인간에 대한 경두개 초음파 신경조절 실험의 계획 및 실행을 위한 파이프라인

요약

경두개 초음파 자극(TUS)은 음향 및 열 시뮬레이션에 대한 신중한 계획이 필요한 새로운 비침습적 신경 조절 기술입니다. 이 방법론은 인간 TUS 실험을 위한 효율적이고 사용자 친화적이며 간소화된 계획을 위한 이미지 처리 및 초음파 시뮬레이션 파이프라인을 설명합니다.

초록

경두개 초음파 자극(TUS)은 대뇌 피질 및 피질 하부 구조를 매우 정밀하게 조작할 수 있는 새로운 비침습적 신경 조절 기술입니다. 인간과 관련된 실험을 수행하려면 음향 및 열 시뮬레이션을 신중하게 계획해야 합니다. 이 계획은 초음파 빔의 모양과 궤적에 대한 뼈 간섭을 조정하고 TUS 매개변수가 안전 요구 사항을 충족하는지 확인하는 데 필수적입니다. 두개골 재건 및 시뮬레이션을 위해 1mm 등방성 해상도의 제로 타임 에코(ZTE) 자기 공명 영상(MRI) 스캔과 함께 T1 및 T2 가중치를 획득합니다(또는 컴퓨터 단층 촬영 X선(CT) 스캔). 표적 및 궤적 매핑은 신경 항행 플랫폼을 사용하여 수행됩니다. SimNIBS는 두개골, 피부 및 뇌 조직의 초기 분할에 사용됩니다. TUS의 시뮬레이션은 ZTE 스캔을 사용하여 두개골의 합성 CT 이미지를 생성하여 음향 특성으로 변환하는 BabelBrain 도구로 이어집니다. 우리는 전기 조향 기능이 있는 위상 배열 초음파 변환기를 사용합니다. 목표 수심에 도달하도록 Z-스티어링이 조정됩니다. 다른 변환기 구성도 계획 도구에서 지원됩니다. 열 시뮬레이션은 온도 및 기계적 지수 요구 사항이 FDA에서 권장하는 인간 피험자의 TUS에 대한 음향 지침 내에 있는지 확인하기 위해 실행됩니다. TUS 전달 세션 동안 기계 팔은 프레임리스 정위 위치 파악 시스템을 사용하여 트랜스듀서를 필요한 위치로 이동하는 데 도움을 줍니다.

서문

일반적으로 사용되는 비침습적 신경자극 기술에는 경두개 직류 자극(tDCS) 및 경두개 자기 자극(TMS)이 포함됩니다. 그러나 둘 다 침투 깊이가 제한적이고 정밀도가 낮습니다 ^1,2. 대조적으로, 경두개 초음파(TUS)는 신경 활동을 강화하거나 억제할 수 있는 새로운 비침습적 기술입니다 ^3,4,5 밀리미터 정밀도로 피질 또는 피질하 구조를 표적으로 삼을 수 있습니다 ^6,7. 설치류 ^4,8,9, 토끼¹⁰, 양 ^5,11, 돼지⁶ 및 비인간 영장류 ^7,12,13,14

프로토콜

인간 피험자의 사용과 관련된 모든 방법은 인간과 관련된 연구에 대한 Tri-Council Ethical Conduct에 따라 수행되었으며, 프로토콜은 캘거리 대학의 Conjoint Health Research Ethics Board (CHREB)의 승인을 받았습니다. 모든 피험자는 참여 전에 정보에 입각한 서면 동의를 제공했습니다. 인간 참가자는 18세에서 40세 사이의 건강하고 오른손잡이 성인이어야 하며 자기 공명 영상(MRI) 스캔을 완료할 의지와 능력이 있어야 했습니다. 제외 기준에는 발작, 기분 또는 심혈관 장애의 가족력, 귀 외상, 알코올 또는 약물 의존성, 처방약 사용, 심박 조율기를 포함한 금속 임플란트, 임신, 심혈관 장애, 신경 또는 정신 장애의 병력, 연구자 및 연구 직원과의 의사 소통 불능, 법적 무능력 또는 제한된 법적 능력이 포함되었습니다. 아래에 설명된 프로토콜은 TUS 연구³⁵의 표준화된 보고에 대한 ITRUSST의 권장 사항을 따릅니다. 이 연구에 사용된 장비, 소프트웨어 및 필요한 웹 링크에 대한 자세한 내용은 자료 표에 나열되어 있습니다.

1. 고해상도 자기 공명 영상

1. 24채널 헤드/넥 코일....

토론

이 방법에서는 TUS를 뇌에 적용하여 발생할 수 있는 열적, 기계적 효과를 예측하고 평가하기 위해 대상별 시뮬레이션을 수행합니다. 참가자 간의 데이터 세트는 부정확한 시뮬레이션으로 이어질 수 있으므로 별도로 신중하게 문서화해야 합니다. 수많은 참가자 스캔이 수집되고 계획이 함께 수행되는 경우 이미지 및 폴더의 적절한 레이블을 확인하고 파일을 정렬 및 저장할 때 주의하여 진행하는 ?.......

자료

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