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. Kemirgenler ^4,8,9, tavşanlar¹⁰, koyunlar ^5,11, domuzlar⁶ ve insan olmayan primatlar 7,12,13,14 kullanan hayvan modelleri TUS'un etkinliğini ve güvenliğini göstermiştir. Çalışmalar, çeşitli beyin bölgelerini hedeflemenin, sıçanlarda uzuv hareketlerini 8, domuzlarda somatosensoriyel uyarılmış potansiyelleri⁽SSEP'ler)⁶ ve insan olmayan primatlarda¹² görsel-motor aktivitede, bilişsel ve motivasyonel karar vermede¹³ değişiklikleri ortaya çıkarabileceğini göstermiştir. İnsanlarda, TUS'un birincil motor korteksi ^15,16 hedeflerken motor uyarılmış potansiyelleri (MEP'ler) ve bir reaksiyon süresi görevindeki performansı değiştirdiği ve somatosensoriyel korteks¹⁷ ve duyusal talamus^18'i hedeflerken dokunsal bir ayrım görevinde ve SSEP'lerde performansı değiştirdiği gözlemlenmiştir. Histolojik analizler, domuz 6, koyun ^5,11, tavşan¹⁰ ve insan olmayan primatlarda ¹⁴ TUS ile ilişkili brüt veya mikroskobik yapısal değişiklik göstermemiştir ve diğer non-invaziv nörostimülasyon tekniklerinden önemli ölçüde farklı hiçbir yan etki görülmemiştir¹⁹.

TUS, geçici bir nöromodülatör etki üretmek için 200 kHz ile 700 kHz arasındaki bir frekansta darbeli düşük yoğunluklu odaklanmış ultrason kullanır. Yerinde tipik uzamsal tepe nabız ortalama yoğunluğu (I_sppa) 10 W/^cm2 veya daha azdır ve bildirilen görev döngüleri (ultrasonun açık olduğu zamanın yüzdesi) insanlarda %0,5 ila %70 arasında değişmektedir 20,21,22,23,24. TUS nöromodülasyon mekanizmalarının esas olarak iyon kanallarının^{açılmasına} yol açan lipid membranların mekanik ajitasyonunu içerdiği öne sürülmüş olsa da ^25,26,27, olası termal ve kavitasyon etkileri göz ardı edilemez. Mekanik (MI) ve termal (TI) indeksler aracılığıyla değerlendirilirler. MI, TUS ile ortaya çıkacağı tahmin edilen kavitasyonla ilgili biyoetkileri tanımlarken, TI, ultrason uygulamasını takiben dokulardaki potansiyel sıcaklık artışını tanımlar^28,29. Ayrıca, frekansın ve giriş yoğunluğunun değiştirilmesi de MI ve TI'nin değişmesine neden olur. Daha yüksek frekanslar daha iyi uzamsal çözünürlüğe sahiptir ve mekanik biyo-etki olasılığını azaltır; Bununla birlikte, dokuda daha güçlü emilime sahiptirler, bu da sıcaklık artışı potansiyelini artırır²⁸. Alternatif olarak, aynı yoğunluktaki daha düşük frekanslar MI'yı arttırır. Benzer şekilde, yoğunluğun arttırılması, mekanik ve termal biyo-etkilerin^{büyüklüğünü artırma eğilimindedir 30}. Bu nedenle, uygulanacak tüm TUS parametreleri için deney oturumlarından önce dikkatli bir planlama ve simülasyon yapılması zorunludur.

Bir TUS deneyi planlamak, hedefin ve ilgilenilen yörüngenin tanımlanmasını ve termal ve akustik simülasyonların performansını gerektirir. Simülasyonlar, mekanik etkilerin optimize edilmesine ve TUS'un dokular üzerindeki termal etkilerinin azaltılmasına yardımcı olur. Kafatası ısınmasının, ultrasonun odak noktasındaki basınç genliğinin, odak düzeltmesinin ve kafatası ve cilt içindeki diğer ısıtmanın tahminini anlamayı gerektirirler. Yeterli simülasyon, odak noktasının ilgilenilen hedefe ulaşmasını sağlar ve FDA ve Health Canada tavsiyelerine dayanan Uluslararası Transkraniyal Ultrasonik Stimülasyon Güvenlik ve Standartlar Konsorsiyumu (ITRUSST)³¹ tarafından önerilen biyofiziksel güvenliğe ilişkin güvenlik kılavuzlarında belirtilen ultrason kullanımı için güvenlik parametreleri takip edilir. Son çalışmalar ayrıca hayvanlarda ve insanlarda TUS^32,33,34'ün eşlik ettiği işitsel bir kafa karıştırıcı etkiyi vurgulamıştır, bu sayede TUS stimülasyonu beyindeki işitsel yolları aktive ederek yanıtları^{ortaya çıkarabilir} 32,33,34. Hayvanlarda bu etkileri azaltmak için işitme sinirlerinin^{transeksiyonu 32}, koklear sıvının^{çıkarılması 32} veya kemirgenlerde kimyasal sağırlık³³ kullanılmıştır. İnsanlarda, kulaklıklar aracılığıyla işitsel bir tonun uygulanması, TUS'tan gelen işitsel gürültüyü etkili bir şekilde maskelemek için kullanılmıştır ve TUS'un neden olduğu işitsel aktivite karışıklığını kontrol etmek için kullanılmıştır³⁴. Bu, protokol planlaması, tasarımı ve uygulamasına dahil edilmesi gereken sahte stimülasyon koşullarında işitsel gürültüyü kontrol etme ihtiyacını vurgulamaktadır.

