Конвейер для планирования и проведения экспериментов по транскраниальной ультразвуковой нейромодуляции у человека

Terra Fairbanks; Ali K. Zadeh; Hrishikesh Raghuram; Alan Coreas; Shirshak Shrestha; Siyun Li; G. Bruce Pike; Fady Girgis; Samuel Pichardo

doi:10.3791/66972

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

Конвейер для планирования и проведения экспериментов по транскраниальной ультразвуковой нейромодуляции у человека

DOI:

10.3791/66972

⸱

June 28th, 2024

Terra Fairbanks¹^,², Ali K. Zadeh¹^,², Hrishikesh Raghuram³, Alan Coreas³, Shirshak Shrestha⁴, Siyun Li³, G. Bruce Pike¹^,²^,³, Fady Girgis¹^,², Samuel Pichardo¹^,²^,³

¹Department of Clinical Neurosciences, Cumming School of Medicine, University of Calgary, ²Hotchkiss Brain Institute, Cumming School of Medicine, University of Calgary, ³Department of Radiology, Cumming School of Medicine, University of Calgary, ⁴Department of Biomedical Engineering, Schulich School of Engineering, University of Calgary

Обратите внимание на то, что все переводы сгенерированы ИИ. Нажмите здесь для версии на английском языке.

Резюме

Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) – это новый метод неинвазивной нейромодуляции, который требует тщательного планирования акустического и теплового моделирования. Методология описывает конвейер обработки изображений и ультразвукового моделирования для эффективного, удобного и оптимизированного планирования экспериментов с TUS у человека.

Аннотация

Транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) – это новый метод неинвазивной нейромодуляции, способный с высокой точностью воздействовать как на корковые, так и на подкорковые структуры. Проведение экспериментов с участием человека требует тщательного планирования акустического и теплового моделирования. Это планирование необходимо для корректировки на вмешательство костей в форму и траекторию ультразвукового луча, а также для обеспечения соответствия параметров TUS требованиям безопасности. Для реконструкции и моделирования черепа проводятся Т1- и Т2-взвешенные, а также магнитно-резонансная томография (МРТ) с нулевым эхом (ZTE) с изотропным разрешением 1 мм (в качестве альтернативы компьютерная томография и рентгенография (КТ)). Картирование мишени и траектории выполняется с помощью нейронавигационной платформы. SimNIBS используется для первичной сегментации тканей черепа, кожи и мозга. Моделирование TUS осуществляется с помощью инструмента BabelBrain, который использует сканирование ZTE для создания синтетических компьютерных изображений черепа, которые должны быть преобразованы в акустические свойства. Мы используем ультразвуковой преобразователь с фазированными решетками с возможностью электрического управления. Z-образное рулевое управление отрегулировано таким образом, чтобы обеспечить достижение заданной глубины. Другие конфигурации преобразователей также поддерживаются в инструменте планирования. Тепловое моделирование проводится для того, чтобы убедиться, что требования к температуре и механическим показателям соответствуют акустическим рекомендациям для TUS у людей в соответствии с рекомендациями FDA. Во время сеансов доставки TUS механический манипулятор помогает перемещать датчик в нужное место с помощью безрамочной стереотаксической системы локализации.

Введение

Обычно используемые методы неинвазивной нейростимуляции включают транскраниальную стимуляцию постоянным током (tDCS) и транскраниальную магнитную стимуляцию (TMS). Тем не менее, оба имеют ограниченную глубину проникновения и низкую точность ^1,2. В отличие от этого, транскраниальное ультразвуковое исследование (ТУС) является новым неинвазивным методом, способным усиливать или подавлять активность нейронов ^3,4,5 и воздействовать на корковые или подкорковые структуры с точностью до миллиметра ^6,7

протокол

Все методы, включающие использование человека в качестве субъекта, были выполнены в соответствии с Этическим поведением Трех советов для исследований с участием человека, а протокол был одобрен Советом по этике совместных исследований в области здравоохранения (CHREB) в Университете Калгари. Все испытуемые предоставили информированное письменное согласие перед участием. Участники должны были быть здоровыми правшами в возрасте от 18 до 40 лет, желающими и способными пройти магнитно-резонансную томографию (МРТ). Критерии исключения включали семейный анамнез судорог, расстройства настроения или сердечно-сосудистые заболевания, травму уха, алкогольную или наркотическую за....

Результаты

На рисунке 7 показаны сравнительные выборки сеансов из одного из наших исследований⁴², в которых участвовали два разных человека, использующих определенные ультразвуковые параметры (основная частота 250 кГц, длительность ультразвука 120 с, частота повторения .......

Обсуждение

В этом методе проводится предметно-ориентированное моделирование для прогнозирования и оценки возможных тепловых и механических эффектов, возникающих в результате применения TUS к мозгу. Наборы данных между участниками должны быть разделены и тщательно задокументированы, так как исп?.......

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов, о котором можно было бы заявить.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана грантом Канадского совета по естественным наукам и инженерным исследованиям, программой INNOVAIT, Фондом медицинских исследований Камминга, Канадским фондом инноваций (проект 36703), грантом CAPRI Института мозга Гочкиса и финансированием Ассоциации Паркинсона Альберты. GBP выражает признательность за поддержку со стороны Канадского института исследований в области здравоохранения (FDN-143290) и программы Campus Alberta Innovates Chair.

....

Материалы

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