Pipeline per la pianificazione e l'esecuzione di esperimenti di neuromodulazione ecografica transcranica nell'uomo

Riepilogo

La stimolazione ecografica transcranica (TUS) è una tecnica emergente di neuromodulazione non invasiva che richiede un'attenta pianificazione delle simulazioni acustiche e termiche. La metodologia descrive una pipeline di elaborazione delle immagini e simulazione ecografica per una pianificazione efficiente, facile da usare e semplificata per la sperimentazione TUS umana.

Abstract

La stimolazione ecografica transcranica (TUS) è una tecnica emergente di neuromodulazione non invasiva in grado di manipolare con elevata precisione sia le strutture corticali che quelle sottocorticali. La conduzione di esperimenti che coinvolgono l'uomo richiede un'attenta pianificazione delle simulazioni acustiche e termiche. Questa pianificazione è essenziale per regolare l'interferenza ossea con la forma e la traiettoria del fascio di ultrasuoni e per garantire che i parametri TUS soddisfino i requisiti di sicurezza. Vengono acquisite scansioni di risonanza magnetica (MRI) pesate in T1 e T2, insieme a risonanza magnetica (MRI) con eco a tempo zero (ZTE) con risoluzione isotropa di 1 mm, per la ricostruzione e le simulazioni del cranio. La mappatura del bersaglio e della traiettoria viene eseguita utilizzando una piattaforma di neuronavigazione. SimNIBS viene utilizzato per la segmentazione iniziale del cranio, della pelle e dei tessuti cerebrali. La simulazione della TUS viene proseguita con lo strumento BabelBrain, che utilizza la scansione ZTE per produrre immagini TC sintetiche del cranio da convertire in proprietà acustiche. Utilizziamo un trasduttore a ultrasuoni phased array con capacità di orientamento elettrico. Lo sterzo a Z viene regolato per garantire il raggiungimento della profondità desiderata. Nello strumento di pianificazione sono supportate anche altre configurazioni del trasduttore. Le simulazioni termiche vengono eseguite per garantire che i requisiti di temperatura e indice meccanico rientrino nelle linee guida acustiche per la TUS nei soggetti umani, come raccomandato dalla FDA. Durante le sessioni di consegna TUS, un braccio meccanico assiste nel movimento del trasduttore verso la posizione richiesta utilizzando un sistema di localizzazione stereotassica frameless.

Introduzione

Le tecniche di neurostimolazione non invasiva comunemente utilizzate includono la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) e la stimolazione magnetica transcranica (TMS). Tuttavia, entrambi hanno una profondità di penetrazione limitata e una bassa precisione ^1,2. Al contrario, l'ecografia transcranica (TUS) è una tecnica emergente non invasiva in grado di aumentare o sopprimere l'attività neuronale ^3,4,5 e di colpire le strutture corticali o sottocorticali con precisione millimetrica ^6,7

Protocollo

Tutti i metodi che prevedono l'uso di soggetti umani sono stati eseguiti in conformità con il Tri-Council Ethical Conduct for Research Involving Humans e il protocollo è stato approvato dal Conjoint Health Research Ethics Board (CHREB) dell'Università di Calgary. Tutti i soggetti hanno fornito il consenso informato scritto prima della partecipazione. I partecipanti umani dovevano essere adulti destrimani sani di età compresa tra i 18 e i 40 anni, disposti e in grado di completare una risonanza magnetica (MRI). I criteri di esclusione includevano anamnesi familiare di convulsioni, umore o disturbi cardiovascolari, traumi all'orecchio, dipendenza da alcol o droghe, uso ....

Discussione

In questo metodo, vengono eseguite simulazioni specifiche per soggetto per prevedere e valutare i possibili effetti termici e meccanici derivanti dall'applicazione della TUS al cervello. I set di dati tra i partecipanti devono rimanere separati e accuratamente documentati, poiché l'utilizzo di una scansione o di un file di dati errati porterà a simulazioni imprecise. Quando vengono raccolte numerose scansioni dei partecipanti e la pianificazione viene eseguita insieme, è importante garantire un'etichettatura corretta .......

Materiali

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