Burada, insanlarda TUS nöromodülasyon deneyini gerçekleştirmek için gereken hazırlığın (adım 1, adım 2), planlamanın (adım 3), simülasyonların (adım 4) ve TUS teslimatının (adım 5) uygun şekilde nasıl tamamlanacağına dair bir kılavuz sunuyoruz.

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 kullanımı, kalp pili dahil metal implantlar, hamilelik, kardiyovasküler bozukluklar, nörolojik veya psikiyatrik bozukluk öyküsü, araştırmacı ve çalışma personeli ile iletişim kuramama ve yasal yetersizlik veya sınırlı yasal kapasite yer aldı. Aşağıda açıklanan protokol, TUS çalışmalarının standartlaştırılmış raporlanmasına ilişkin ITRUSST tarafından yapılan tavsiyeleri takip etmektedir³⁵. Bu çalışmada kullanılan ekipman, yazılım ve gerekli web bağlantılarının ayrıntıları Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. Yüksek çözünürlüklü manyetik rezonans görüntüleme

1. Katılımcıyı 24 kanallı bir baş/boyun bobini kullanarak görüntüleyin.
   NOT: Alternatif olarak, anatomik MRG elde etmek için bölgede bulunan en iyi baş/boyun bobini yeterlidir.
2. T1 ve T2 ağırlıklı MR görüntülerini ve 1 mm çözünürlükte Sıfır zamanlı eko (ZTE) dizilerini toplayın.
   NOT: MR görüntülerinin, görüntünün rekonstrüksiyonunu etkileyebileceği ve sonraki planlama ve uygulama adımlarını zorlaştırabileceği için, katılımcı kulak üstü kulaklık takmadan toplanması önerilir. Bunun yerine, katılımcının MR güvenliği için sadece kulak tıkacı takması önerilir.
   1. T1 ağırlıklı görüntüleme için, aşağıdaki parametrelerle 3D ters çevirme kurtarma ile hazırlanmış hızlı bozulmuş gradyan yankı (FSPGR) dizisi kullanın: tekrarlama süresi (TR) = 8,4 ms, yankı süresi (TE) = 3,2 ms, ters çevirme süresi (TI) = 650 ms, 10 derecelik çevirme açısı, 256 mm x 256 mm x 188 mm ölçülerinde bir görüş alanı, 256 x 256 x 188 matris boyutu, Faz kodlama yönünde GRAPPA (ARC) faktörü 2 ve AC-PC ile yaklaşık hizalama için sagital-eğik oryantasyon.
      NOT: Toplam tarama süresi 5 dakika 21 saniyedir.
   2. T2 ağırlıklı görüntüleme için, aşağıdaki parametrelere sahip bir 3D hızlı dönüş yankısı (FSE) kullanın: TR = 3000 ms, TE = 60-90 ms, yankı dizisi uzunluğu 130, görüş alanı 256 mm x 225 mm x 188 mm, matris boyutu 256 x 256 x 188 ve AC-PC ekseni ile hizalamaya yaklaşan sagital-eğik yönelim. Faz kodlaması ve dilim yönünde iki GRAPPA (ARC) faktörü kullanıldı.
      NOT: Toplam tarama süresi 3 dk 58 sn'dir.
   3. ZTE görüntüleri için, aşağıdaki ayarlara sahip izotropik bir 3D ZTE taraması kullanın: TR = 698 ms, TE = 16 μs, 1 derecelik çevirme açısı, 62,5 kHz alıcı bant genişliği, ortalama sayısı = 3,5, 256 mm x 256 mm x 256 mm ölçülerinde bir görüş alanı, 256 x 256 x 256 matris boyutu.
      NOT: Toplam tarama süresi 5 dk ve 23 sn'dir.
      NOT: TUS planlamasının başlayabilmesi için MR görüntülerinin tamamlanmış olması gerekmektedir.

