Este trabalho foi apoiado em parte por um Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá Discovery Grant, o programa INNOVAIT, o Cumming Medical Research Fund, a Fundação Canadense para Inovação (Projeto 36703), o Hotchkiss Brain Institute CAPRI Grant e o Parkinson Association of Alberta Funding. A GBP reconhece o apoio dos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde (FDN-143290) e do Programa de Cátedra Inova do Campus Alberta.

TUS de alta precisão: planejamento e execução com simulações acústicas e térmicas

Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.

Neste método, simulações específicas do assunto são realizadas para prever e avaliar possíveis efeitos térmicos e mecânicos resultantes da aplicação de UST no cérebro. Os conjuntos de dados entre os participantes devem permanecer separados e cuidadosamente documentados, pois o uso de uma varredura ou arquivo de dados incorreto levará a simulações imprecisas. Quando várias digitalizações de participantes são coletadas e o planejamento é realizado em conjunto, é importante garantir a rotulagem adequada ...

As técnicas de neuroestimulação não invasivas comumente usadas incluem estimulação transcraniana por corrente contínua (ETCC) e estimulação magnética transcraniana (EMT). No entanto, ambos têm profundidade de penetração limitada e baixa precisão 1,2. Por outro lado, o ultrassom transcraniano (UST) é uma técnica não invasiva emergente capaz de aumentar ou suprimir a atividade neuronal 3,4,5 e direcionar estruturas corticais ou subcorticais com precisão milimétrica 6,7. Modelos animais usando roedores 4,8,9, coelhos10, ovelhas5,11, suínos6 e primatas não humanos 7,12,13,14 mostraram a eficácia e segurança do UST. Estudos demonstraram que o direcionamento de várias regiões do cérebro pode provocar movimentos dos membros8 em ratos, potenciais evocados somatossensoriais (SSEPs) em suínos6 e mudanças na atividade visuomotora12, tomada de decisão cognitiva e motivacional em primatas não humanos13 entre outras mudanças no comportamento. Em humanos, observou-se que o UST altera os potenciais evocados motores (MEPs) e o desempenho em uma tarefa de tempo de reação ao atingir o córtex motor primário15,16 e o desempenho alterado em uma tarefa de discriminação tátil e SSEPs ao atingir o córtex somatossensorial17 e o tálamo sensorial18. As análises histológicas não revelaram alterações estruturais macroscópicas ou microscópicas associadas ao UST em suínos6, ovelhas 5,11, coelhos10 e primatas não humanos14, e não foram observados efeitos colaterais que diferissem significativamente de outras técnicas de neuroestimulação não invasivas19.
O TUS usa ultrassom focalizado pulsado de baixa intensidade a uma frequência entre 200 kHz e 700 kHz para produzir um efeito neuromodulador transitório. A intensidade média típica do pulso de pico espacial (Isppa) in situ é de 10 W / cm2 ou menos, com ciclos de trabalho relatados (porcentagem de tempo em que o ultrassom está ligado) variando de 0,5% a 70% em humanos 20,21,22,23,24. Embora os mecanismos da neuromodulação do UST tenham sido propostos como envolvendo principalmente a agitação mecânica das membranas lipídicas levando à abertura dos canais iônicos25 , 26 , 27 , possíveis efeitos térmicos e de cavitação não podem ser ignorados. Eles são avaliados por meio de índices mecânicos (MI) e térmicos (TI). O IM descreve os bioefeitos previstos relacionados à cavitação que ocorrerão com o UST, enquanto o TI descreve o aumento potencial da temperatura dentro dos tecidos após a aplicação de ultrassom28,29. Além disso, alterar a frequência e a intensidade de entrada também faz com que o MI e o TI mudem. Frequências mais altas têm melhor resolução espacial e diminuem a probabilidade de bioefeitos mecânicos; no entanto, eles têm maior absorção no tecido, o que aumenta o potencial de aumento de temperatura28. Alternativamente, frequências mais baixas na mesma intensidade aumentam o IM. Da mesma forma, o aumento da intensidade tende a aumentar a magnitude dos bioefeitos mecânicos e térmicos30. É, portanto, imperativo que um planejamento e simulação cuidadosos sejam realizados antes das sessões de experimentação para todos os parâmetros do TUS que serão implementados.
O planejamento de um experimento de TUS requer a identificação do alvo e da trajetória de interesse e a realização de simulações térmicas e acústicas. As simulações auxiliam na otimização dos efeitos mecânicos e na mitigação dos efeitos térmicos do UST nos tecidos. Eles exigem a compreensão da previsão do aquecimento do crânio, amplitude de pressão do ultrassom no ponto focal, correção focal e outros aquecimentos dentro do crânio e da pele. A simulação adequada garante que o ponto focal atinja o alvo de interesse e os parâmetros de segurança para uso de ultrassom estabelecidos pelas diretrizes de segurança biofísica, conforme recomendado pelo International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)31, que são baseados nas recomendações