准包括癫痫发作家族史、情绪或心血管疾病、耳外伤、酒精或药物依赖、使用处方药、包括心脏起搏器在内的金属植入物、怀孕、心血管疾病、神经或精神疾病史、无法与研究者和研究人员沟通，以及无法律行为能力或法律行为能力有限。下面描述的方案遵循 ITRUSST 关于 TUS 研究标准化报告的建议³⁵。材料 表中列出了本研究中使用的设备、软件和必要的 Web 链接的详细信息。

1. 高分辨率磁共振成像

1. 使用 24 通道头/颈线圈对参与者进行成像。
   注意：或者，该站点可用的最佳头/颈线圈足以获得解剖学 MRI。
2. 以 1 mm 的分辨率收集 T1 和 T2 加权 MR 图像以及零时间回波 （ZTE） 序列。
   注意：建议参与者在没有佩戴耳罩式耳机的情况下收集 MR 图像，因为它会影响图像重建并使后续的规划和实施步骤变得困难。相反，为了 MR 安全，建议参与者只戴耳塞。
   1. 对于 T1 加权成像，使用具有以下参数的 3D 反转....

讨论

在这种方法中，执行特定于主题的模拟以预测和评估将 TUS 应用于大脑可能产生的热和机械效应。参与者之间的数据集必须保持独立并仔细记录，因为使用不正确的扫描或数据文件会导致模拟不准确。当收集大量参与者扫描并一起执行规划时，确保正确标记图像和文件夹并在排序和保存文件时谨慎进行非常重要。

为了准确地执行仿真，必须对头骨进行正确建模，以获得对声学.......

材料

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