2. Katılımcı görüntülerinin önceden işlenmesi

1. Dcm2niix aracını kullanarak T1-w, T2-w ve ZTE DICOM tarama dosyalarını DICOM'dan Nifti formatına dönüştürün. Bir terminal penceresinde şunu çalıştırın: dcm2niix .
   NOT: dcm2niix aracı GitHub'da mevcuttur (bkz. BabelBrain aracı, ayrı günlerde toplanan görüntülere uyum sağlamak için katılımcının görüntülerini birlikte kaydeder. T1-w görüntüleri izotropik değilse, 1 mm izotropik voksellere yeniden örneklenir; ancak CT/ZTE görüntüleri öyle değildir. Bunun yerine, simülasyon için maskeler PPW cinsinden son çözünürlüğe yeniden örneklenir. Ek ortak kayıt veya hizalama adımları gerekmez.
2. SimNIBS'in cazibe aracını kullanarak ortak kayıt ve doku maskesi çıkarma işlemini gerçekleştirin. Bir terminal penceresinde şunu çalıştırın: charm --forceqform, burada tanımlama için bir dizedir. Bu noktada, deney planlaması duraklatılabilir ve başka bir zamanda devam ettirilebilir.
   NOT: Oluşturulan dosyalar, sonraki planlama aşamalarında kullanılacak bir m2m alt dizinine kaydedilecektir. BabelBrain aracında kullanım için gerekli olduğundan, tılsım aracıyla görüntülerin ön işlenmesi doku segmentasyonu amaçları için gereklidir³⁶.

3. Yörünge planlaması

1. Brainsight'ı açın, Yeni Boş Proje'ye tıklayın ve katılımcının adım 2.1'de üretilen T1-w Nifti görüntüsünü yükleyin.
   NOT: v2.5.3'ten önceki bir Brainsight sürümü kullanılıyorsa, "Yeni Boş Proje" veya "Yeni SimNIBS Projesi" seçilebilir. Brainsight v2.5.3 ve sonraki sürümleri kullanıyorsanız, Brainsight ve BabelBrain arasında entegrasyon vardır ve "Yeni SimNIBS Projesi"ne tıklamanız şiddetle tavsiye edilir; Ancak, her ikisi de planlama adımlarını tamamlamak için hala yeterlidir. "Yeni Boş Proje", T1-w görüntüsünün yüklenmesini gerektirirken, "Yeni SimNIBS Projesi", T1-w görüntüsünü doğrudan yükleyen bir .msh dosyasının yüklenmesini gerektirir. Diğer tüm işlevler ve adımlar aynı kalır.
2. Bir kaplama oluşturmak ve görüntülemek için Kaplamalar'a ve ardından Katmanları Yapılandır'a tıklayın. Kaplanacak dosyayı seçmek için Ekle'ye tıklayın.
   NOT: Hedef bir T1-w görüntüsünde görselleştirilemiyorsa, önce ortak kayıtlı bir T2-w görüntüsünde yerelleştirilmelidir (bu nedenle T1-w ve T2-w koordinatları aynıdır). Ardından, sonraki planlama adımları için koordinatları bir T1-w görüntüsüne aktarın. Adım 2.2'deki cazibe aracı, m2m /T2_reg.nii.gz dosya yolunda ortak kayıtlı bir T2-w görüntüsü oluşturur.
3. Kaplamalar bölümünü kapatın, Hedefler sekmesine ve ardından Hedefleri Yapılandır'a tıklayın. Görüntülerin karşılaştırılmasına izin vermek için kaplamanın opaklığını, rengini ve eşiğini değiştirmek için mavi bilgi düğmesine tıklayın.
   NOT: Bu, ortak kayıtlı Nifti görüntülerini görselleştirmek için gerçekleştirilebilir ve akustik simülasyonların hedefle nasıl örtüşeceğini gözlemlemek için kullanılmalıdır.
4. Rekonstrüksiyonlar sekmesine, ardından Yeni Rekonstrüksiyon... açılır menüsüne tıklayın. Dış Görünüm'e ve ardından yeni pencerede Dış Görünümü Hesapla'ya tıklayın. Tamamlandığında, pencerenin sol üst köşesindeki kapat düğmesine tıklayın.
5. "Rekonstrüksiyonlar" sekmesinde, Yeni Rekonstrüksiyon... açılır menüsüne ve ardından Full Brain Curvilinear'a tıklayın.
   1. Sagital (Şekil 1A), koronal (Şekil 1B) ve enine (Şekil 1C) görüntülerdeki her kutuyu yeşil kutunun kenarlarını sürükleyerek ayarlayın, böylece çizgiler beyni sıkıca çevreler (Şekil 1).
   2. Dokunun hiçbir kenarının üst üste gelmediğinden emin olmak için tüm dilimler arasında kaydırın. Compute Curviline'a tıklayın ve soyulma derinliğini 4 mm'ye ayarlayın (Şekil 1D).
      NOT: Tam beyin eğrisel, farklı derinlikleri gözlemlemek için soyulabilen korteksin 3 boyutlu bir rekonstrüksiyonunu sağlar. İlgilenilen bölgeyi lokalize etmek için bir TMS bobininin beyin üzerine doğru ve tutarlı bir şekilde yerleştirilmesine izin verir.
6. Brainsight'taki Yer İşaretleri sekmesine ve ardından Yer İşaretlerini Yapılandır'a tıklayın.
   1. Artı işaretini (imleç) burnun ucuna yerleştirin ve "Ad:" alanına "Burun" yer işaretini etiketleyin (Şekil 2A). Artı işaretlerini burun köprüsünün üzerindeki gözlerin arasına yerleştirin ve yer işaretini "Nasion" olarak etiketleyin (Şekil 2A).
   2. Artı işaretlerini sol kulağın üzerine yerleştirin ve yer işaretini "L Kulak" olarak etiketleyin (Şekil 2B). Artı işaretlerini sağ kulağın üzerine yerleştirin ve yer işaretini "R Kulak" olarak etiketleyin (Şekil 2C).
7. Hedefler sekmesine tıklayın ve ilgilenilen hedefi yerelleştirmek için artı işaretini (imleç) kullanın.
   1. Artı işaretini (imleç) istenen hedefin konumuna getirin ve yörünge açısını ayarlamak için ekranın sağ tarafındaki açı geçişlerini kullanın.
   2. İstenen hedef ve yörünge seçildikten sonra, Yeni açılır menüsüne tıklayın ve Yörünge'yi seçin. "Ad:" öğesinin yanındaki metin kutusuna yazarak hedefi adlandırın.
   3. Dışa Aktar'a tıklayarak hedefi dışa aktarın... ve uygun konu klasörüne kaydedin. Dosya kaydedildikten sonra planlama duraklatılabilir ve deneme daha sonra yeniden başlatılabilir.
      NOT: Hedef, termal ve akustik simülasyonları tamamlamak için sonraki adımlarda kullanılacaktır.