da FDA e da Health Canada, são seguidos. Estudos recentes também destacaram um efeito de confusão auditiva acompanhado por UST 32,33,34 em animais e humanos, pelo qual a estimulação do UST pode ativar vias auditivas no cérebro para provocar respostas 32,33,34. A transecção dos nervos auditivos32, a remoção do líquido coclear32 ou a surdez química33 em roedores têm sido empregadas para diminuir esses efeitos em animais. Em humanos, a administração de um tom auditivo por meio de fones de ouvido tem sido usada para mascarar efetivamente o ruído auditivo do UST, controlando o confundimento da atividade auditiva induzida pelo UST34. Isso destaca a necessidade de controlar o ruído auditivo em condições de estimulação simulada, que deve ser incorporada ao planejamento, design e implementação do protocolo.
Aqui, apresentamos um guia sobre como concluir adequadamente a preparação (etapa 1, etapa 2), planejamento (etapa 3), simulações (etapa 4) e entrega de TUS (etapa 5) necessários para realizar o experimento de neuromodulação de TUS em humanos.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>128-channel amplifier unit</td>
			<td>Image Guided Therapy</td>
			<td></td>
			<td>This unit drives the H-317 transducer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>24-channel head coil</td>
			<td>General Electric</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>Raise3D</td>
			<td>Pro2</td>
			<td>Filament thickness of 1.75mm.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3T MRI scanner</td>
			<td>General Electric</td>
			<td>Discovery 750 HD</td>
			<td>MR Console version DV26.0_R05_2008</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BabelBrain</td>
			<td>Samuel Pichardo (University of Calgary)</td>
			<td>Version 0.3.0</td>
			<td>Accessible at https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain. Executes thermal and acoustic simulations.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blender</td>
			<td>Blender Foundation</td>
			<td>Version 3.4.1</td>
			<td>Accessible at https://www.blender.org. Blender is called automatically by BabelBrain.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brainsight</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td>Version 2.5.2</td>
			<td>Used for target identification, trajectory planning, and execution of TUS delivery sessions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chair and chin/head holder</td>
			<td>Rogue Research</td>
			<td></td>
			<td>To be used during TUS delivery session to ensure stability of participant&#8217;s head for optimized targeting.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom-made coupling cone</td>
			<td>University of Calgary team</td>
			<td></td>
			<td>3D printed cone in acrylonitrile butadiene styrene (ABS), only required for H-317 transducer.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dcm2niix</td>
			<td>Chris Rorden (University of South Carolina)&#160;</td>
			<td>Version 1.0.20220720</td>
			<td>Accessible at https://github.com/rordenlab/dcm2niix/releases. Used for pre-processing subject MR images.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiducials and headband or glasses</td>
			<td>Brainsight, Rogue Research&#160;</td>
			<td>ST-1325 (subject tracker), LCT-583 (large coil tracker)</td>
			<td>Headband or glasses can be interchangeably used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Headphones</td>
			<td>Beats</td>
			<td>Fit Pro True Wireless Earbuds</td>
			<td>Wireless Bluetooth earbuds with disposable tips.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MacBookPro</td>
			<td>Apple</td>
			<td>M2 Max, 16&#8221;, 64GB RAM</td>
			<td>Computer for completing trajectory planning and simulations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SimNIBS</td>
			<td>Axel Thielscher (Technical University of Denmark)</td>
			<td>Version 4.0.0</td>
			<td>Accessible at https://simnibs.github.io/simnibs/build/html.index.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe(s)</td>
			<td></td>
			<td>10 mL, 60 mL</td>
			<td>Used to add additional ultrasound gel to fill air pockets.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transducer</td>
			<td>Sonicconcepts</td>
			<td>H-317</td>
			<td>Other supported transducers include CTX_500 (NeuroFUS, Sonicconcepts), Single element, H-246 (Sonicconcepts), and Bsonix (Brainsonix)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transducer film</td>
			<td>Sonicconcepts</td>
			<td>Polyurethane membrane</td>
			<td>Interface between transducer and the subject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>Wavelength</td>
			<td>Clear Ultrasound Gel</td>
			<td>Coupling medium.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Windows Laptop</td>
			<td>Acer</td>
			<td>Aspire A717-71G, Intel Core i7-7700HQ, 16 GB RAM</td>
			<td>System used to control 128-channel amplifier and generate sound through the headphones</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

