İnsanlarda Transkraniyal Ultrason Nöromodülasyon Deneylerinin Planlanması ve Yürütülmesi için Boru Hattı

Özet

Transkraniyal ultrason stimülasyonu (TUS), akustik ve termal simülasyonların dikkatli bir şekilde planlanmasını gerektiren, gelişmekte olan bir non-invaziv nöromodülasyon tekniğidir. Metodoloji, insan TUS deneyleri için verimli, kullanıcı dostu, kolaylaştırılmış planlama için bir görüntü işleme ve ultrason simülasyon hattını tanımlar.

Özet

Transkraniyal ultrason stimülasyonu (TUS), hem kortikal hem de subkortikal yapıları yüksek hassasiyetle manipüle edebilen, gelişmekte olan non-invaziv bir nöromodülasyon tekniğidir. İnsanları içeren deneyler yapmak, akustik ve termal simülasyonların dikkatli bir şekilde planlanmasını gerektirir. Bu planlama, ultrason ışınının şekli ve yörüngesi ile kemik girişimini ayarlamak ve TUS parametrelerinin güvenlik gereksinimlerini karşıladığından emin olmak için gereklidir. T1 ve T2 ağırlıklı, 1 mm izotropik çözünürlüğe sahip sıfır zamanlı eko (ZTE) manyetik rezonans görüntüleme (MRI) taramaları ile birlikte, kafatası rekonstrüksiyonu ve simülasyonları için elde edilir (alternatif olarak bilgisayarlı tomografi x-ışını (BT) taramaları). Hedef ve yörünge haritalaması, bir nöronavigasyon platformu kullanılarak gerçekleştirilir. SimNIBS, kafatası, cilt ve beyin dokularının ilk segmentasyonu için kullanılır. TUS'un simülasyonu, akustik özelliklere dönüştürülecek kafatasının sentetik CT görüntülerini üretmek için ZTE taramasını kullanan BabelBrain aracıyla gerçekleştirilir. Elektrikli direksiyon özelliklerine sahip aşamalı dizili bir ultrason dönüştürücü kullanıyoruz. Z-direksiyon, hedef derinliğe ulaşılmasını sağlamak için ayarlanır. Planlama aracında diğer dönüştürücü konfigürasyonları da desteklenir. Termal simülasyonlar, FDA tarafından önerildiği gibi insan deneklerde TUS için sıcaklık ve mekanik indeks gereksinimlerinin akustik yönergeler dahilinde olmasını sağlamak için çalıştırılır. TUS teslimat seansları sırasında, mekanik bir kol, çerçevesiz bir stereotaktik lokalizasyon sistemi kullanarak dönüştürücünün gerekli konuma hareketine yardımcı olur.

Giriş

Yaygın olarak kullanılan non-invaziv nörostimülasyon teknikleri arasında transkraniyal doğru akım stimülasyonu (tDCS) ve transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) bulunur. Bununla birlikte, her ikisi de sınırlı penetrasyon derinliğine ve düşük hassasiyete^{sahiptir 1,2}. Buna karşılık, transkraniyal ultrason (TUS), nöronal aktiviteyi ^3,4,5 artırabilen veya baskılayabilen ve kortikal veya subkortikal yapıları milimetre hassasiyetinde hedefleyebilen, gelişmekte olan invaziv olmayan bir tekniktir ^6,7

Protokol

İnsan deneklerin kullanımını içeren tüm yöntemler, İnsanları İçeren Araştırmalar için Üçlü Konsey Etik Davranışı'na uygun olarak gerçekleştirildi ve protokol, Calgary Üniversitesi'ndeki Birleşik Sağlık Araştırmaları Etik Kurulu (CHREB) tarafından onaylandı. Tüm denekler katılımdan önce bilgilendirilmiş yazılı onay verdi. İnsan katılımcıların, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) taramasını tamamlamaya istekli ve yetenekli 18 ila 40 yaşları arasında sağlıklı, sağ elini kullanan yetişkinler olması gerekiyordu. Dışlama kriterleri arasında ailede nöbet öyküsü, duygudurum veya kardiyovasküler bozukluklar, kulak travması, alkol veya uyuşturucu bağımlılığı, reçeteli ilaçların....

Tartışmalar

Bu yöntemde, beyne TUS uygulaması sonucu ortaya çıkabilecek olası termal ve mekanik etkileri tahmin etmek ve değerlendirmek için deneğe özgü simülasyonlar yapılır. Yanlış bir tarama veya veri dosyası kullanmak yanlış simülasyonlara yol açacağından, katılımcılar arasındaki veri kümeleri ayrı kalmalı ve dikkatli bir şekilde belgelenmelidir. Çok sayıda katılımcı taraması toplandığında ve planlama birlikte gerçekleştirildiğinde, görüntülerin ve klasörlerin uygun şekilde etiketle.......

Malzemeler

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