Şekil 1: Brainsight'ta tam bir beyin eğriselliği oluşturma. (A) Sagital MR görüntüsünün kenarına ayarlanmış kutu. (B) Koronal MR görüntüsünün kenarına ayarlanmış kutu. (C) Kutu, enine MR görüntüsünün kenarına ayarlanmıştır. (D) 4 mm'lik bir soyma derinliği ile tam beyin eğrisel rekonstrüksiyonu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Cilt rekonstrüksiyonu ve MR görüntüsü üzerine yerleştirilen yer işaretleri. (A) Burun ve nasion yer işaretlerinin yerleştirilmesi. (B) Sol kulak yer işareti yerleşimi. (C) Sağ kulak yer işareti yerleşimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

4. BabelBrain ile Simülasyonlar

NOT: BabelBrain ile simülasyon için ayrıntılara BabelBrain'in kılavuzunda danışılabilir: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html.

1. BabelBrain'i açın ve akustik ve termal simülasyonlar için gerekli dosyaları seçin.
   NOT: Bu gönderimde aşamalı dizi dönüştürücü kullanılır; Ancak, diğer dönüştürücüler bu planlama yazılımı ile tamamen uyumludur. Bu program Tek, CTX_500, H-317, H-246 ve dönüştürücüler için simülasyonları tamamlayabilir. Aşağıdaki yöntemde, seçilen dönüştürücü olarak H-317 kullanılacaktır.
   1. 3.7.3 adımında Brainsight'tan daha önce dışa aktarılan txt dosyasını Yörünge Seç... öğesine tıklayarak ve uygun katılımcı dosyasını seçerek seçin. Adım 2'de oluşturulan SimNIBS dosyasını (m2m_folder adı) seçmek için SimNIBS'i Seç'e tıklayın. T1W Seç'e tıklayın ve daha önce hedef ve yörünge haritalaması için kullanılan 2.1 adımında üretilen T1-w görüntüsünü seçin.
   2. "CT Kullan?" etiketinin yanındaki açılır menüde, CT taraması kullanıyorsanız gerçek CT'yi , ZTE taraması kullanıyorsanız ZTE'yi veya yalnızca T1 ve T2-w görüntüleri mevcutsa tılsım aracı tarafından oluşturulan basitleştirilmiş bir maske kullanılıyorsa HAYIR'ı seçin. Bir CT veya ZTE görüntüsü kullanırken, Correg.? açılır menüye ve ardından CT'den MR'ye tıklayın. Seç'e tıklayın ve uygun katılımcı dosyasından ilgili görüntüyü seçin.
   3. "Termal Profil Seç ..." i tıklayın ve deneyin sonikasyon parametrelerini açık, kapalı süre ve görev döngüsü açısından tanımlayan termal profil dosyasını seçin.
      NOT: Ayrıntılara BabelBrain'in kılavuzundan danışılabilir: https://proteusmrighifu.github.io/BabelBrain/index.html. Profil örnekleri https://github.com/ProteusMRIgHIFU/BabelBrain/tree/main/Profiles'da mevcuttur.
   4. "Dönüştürücü"nün yanındaki açılır menüye tıklayın ve deney için kullanılan dönüştürücüyü seçin. "Bilgi işlem arka ucu"nun yanındaki açılır menüye tıklayın ve simülasyonları çalıştıran bilgisayarın bilgi işlem arka ucunu seçin. Tüm bilgiler girildikten sonra, simülasyonların geri kalanını tamamlamak için DEVAM'a tıklayın.
2. Alt adım A: Maskeyi Hesaplayın.
   1. Dönüştürücünün ultrason frekansını ve dalga boyu başına uygun noktayı (PPW) seçin.
      NOT: Çoğu senaryo için 6 PPW yeterlidir.
   2. Normalleştirilmiş ZTE aralığını ve Hounsfield birimlerini (HU) olduğu gibi bırakın.
      NOT: Gerçek bir CT kullanılıyorsa, yalnızca HU eşiği görünecektir. ZTE veya CT taraması sağlanmazsa, bu giriş yapılmayacaktır.
   3. Planlama maskesini hesapla'ya tıklayın. Cildin, kafatasının ve beynin sınırlarının doğru bir şekilde tanındığından emin olmak için görüntüyü inceleyin.
      NOT: Herhangi bir tutarsızlık varsa, normalleştirilmiş ZTE aralığını ve/veya HU eşiğini ayarlayın.
3. Alt adım B: Akustik Simülasyon. Açmak için Adım 2 - Ac Sim sekmesine tıklayın.