pipeline for planning and execution of transcranial ultrasound neuromodulation experiments in humans

A estimulação ultrassônica transcraniana (UST) é uma técnica emergente de neuromodulação não invasiva capaz de manipular estruturas corticais e subcorticais com alta precisão. A realização de experimentos envolvendo humanos requer um planejamento cuidadoso de simulações acústicas e térmicas. Esse planejamento é essencial para ajustar a interferência óssea na forma e trajetória do feixe de ultrassom e para garantir que os parâmetros do UST atendam aos requisitos de segurança. As imagens de ressonância magnética (RM) ponderadas em T1 e T2, juntamente com a ressonância magnética (MRI) com eco em tempo zero (ZTE) com resolução isotrópica de 1 mm, são adquiridas (alternativamente tomografia computadorizada (TC)) para reconstrução e simulações do crânio. O mapeamento de alvos e trajetórias é realizado usando uma plataforma de neuronavegação. O SimNIBS é usado para a segmentação inicial do crânio, pele e tecidos cerebrais. A simulação do UST é realizada com a ferramenta BabelBrain, que usa a varredura ZTE para produzir imagens sintéticas de TC do crânio para serem convertidas em propriedades acústicas. Usamos um transdutor de ultrassom Phased Array com recursos de direção elétrica. A direção Z é ajustada para garantir que a profundidade desejada seja alcançada. Outras configurações de transdutor também são suportadas na ferramenta de planejamento. As simulações térmicas são executadas para garantir que os requisitos de temperatura e índice mecânico estejam dentro das diretrizes acústicas para UST em seres humanos, conforme recomendado pelo FDA. Durante as sessões de entrega do TUS, um braço mecânico auxilia no movimento do transdutor para o local necessário usando um sistema de localização estereotáxica sem moldura.

