Pipeline pour la planification et l’exécution d’expériences de neuromodulation par ultrasons transcrâniens chez l’homme

Résumé

La stimulation par ultrasons transcrâniens (TUS) est une technique émergente de neuromodulation non invasive qui nécessite une planification minutieuse des simulations acoustiques et thermiques. La méthodologie décrit un pipeline de traitement d’images et de simulation d’échographie pour une planification efficace, conviviale et rationalisée de l’expérimentation TUS humaine.

Résumé

La stimulation par ultrasons transcrâniens (TUS) est une technique émergente de neuromodulation non invasive capable de manipuler les structures corticales et sous-corticales avec une grande précision. La réalisation d’expériences impliquant des humains nécessite une planification minutieuse des simulations acoustiques et thermiques. Cette planification est essentielle pour s’adapter à l’interférence osseuse avec la forme et la trajectoire du faisceau d’ultrasons et pour s’assurer que les paramètres TUS répondent aux exigences de sécurité. Des examens pondérés en T1 et T2, ainsi que des examens d’imagerie par résonance magnétique (IRM) par écho en temps zéro (ZTE) avec une résolution isotrope de 1 mm, sont acquis (tomographie assistée par ordinateur, rayons X (TDM)) pour la reconstruction et les simulations du crâne. La cartographie des cibles et des trajectoires est réalisée à l’aide d’une plateforme de neuronavigation. SimNIBS est utilisé pour la segmentation initiale du crâne, de la peau et des tissus cérébraux. La simulation de TUS est réalisée à l’aide de l’outil BabelBrain, qui utilise le balayage ZTE pour produire des images CT synthétiques du crâne à convertir en propriétés acoustiques. Nous utilisons un transducteur à ultrasons à réseau phasé avec des capacités de direction électrique. La direction en Z est ajustée pour s’assurer que la profondeur cible est atteinte. D’autres configurations de sondes sont également prises en charge dans l’outil de planification. Des simulations thermiques sont effectuées pour s’assurer que les exigences en matière de température et d’indice mécanique sont conformes aux directives acoustiques pour le TUS chez les sujets humains, comme recommandé par la FDA. Pendant les sessions d’administration TUS, un bras mécanique aide à déplacer le transducteur à l’endroit requis à l’aide d’un système de localisation stéréotaxique sans cadre.

Introduction

Les techniques de neurostimulation non invasive couramment utilisées comprennent la stimulation transcrânienne à courant continu (tDCS) et la stimulation magnétique transcrânienne (TMS). Cependant, les deux ont une profondeur de pénétration limitée et une faible précision ^1,2. En revanche, l’échographie transcrânienne (TUS) est une technique non invasive émergente capable d’améliorer ou de supprimer l’activité neuronale ^3,4,5 et de cibler les structures corticales ou sous-corticales avec une précision millimétrique

Protocole

Toutes les méthodes faisant appel à des sujets humains ont été mises en œuvre conformément à la Recommandation éthique de la recherche avec des êtres humains des trois Conseils, et le protocole a été approuvé par le Comité conjoint d’éthique de la recherche en santé (CHREB) de l’Université de Calgary. Tous les sujets ont fourni un consentement écrit éclairé avant de participer. Les participants humains devaient être des adultes droitiers en bonne santé âgés de 18 à 40 ans, désireux et capables de passer une imagerie par résonance magnétique (IRM). Les critères d’exclusion comprenaient des antécédents familiaux de convulsions, de troubles de l’humeur ou cardiovasculair....

Discussion

Dans cette méthode, des simulations spécifiques au sujet sont effectuées pour prédire et évaluer les effets thermiques et mécaniques possibles résultant de l’application de TUS au cerveau. Les ensembles de données entre les participants doivent rester séparés et soigneusement documentés, car l’utilisation d’un scan ou d’un fichier de données incorrect entraînera des simulations inexactes. Lorsque de nombreux numérisages de participants sont collectés et que la planification est effectuée ensemble,.......

matériels

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