   NOT: Bu sekme, seçilen dönüştürücüye bağlı olarak farklı görünecektir. Aşağıdakiler, H-317 dönüştürücüsüne özgüdür.
   1. Uygun mesafeyi yazarak koninin yüzeyinden hedefe olan mesafeyi yansıtmak için koni ile odak arasındaki mesafeyi ayarlayın.
      NOT: Bu, deneylerde kullanılacak fiziksel koni tarafından belirlenir.
   2. Alanları Hesapla düğmesine tıklayarak simülasyonu çalıştırın.
   3. Z direksiyon (mm) değerini, artı işareti (hedefi gösteren) odak noktasının merkezinde olacak şekilde ayarlayın (Şekil 3). Yukarı veya aşağı oklara basın veya gerekli değeri manuel olarak girin, ardından Alanları Hesapla'ya tıklayın.
      NOT: Pozitif değerler odak noktasını beynin daha derinlerine yönlendirirken, negatif değerler odak noktasının yüzeysel olarak hareket etmesine neden olur.
   4. Odak noktası amaçlanan hedefe yanalsa X/Y mekanik olarak ayarlayın. Z'yi mekanik olduğu gibi bırakın. Alanları Hesapla'ya tıklayın.
      NOT: Z mekanik, 4.3.1'de koniden olan mesafenin bir fonksiyonu olarak yeniden hesaplanır. Bir hesaplamayı tamamladıktan sonra Z direksiyonunu, X/Y mekanik veya maksimum derinliği hedefin ötesine ayarlamak gerekirse, akustik simülasyon dosyaları yeniden hesaplanmalıdır. Alanları Hesapla'ya tıklayın ve yeniden hesaplamak için Evet'i seçin. Mevcut dosyaları yeniden yüklemek için Hayır'ı seçin.
4. Alt adım C: Termal Simülasyon. Adım 3 - Termal Sim sekmesine tıklayın, ardından Termal Alanları Hesapla'ya tıklayın. ITRUSST³¹ tarafından önerilen insan deneklerde akustik yönergeleri karşıladıklarından emin olmak için mekanik ve termal simülasyonları (Şekil 4) değerlendirin (Yumuşak dokuda mekanik indeks (MI) ≤1.9; termal yükselme ≤2 °C, termal doz ≤0.25 CEM43, maruz kalma süresi 1.5 < için 80 dakika ile sınırlıdır kraniyal termal indeks (TIC) ≤ 2.0, 2.0 < için 40 dakika TIC ≤ 2.5, 2.5 < TIC ≤ 3.0 için 10 dakika, 3.0 < TIC ≤ 4.0 için 160 s, 4.0 < TIC ≤ 5.0 için 40 s ve 5.0 için 10 sn < TIC ≤ 6.0).
   NOT: BabelBrain,³⁶ sıcaklığının artışını tahmin etmek için Biyoısı Transfer Denklemini çözer. Nadir durumlarda, anormal yüksek sıcaklık vokselleri ortaya çıkabilir, bu durumda olağandışı sıcaklık artışını açıklayabilecek herhangi bir anatomik özellik varsa MR görüntüleri analiz edilmelidir.
   1. Parametrelerin farklı yoğunluklarda nasıl değiştiğini gözlemlemek için Isppa(W/^cm2) kutusunun yanındaki yukarı veya aşağı oklara tıklayarak veya manuel olarak 0.1'in üzerinde bir değer girerek I_sppa'yı ayarlayın.
      NOT: Tüm yoğunlukların, sıcaklık değişikliklerinin ve mekanik indekslerin bir özeti, referans için bir CSV dosyası olarak dışa aktarılabilir. Yazılım, istenen yoğunluğu yerinde elde etmek için uygulanması gereken su koşullarında (suda_I) gerekli yoğunluğu hesaplar.
   2. Beyin, cilt ve kafatasındaki en yüksek sıcaklığa sahip dilimi görüntülemek için arayüzün alt bölgesindeki MTB, MTS ve MTC düğmelerine tıklayın. Termal simülasyon adımı tamamlandıktan sonra simülasyonlar tamamlanır.
      NOT: Dosyalar otomatik olarak T1-w görüntüsüyle aynı konuma kaydedilecektir.
      NOT: Biten < olan akustik dosyalar... FullElasticSolution_Sub_NORM.nii.gz>, T1 alanındaki akustik alan kaplamasını görselleştirmek için Brainsight'a yüklenebilir. Yalnızca su koşulları için dosyalar (dosya adında "Su" eki ile) ve doku mevcut koşulları için dosyalar (dosya adında düzeltme yok) olacaktır. Bir kaplama eklemek için adım 3.1'i izleyen notta yer alan adımları izleyin. Termal simülasyon adımından sonra simülasyonlar tamamlanır ve deney TUS teslimat oturumuna kadar duraklatılabilir.

