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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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

Protocol

Todos os métodos que envolvem o uso de seres humanos foram realizados em conformidade com a Conduta Ética do Tri-Conselho para Pesquisa Envolvendo Seres Humanos, e o protocolo foi aprovado pelo Conselho Conjunto de Ética em Pesquisa em Saúde (CHREB) da Universidade de Calgary. Todos os indivíduos forneceram consentimento informado por escrito antes da participação. Os participantes humanos deveriam ser adultos destros saudáveis entre 18 e 40 anos, dispostos e capazes de concluir uma ressonância magnética (MRI)........

Discussion

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 .......

Materials

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