Commonly used non-invasive neurostimulation techniques include transcranial direct current stimulation (tDCS) and transcranial magnetic stimulation (TMS). However, both have limited penetration depth and low precision1,2. By contrast, transcranial ultrasound (TUS) is an emerging non-invasive technique capable of enhancing or suppressing neuronal activity3,4,5 and targeting cortical or subcortical structures at millimeter precision6,7. Animal models using rodents4,8,9, rabbits10, sheep5,11, swine6, and nonhuman primates7,12,13,14 have shown the efficacy and safety of TUS. Studies have demonstrated that targeting various brain regions can elicit limb movements8 in rats, somatosensory evoked potentials (SSEPs) in swine6, and changes in visuomotor activity12, cognitive, and motivational decision-making in nonhuman primates13 among other changes in behavior. In humans, TUS has been observed to change motor evoked potentials (MEPs)&#160;and performance on a reaction time task when targeting the primary motor cortex15,16 and altered performance on a tactile discrimination task and SSEPs when targeting the somatosensory cortex17 and sensory thalamus18. Histological analyses have revealed no gross or microscopic structural changes associated with TUS in swine6, sheep5,11, rabbits10, and nonhuman primates14, and no side effects have been seen that significantly differ from other non-invasive neurostimulation techniques19.
TUS uses pulsed low-intensity focused ultrasound at a frequency between 200 kHz and 700 kHz to produce a transient neuromodulatory effect. The typical spatial-peak pulse-average intensity (Isppa) in situ is 10 W/cm2 or less, with reported duty cycles (percentage of time when ultrasound is on) ranging from 0.5% to 70% in humans20,21,22,23,24. Although the mechanisms of TUS neuromodulation have been proposed to mainly involve mechanical agitation of lipid membranes leading to the opening of ion channels25,26,27, possible thermal and cavitation effects cannot be ignored. They are assessed through mechanical (MI) and thermal (TI) indices. The MI describes the predicted cavitation-related bioeffects that will occur with TUS, whereas the TI describes the potential temperature increase within tissues following ultrasound application28,29. Furthermore, changing the frequency and input intensity also causes the MI and TI to change. Higher frequencies have better spatial resolution and decrease the probability of mechanical bio-effects; however, they have stronger absorption in the tissue, which increases the potential for temperature rise28. Alternatively, lower frequencies at the same intensity increase the MI. Similarly, increasing the intensity tends to increase the magnitude of mechanical and thermal bio-effects30. It is, therefore, imperative that careful planning and simulation be performed before experimentation sessions for all TUS parameters that will be implemented.
Planning a TUS experiment requires the identification of the target and trajectory of interest and the performance of thermal and acoustic simulations. Simulations assist in optimizing mechanical effects and mitigating the thermal effects of TUS on tissues. They require understanding the prediction of skull heating, pressure amplitude of the ultrasound at the focal point, focal correction, and other heating within the skull and skin. Adequate simulation ensures the focal point will reach the target of interest and safety parameters for ultrasound use set out by the safety guidelines on biophysical safety as recommended by the International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)31, which are based on FDA and Health Canada recommendations, are followed. Recent studies have also highlighted an auditory confounding effect accompanied by TUS32,33,34 in animals and humans, whereby TUS stimulation can activate auditory pathways in the brain to elicit responses32,33,34. Transection of the auditory nerves32, removal of cochlear fluid32, or chemical deafness33 in rodents have been employed to diminish these effects in animals. In humans, administering an auditory tone through headphones has been used to effectively mask auditory noise from TUS, controlling for the TUS-induced auditory activity confound34. This highlights the need to control for auditory noise in sham stimulation conditions, which must be incorporated into protocol planning, design, and implementation.
Here, we present a guide on how to appropriately complete the preparation (step 1, step 2), planning (step 3), simulations (step 4), and TUS delivery (step 5) required to perform TUS neuromodulation experiment in humans.

Autor em destaque: Avançando a modulação do cérebro humano - protocolos otimizados para experimentos de estimulação por ultrassom transcraniano

Pipeline para Planejamento e Execução de Experimentos de Neuromodulação por Ultrassom Transcraniano em Humanos

Our research aims to understand the details of transcranial ultrasound stimulation to cause measurable effects in humans, including parameter specifications and its ability to modulate deep brain structures. Our protocol streamlines the planning steps required to complete transcranial ultrasound stimulation experiments in humans. It is efficient, easy to use, and involves using open source accessible planning tools.Our recent findings have shed light on the effect of optimal parameter selection in transcranial ultrasound stimulation to achieve neuronal inhibition. This will help in developing and designing future experiments in humans, significantly contributing to our understanding and advancement of this technology.