Şekil 3: BabelBrain kullanılarak akustik simülasyon. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: BabelBrain kullanılarak yapılan termal simülasyon. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

5. TUS teslim oturumu

1. Brainsight'ı açın ve Mevcut Projeyi Aç'a tıklayın. Yörünge ve hedef eşleme sırasında oluşturulan ve kaydedilen Brainsight dosyasını seçin.
2. Yeni bir deneme oturumu başlatmak için Oturumlar'a tıklayın. Açılır menüye tıklayın ve Yeni'yi ve ardından Çevrimiçi Oturum'u seçin. Hedefi deneme oturumuna eklemek ve deneme penceresine devam etmek için hedef adına , ardından Ekle'ye ve İleri'ye tıklayın.
   NOT: TUS dağıtımı, planlama için kullanılandan farklı bir bilgisayar kullanılarak gerçekleştirilirse, Brainsight uygun T1-w görüntüsünün seçilmesini gerektirecektir. Bu durumda, yeni bir pencere açılır ve sizden katılımcı dosyasından ilişkili T1-w katılımcı görüntüsünü seçmenizi ister.
3. Pencere ve Araç Kalibrasyonu'na tıklayın ve kullanılacak araçları seçin, ardından Yeniden Kalibre Et'i seçin.
   NOT: Bu adım, dönüştürücü ve deney oturumu sırasında kullanılan TMS bobini gibi diğer tüm araçlar için tamamlanmalıdır.
   1. Büyük bobin izleyiciyi ve kalibrasyon bloğunu dönüştürücüye sabitleyin. Kameranın her iki araçtaki referansları görebildiğinden emin olun. Yeniden kalibre etmek için Kalibrasyon Geri Sayımını Başlat'a tıklayın.
      NOT: Kalibrasyonu kaydetmek, o deney günü için aynı kalmasını sağlayacaktır. Bu yapılmazsa ve bilgisayar kapanırsa, ekipmanın yeniden kalibre edilmesi gerekecektir.
4. Dönüştürücüyü, deney için kurulum prosedürlerine göre ayarlayın. Hasar görmemesi için kurmadan önce dönüştürücünün üzerindeki izleyiciyi çıkarın.
   NOT: Açıklanan kurulum, özelleştirilmiş bir bağlantı konisine sahip H-317 dönüştürücü içindir.
   1. Dönüştürücü filmi koni ile uç kapak arasına yerleştirerek koniyi gerektiği gibi monte edin. Vidalar, rondelalar ve somunlar kullanarak bağlantı konisini dönüştürücü üzerindeki flanşa takın ve sızıntı olmaması için hepsinin sıkı olduğundan emin olun.
   2. Dönüştürücüyü deiyonize su ile doldurun ve "IN" etiketli tüpü "OUT" ile "OUT" ve "OUT" ile "IN" olarak bağlayarak tüpleri pompadan transdüsere takın. Basıncı boşaltmak için pompadaki "DRAIN" düğmesine basarken su deliğini tıkayın.
   3. Film üzerindeki hava kabarcıklarını izole etmek için dönüştürücüyü ters çevirin, ardından yukarı doğru döndürün ve "OUT" etiketli dönüştürücü tüpünden çıkmalarına izin verin. Tüm görünür hava kabarcıkları giderilene kadar bunu tekrarlayın. Dönüştürücüyü, "OUT" tüpü öne ve en yüksek noktaya açılı olacak şekilde ayarlayın ve pompa 30 dakika çalışır durumda bırakın.
   4. Tüm hava kabarcıklarının giderildiğini doğrulamak için dönüştürücüyü ters çevirin. Bazıları kalırsa, film üzerindeki hava kabarcıklarını izole edin ve "OUT" tüpünden çıktıklarından emin olmak için dönüştürücüyü daha önce olduğu gibi döndürün. Tüm baloncuklar çıkarılana kadar tekrarlayın.
   5. Pompayı kapatın, hortumları ayırın ve dönüştürücüyü boşta kilitleyin. İzleyiciyi dönüştürücüye yeniden takın ve katılımcı kurulumuna devam edin.
5. Gözlük, kulakların ve kaşların üzerine yerleştirilmiş bir kafa bandı (Şekil 5) veya hafif yapışkan izleyici kullanarak konu izleyiciyi katılımcının kafasına takın. Referansların, kamera tarafından görülebilecek şekilde yönlendirildiğinden ve son konumuna doğru hareket ederken veya son konumuna ulaştığında dönüştürücü tarafından engellenmeyeceğinden veya çarpmayacağından emin olun.
   1. Kamerayı, konu izleyiciyi ve işaretçiyi görebilmesi için katılımcının önüne yerleştirin.
      NOT: Görünmüyorlarsa, ekranın sol alt kısmındaki gösterge kırmızı olacaktır. Bu, Brainsight'taki "Polaris" sekmesine girilerek de doğrulanabilir.
6. Brainsight'ta Kayıt sekmesine tıklayın. İmleci adım 3.6'da ayarlanan dört yer işaretinin tümüne yerleştirin, iki elinizle sabitleyin, ardından Örnekle ve Sonraki Yer İşaretine Git seçeneğine tıklayın.
   NOT: Kafa bandının veya gözlüğün katılımcının kafasında sıkı durması ve konu izleyicinin hareket etmemesi önemlidir. Böyle bir durumda, kaydı yeniden gerçekleştirin. Kayıt tamamlandıktan sonra dönüştürücü hareketine uyum sağlamak için referansların döndürülmesi gerekiyorsa, kaydı yeniden yapın.
7. Katılımcı kaydını doğrulamak için Doğrulama sekmesine tıklayın. İmleci kafa derisi boyunca çeşitli konumlara hafifçe yerleştirin ve tüm noktaların 3 mm'den küçük olduğundan emin olun.
