Pipeline für die Planung und Durchführung von transkraniellen Ultraschall-Neuromodulationsexperimenten am Menschen

Zusammenfassung

Die transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) ist eine aufstrebende nicht-invasive Neuromodulationstechnik, die eine sorgfältige Planung von akustischen und thermischen Simulationen erfordert. Die Methodik beschreibt eine Bildverarbeitungs- und Ultraschallsimulationspipeline für eine effiziente, benutzerfreundliche und optimierte Planung von TUS-Experimenten am Menschen.

Zusammenfassung

Die transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) ist eine aufstrebende nicht-invasive Neuromodulationstechnik, die in der Lage ist, sowohl kortikale als auch subkortikale Strukturen mit hoher Präzision zu manipulieren. Experimente mit Menschen erfordern eine sorgfältige Planung von akustischen und thermischen Simulationen. Diese Planung ist unerlässlich, um Knocheninterferenzen mit der Form und Flugbahn des Ultraschallstrahls zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass die TUS-Parameter den Sicherheitsanforderungen entsprechen. Für die Schädelrekonstruktion und Simulationen werden T1- und T2-gewichtete Ultraschalluntersuchungen mit Nullzeitecho (ZTE) und Magnetresonanztomographie (MRT) mit einer isotropen Auflösung von 1 mm (alternativ Computertomographie-Röntgenaufnahmen (CT)) aufgenommen. Die Kartierung von Ziel und Trajektorie wird mit Hilfe einer Neuronavigationsplattform durchgeführt. SimNIBS wird für die anfängliche Segmentierung des Schädel-, Haut- und Gehirngewebes verwendet. Die Simulation von TUS wird mit dem BabelBrain-Tool übertragen, das den ZTE-Scan verwendet, um synthetische CT-Bilder des Schädels zu erstellen, die in akustische Eigenschaften umgewandelt werden sollen. Wir verwenden einen Phased-Array-Ultraschallwandler mit elektrischer Lenkung. Die Z-Lenkung wird so eingestellt, dass die Zieltiefe erreicht wird. Auch andere Aufnehmerkonfigurationen werden im Planungstool unterstützt. Thermische Simulationen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Anforderungen an Temperatur und mechanischen Index innerhalb der von der FDA empfohlenen akustischen Richtlinien für TUS bei menschlichen Probanden liegen. Während der TUS-Verabreichungssitzungen unterstützt ein mechanischer Arm die Bewegung des Schallkopfs an die gewünschte Stelle mithilfe eines rahmenlosen stereotaktischen Lokalisierungssystems.

Einleitung

Zu den häufig verwendeten nicht-invasiven Neurostimulationstechniken gehören die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und die transkranielle Magnetstimulation (TMS). Beide haben jedoch eine begrenzte Eindringtiefe und eine geringe Präzision ^1,2. Im Gegensatz dazu ist der transkranielle Ultraschall (TUS) eine aufstrebende nicht-invasive Technik, die in der Lage ist, die neuronale Aktivität zu verstärken oder zu unterdrücken ^3,4,5 und auf kortikale oder subkortikale Strukturen mit Millimetergenauigkeit abzuziele....

Protokoll

Alle Methoden, bei denen menschliche Probanden verwendet werden, wurden in Übereinstimmung mit dem Tri-Council Ethical Conduct for Research Involving Humans durchgeführt, und das Protokoll wurde vom Conjoint Health Research Ethics Board (CHREB) an der Universität Calgary genehmigt. Alle Probanden gaben vor der Teilnahme eine schriftliche Einverständniserklärung ab. Von den menschlichen Teilnehmern musste es sich um gesunde, rechtshändige Erwachsene im Alter zwischen 18 und 40 Jahren handeln, die bereit und in der Lage waren, eine Magnetresonanztomographie (MRT) durchzuführen. Zu den Ausschlusskriterien gehörten Anfälle in der Familienanamnese, Stimmungs- oder Herz-Kre....

Diskussion

Bei dieser Methode werden fachspezifische Simulationen durchgeführt, um mögliche thermische und mechanische Effekte, die sich aus der TUS-Anwendung auf das Gehirn ergeben, vorherzusagen und zu bewerten. Die Datensätze zwischen den Teilnehmern müssen getrennt und sorgfältig dokumentiert werden, da die Verwendung eines falschen Scans oder einer falschen Datei zu ungenauen Simulationen führt. Wenn zahlreiche Teilnehmerscans gesammelt werden und die Planung gemeinsam durchgeführt wird, ist es wichtig, auf eine korrekt.......

Materialien

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