A Figura 7 ilustra amostras comparativas de sessões de um de nossos estudos42, apresentando dois participantes distintos empregando parâmetros específicos de ultrassom (frequência fundamental de 250 kHz, duração da sonicação de 120 s, frequência de repetição de pulso (PRF) de 100 Hz, ciclo de trabalho de 10% eSPPA I de 5 W/cm²). Nesta pesquisa, exames de ressonância magnética T1-, T2-w e ZTE com resolução isotrópica de 1 mm foram obtidos de...

A estimulação ultrassônica transcraniana (UST) é uma técnica emergente de neuromodulação não invasiva que requer um planejamento cuidadoso de simulações acústicas e térmicas. A metodologia descreve um pipeline de processamento de imagem e simulação de ultrassom para um planejamento eficiente, fácil de usar e simplificado para experimentação de TUS humano.

Transcranial ultrasound stimulation (TUS) is an emerging non-invasive neuromodulation technique capable of manipulating both cortical and subcortical ...

pipeline-for-planning-execution-transcranial-ultrasound

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Pipeline for Planning and Execution of Transcranial Ultrasound Neuromodulation Experiments in Humans

622 visualizações.  University of Calgary. Nossa pesquisa visa entender os detalhes da estimulação ultrassônica transcraniana para causar efeitos mensuráveis em humanos, incluindo especificações de parâmetros e sua capacidade de modular estruturas cerebrais profundas. Nosso protocolo agiliza as etapas de planejamento necessárias para concluir experimentos de estimulação por ultrassom transcraniano em humanos. É eficiente, fácil de usar e envolve o uso de ferramentas de planejamento acessí...

Vídeo: Autor em destaque: Avançando a modulação do cérebro humano - protocolos otimizados para experimentos de estimulação por ultrassom transcraniano

Transcranial ultrasound stimulation (TUS) is an emerging non-invasive neuromodulation technique capable of manipulating both cortical and subcortical structures with high precision. Conducting experiments involving humans necessitates careful planning of acoustic and thermal simulations. This planning is essential to adjust for bone interference with the ultrasound beam's shape and trajectory and to ensure TUS parameters meet safety requirements. T1- and T2-weighted, along with zero-time echo (ZTE) magnetic resonance imaging (MRI) scans with 1 mm isotropic resolution, are acquired (alternatively computed tomography x-ray (CT) scans) for skull reconstruction and simulations. Target and trajectory mapping are performed using a neuronavigational platform. SimNIBS is used for the initial segmentation of the skull, skin, and brain tissues. Simulation of TUS is carried over with the BabelBrain tool, which uses the ZTE scan to produce synthetic CT images of the skull to be converted into acoustic properties. We use a phased array ultrasound transducer with electrical steering capabilities. Z-steering is adjusted to ensure that the target depth is reached. Other transducer configurations are also supported in the planning tool. Thermal simulations are run to ensure temperature and mechanical index requirements are within the acoustic guidelines for TUS in human subjects as recommended by the FDA. During TUS delivery sessions, a mechanical arm assists in the movement of the transducer to the required location using a frameless stereotactic localization system.

Transcranial ultrasound stimulation (TUS) is an emerging non-invasive neuromodulation technique that requires careful planning of acoustic and thermal simulations. The methodology describes an image processing and ultrasound simulation pipeline for efficient, user-friendly, streamlined planning for human TUS experimentation.

Neurociência

Image Processing and Ultrasound Simulation Pipeline for Human Transcranial Ultrasound Neuromodulation Experimentation