   NOT: TMS için oluşturulan ticari nöronavigasyon sistemleri, insanlarda TUS deneyleri için kullanılmaktadır. El tipi dönüştürücü kalibrasyonu³⁷ için 3 mm'lik bir öteleme hatası kabul edilebilir, çünkü hedef doğruluğu^38,39 ve diğer nöronavigasyon sistemleri⁴⁰ ile tutarlıdır. 3 mm'lik değer Brainsight nöronavigasyon yazılımına yerleştirilmiştir.
   1. Herhangi bir nokta 3 mm'den büyükse, en fazla üç noktaya kadar ek yer işareti noktaları eklemek için Ekle düğmesine tıklayın. 3 mm'nin altında tutarlı bir doğrulama elde etmek için üçten fazla nokta gerekiyorsa, kaydı yeniden yapın.
      NOT: Kaydın başarısını artırmak için, MR görüntülerinin katılımcı kulak üstü kulaklık takmadan toplanması önerilir, çünkü bu, görüntünün yeniden yapılandırılmasını etkileyebilir ve kaydı zorlaştırabilir. Örnekle ve Sonraki Yer İşaretine Git seçeneğine tıklamadan önce işaretçinin yer işaretine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmesine dikkat edin ve işaretçinin iki elinizi kullanarak sabitlendiğinden emin olun. Doğrulama, kafa derisi yüzeyindeki tüm noktaların ortalamasının eşiğin altında olduğuna dair güvence sağlar. Kafa derisindeki tüm rastgele yerler 3 mm eşiğinin altına gelene kadar devam etmeyin.
8. Hareketi önlemek için katılımcının başını çene desteği ve başın arkasına yerleştirilmiş sabitleyici ile sabitleyin (Şekil 5). Deney süresince sandalyede rahatça oturduklarından emin olun.
9. Gerçekleştir'e tıklayın. Dönüştürücüyü seçilen yörünge boyunca ilgilenilen hedefin üzerine konumlandırmak için mekanik kolu kullanın.
   NOT: Pratik yaptığınızdan ve mekanik kolun bileşenlerinin hedefe ulaşmak için nasıl hareket ettiğini bildiğinizden emin olun. Mekanik kolu konumlandırmadaki başarı, kolun hareketliliğini anlamaktan ve hedefin konumuna büyük ölçüde bağlı olduğundan, baş yönü etrafında nasıl hareket ettiğini bilmekten geçer.
   1. Doğru konumlandırma ve açıyı elde etmek için bullseye penceresindeki artı işaretini kullanın (Şekil 6). Her iki daireyi de (öteleme ve döndürme) artı işaretine yerleştirilecek şekilde hizalayın ve doğrulama için doğruluk okumasına bakın.
   2. Deneğin saçını doğal kısmı boyunca ayırın ve saçın içinde hava cebi olmadığından emin olmak için ultrason jelini tarayın. Geniş bir alan kuplaj gerektiriyorsa, dönüştürücü filme ultrason jeli uygulayın. Kalan hava ceplerini bir şırınga kullanarak ek ultrason jeli ile doldurun.
   3. Artı işaretlerinin hedefi çevreleyen kutunun ortasında olduğunu gözlemleyerek dönüştürücüyü uygun yüksekliğe indirin (Şekil 6). Bu, uygun hedef derinliğe ne zaman ulaşıldığını gösterecektir.
10. Özel yapım bir Python betiği, 128 amplifikatörlü üniteyi programlamak ve kulaklıklar (https://github.com/ProteusMRIgHIFU/TUSApp) aracılığıyla ses üretmek için 4. adımdaki simülasyonlardan elde edilen sonuçları kullanır. Çevrimiçi ve/veya çift kör bir deney yapıyorsanız, olası işitsel kafa karıştırıcı etkileri azaltma yöntemleri olarak maskeleme sesinin kulaklıklar^34,41 aracılığıyla çalındığından emin olun veya uyaranı patlama süresi^42,43,44 boyunca hızlandırın ve dengeleyin.
    NOT: Bu adımda, CTX-500 dönüştürücü gibi ticari olarak temin edilebilen bir ünite kullanılıyorsa, diğer parametrelerle (PRF, süre, görev döngüsü) birlikte su koşullarında simüle edilen yoğunluğu belirtin. H-317 dönüştürücü, dönüştürücüyü çalıştırmak için özel bir komut dosyası kullanır; bu nedenle, bu adım bu gönderimden çıkarılır.
    1. TUS teslimatının başlangıcında çalmak için MATLAB'da maskeleme sesini oluşturun. Sahte stimülasyon sırasındaki ses, dönüştürücüden üretilen sesi yakından kopyalamak için 250 kHz'de sürekli bir günah dalgasını, 48 kHz'de örneklenen 100 Hz'lik bir patlama frekansında bir kare dalgayı rastgele gürültü ile birleştirir. TUS sırasında, dönüştürücüden yayılan ses de özne tarafından duyulacağından, kulaklıklardan yalnızca rastgele gürültü çalar.
11. TUS dağıtımının tamamlanmasının ardından, sonraki deneysel prosedürlerden önce dönüştürücüyü, jeli ve izleyiciyi katılımcının kafasından çıkarın.
12. TUS ekipmanını temizlemek için, hasarı önlemek için izleyiciyi dönüştürücüden çıkarın. Üstteki tapayı çıkararak ve suyu boşaltmak için baş aşağı çevirerek dönüştürücüyü sökün. Bağlantı konisini çıkarın ve parçaların kurumasını sağlamak için sökün.
    1. Dönüştürücüyü nötr konuma getirin ve bir sonraki TUS deney oturumuna kadar saklama için tüm kol bileşenlerinin 90°'de sıkıca kilitlendiğinden emin olun.

Şekil 5: Nöronavigasyon için kullanılacak referanslar. Gözlük (solda) ve kafa bandı (sağda), konu takibi için referans öğeleri takılı. Deneğin başı, başının arkasında bir çene desteği ve sabitleyici ile sabitlenir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Bir birincil motor korteks (M1) hedefi için TUS teslimat oturumu sırasında hedef lokalizasyonu için Brainsight nöronavigasyon ekranı. Rotasyonel ve translasyonel göstergeler, dönüştürücüyü kafa derisi üzerinde nereye yerleştireceği ve yörünge açısına ne zaman ulaşılacağı konusunda deneyciye rehberlik eder. Hedefe doğruluk, öteleme ve dönme oryantasyonunun hedefe ne kadar yakın olduğunu gösterir ve harekete ince ayar yapmak için kullanılmalıdır. Derinlik göstergesi, odak noktasının derinliğini gösterir ve dönüştürücüyü uygun yüksekliğe indirmek için kullanılmalıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sonuçlar

Şekil 7^{, spesifik} ultrason parametreleri (250 kHz'lik temel frekans, 120 s'lik sonikasyon süresi, 100 Hz'lik bir darbe tekrarlama frekansı (PRF),% 10'luk bir görev döngüsü ve 5 W/cm²'lik bir I_SPPA) kullanan iki farklı katılımcıyı içeren çalışmalarımızdan 42 birinden karşılaştırmalı oturum örneklerini göstermektedir. Bu araştırmada, nörolojik olarak sağlıklı bireylerden 1 mm izotropik çözünürlüğe sahip T1-, T2-w ve ZTE M...

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