After performing the high-resolution magnetic resonance imaging, convert T1 weighted, T2 weighted, and zero time echo DICOM scan files from DICOM to NIfTI format using the dcm2niix tool. Using SimNIBS Charm tool, execute co-registration and tissue mask extraction. Next, open Brainsight.Click on New Empty Project, and load the participant's T1 weighted NIfTI image. Click on the Reconstructions tab, then on the New Reconstruction dropdown menu. Click on Skin, followed by Compute Skin in the new window.Once complete, click on the Close button in the top left corner of the window. Within the Reconstructions tab, click on the New Reconstruction dropdown menu, followed by Full Brain Curvilinear. Now adjust the position of the green box on the sagittal, coronal, and transverse planes by dragging its edges to tightly surround the brain.Scroll through all the slices to ensure no tissue edges overlap. Click on Compute Curvilinear, and adjust the peel depth to four millimeters. Then click on the Landmarks tab on Brainsight, followed by Configure Landmarks.Place the crosshairs on the tip of the nose, and in the name field, label the landmark Nose. Then place the crosshairs between the eyes above the bridge of the nose, and label the landmark Nasion. Next, place the crosshairs on the left ear, and label the landmark L Ear.Then place the crosshairs on the right ear, and label the landmark R Ear. Afterward, click on the Targets tab, followed by Configure Targets. Place the crosshairs on the location of the desired target, and use the angle toggles on the right side of the screen to set the trajectory angle.Once the desired target and trajectory are selected, click on the new dropdown menu and choose Trajectory. To name the target, type into the text box next to name. Click on Export to export the target, and save it in the appropriate subject folder.Open BabelBrain, and select the required files for acoustic and thermal simulations. To select the text file previously exported from Brainsite, click on Select Trajectory, and choose the appropriate participant file. Click on select SimNIBS, to choose the SimNIBS file created earlier.Click on Select T1W, and choose the T1 weighted image produced and used previously for target and trajectory mapping. Now choose Real CT for CT scans, CTE for CTE scans, or no to use a simplified mask generated by the Charm tool. When using a CT or CTE image, click on the Coreg dropdown menu, followed by CT to MR.Click on Select, and choose the corresponding image from the appropriate participant file.Click Select Thermal Profile, and choose the thermal profile file that describes the experiment sonication parameters in terms of duration on, duration off, and duty cycle. Then click on the dropdown menu beside Transducer, and select the transducer used for experimentation. Click on the dropdown menu beside computing backend, and choose the computing backend of the computer running the simulations.Once all information is entered, click on Continue to complete the rest of the simulations. Now select the transducer's ultrasound frequency, and the appropriate points per wavelength. Click on Calculate Planning Mask.Inspect the image to ensure the bounds for the skin, skull, and brain were accurately recognized. For acoustic simulation, click on the Step 2 AC Sim tab to open. Adjust the distance from the cone to the focal spot by typing in the appropriate distance.To execute the simulation, click on the Calculate Fields button. Adjust the ZSteering value so the crosshairs are in the center of the focal point. Press the up or down arrows or manually enter the required value.Then click on Calculate Fields. For thermal simulation, click on the Step 3 Thermal Sim tab, then click on Calculate Thermal Fields.

Pipeline de Processamento de Imagem e Simulação de Ultrassom para Experimentação de Neuromodulação de Ultrassom Transcraniano Humano

Performing Transcranial Ultrasound Neuromodulation Experiment in Humans

After performing the skull reconstruction and simulations using the acquired MRI scans, open Brainsight and click on Open Existing Project. Select the Brainsight file created and saved during trajectory and target mapping. Click on Sessions to begin a new experimentation session.Click on the dropdown and select New, followed by Online Session. Then, click on the target name followed by Add a Next Step to add the target to the experiment session and continue to the experimentation window. Click on Window and Tool Calibration.Select the tools to be used and then click Recalibrate. Attach the subject tracker to the participant's head using a headband placed above the ears and eyebrows. Next, click on the registration tab in Brainsight.Place the pointer on the first landmark, stabilizing it with both hands. Then click on Sample and go to next landmark. Click on the Validation tab to validate the participant registration.Lightly place the pointer on various positions along the scalp and ensure all points are less than three millimeters. Then secure the participant's head with the chin rest and stabilizer placed on the back of the head to prevent movement. Ensure they are seated comfortably in the chair for the duration of the experiment.Click on Perform. Use the mechanical arm to position the transducer over the target of interest along the selected trajectory.