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Neurowissenschaften

Pipeline für die Planung und Durchführung von transkraniellen Ultraschall-Neuromodulationsexperimenten am Menschen

Published: June 28, 2024
doi:
10.3791/66972
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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

Summary

Die transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) ist eine aufstrebende nicht-invasive Neuromodulationstechnik, die eine sorgfältige Planung von akustischen und thermischen Simulationen erfordert. Die Methodik beschreibt eine Bildverarbeitungs- und Ultraschallsimulationspipeline für eine effiziente, benutzerfreundliche und optimierte Planung von TUS-Experimenten am Menschen.

Abstract

Die transkranielle Ultraschallstimulation (TUS) ist eine aufstrebende nicht-invasive Neuromodulationstechnik, die in der Lage ist, sowohl kortikale als auch subkortikale Strukturen mit hoher Präzision zu manipulieren. Experimente mit Menschen erfordern eine sorgfältige Planung von akustischen und thermischen Simulationen. Diese Planung ist unerlässlich, um Knocheninterferenzen mit der Form und Flugbahn des Ultraschallstrahls zu berücksichtigen und sicherzustellen, dass die TUS-Parameter den Sicherheitsanforderungen entsprechen. Für die Schädelrekonstruktion und Simulationen werden T1- und T2-gewichtete Ultraschalluntersuchungen mit Nullzeitecho (ZTE) und Magnetresonanztomographie (MRT) mit einer isotropen Auflösung von 1 mm (alternativ Computertomographie-Röntgenaufnahmen (CT)) aufgenommen. Die Kartierung von Ziel und Trajektorie wird mit Hilfe einer Neuronavigationsplattform durchgeführt. SimNIBS wird für die anfängliche Segmentierung des Schädel-, Haut- und Gehirngewebes verwendet. Die Simulation von TUS wird mit dem BabelBrain-Tool übertragen, das den ZTE-Scan verwendet, um synthetische CT-Bilder des Schädels zu erstellen, die in akustische Eigenschaften umgewandelt werden sollen. Wir verwenden einen Phased-Array-Ultraschallwandler mit elektrischer Lenkung. Die Z-Lenkung wird so eingestellt, dass die Zieltiefe erreicht wird. Auch andere Aufnehmerkonfigurationen werden im Planungstool unterstützt. Thermische Simulationen werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Anforderungen an Temperatur und mechanischen Index innerhalb der von der FDA empfohlenen akustischen Richtlinien für TUS bei menschlichen Probanden liegen. Während der TUS-Verabreichungssitzungen unterstützt ein mechanischer Arm die Bewegung des Schallkopfs an die gewünschte Stelle mithilfe eines rahmenlosen stereotaktischen Lokalisierungssystems.

Introduction

Zu den häufig verwendeten nicht-invasiven Neurostimulationstechniken gehören die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und die transkranielle Magnetstimulation (TMS). Beide haben jedoch eine begrenzte Eindringtiefe und eine geringe Präzision 1,2. Im Gegensatz dazu ist der transkranielle Ultraschall (TUS) eine aufstrebende nicht-invasive Technik, die in der Lage ist, die neuronale Aktivität zu verstärken oder zu unterdrücken 3,4,5 und auf kortikale oder subkortikale Strukturen mit Millimetergenauigkeit abzuzielen 6,7. Tiermodelle mit Nagetieren 4,8,9, Kaninchen10, Schafen 5,11, Schweinen6 und nichtmenschlichen Primaten 7,12,13,14 haben die Wirksamkeit und Sicherheit von TUS gezeigt. Studien haben gezeigt, dass das Ansprechen verschiedener Gehirnregionen unter anderem Bewegungen der Gliedmaßen8 bei Ratten, somatosensorisch evozierte Potentiale (SSEPs) bei Schweinen6 und Veränderungen der visuomotorischen Aktivität12, der kognitiven und motivationalen Entscheidungsfindung bei nichtmenschlichen Primaten13 hervorrufen kann. Beim Menschen wurde beobachtet, dass TUS die motorisch evozierten Potentiale (MEPs) und die Leistung bei einer Reaktionszeitaufgabe verändert, wenn es auf den primären motorischen Kortex15,16 abzielt, und die Leistung bei einer taktilen Diskriminierungsaufgabe und SSEPs, wenn es auf den somatosensorischen Kortex17 und den sensorischen Thalamus18 abzielt. Histologische Analysen haben keine groben oder mikroskopischen strukturellen Veränderungen im Zusammenhang mit TUS bei Schweinen6, Schafen 5,11, Kaninchen10 und nichtmenschlichen Primaten14 ergeben, und es wurden keine Nebenwirkungen beobachtet, die sich signifikant von anderen nicht-invasiven Neurostimulationstechniken unterscheiden19.

TUS verwendet gepulsten, fokussierten Ultraschall mit geringer Intensität bei einer Frequenz zwischen 200 kHz und 700 kHz, um einen transienten neuromodulatorischen Effekt zu erzeugen. Die typische räumliche Spitzenpuls-Durchschnittsintensität (Isppa) in situ beträgt 10 W/cm2 oder weniger, wobei die berichteten Tastverhältnisse (Prozentsatz der Zeit, in der der Ultraschall eingeschaltet ist) bei Menschen 20,21,22,23,24 zwischen 0,5 % und 70 % liegen. Obwohl vorgeschlagen wurde, dass die Mechanismen der TUS-Neuromodulation hauptsächlich eine mechanische Bewegung der Lipidmembranen beinhalten, die zur Öffnung der Ionenkanäleführt 25,26,27, können mögliche thermische und Kavitationseffekte nicht ignoriert werden. Sie werden anhand mechanischer (MI) und thermischer (TI) Indizes bewertet. Der MI beschreibt die vorhergesagten kavitationsbedingten Bioeffekte, die bei TUS auftreten werden, während der TI den potentiellen Temperaturanstieg im Gewebe nach Ultraschallanwendung beschreibt28,29. Darüber hinaus führt eine Änderung der Frequenz und der Eingangsintensität auch dazu, dass sich die MI und TI ändern. Höhere Frequenzen haben eine bessere räumliche Auflösung und verringern die Wahrscheinlichkeit mechanischer Bioeffekte; Sie haben jedoch eine stärkere Absorption im Gewebe, was das Potenzial für einen Temperaturanstieg erhöht28. Alternativ erhöhen niedrigere Frequenzen bei gleicher Intensität den MI. In ähnlicher Weise führt eine Erhöhung der Intensität tendenziell zu einer Zunahme des Ausmaßes mechanischer und thermischer Bioeffekte30. Es ist daher zwingend erforderlich, dass vor den Experimenten für alle TUS-Parameter, die implementiert werden, eine sorgfältige Planung und Simulation durchgeführt wird.

Die Planung eines TUS-Experiments erfordert die Identifizierung des Ziels und der interessierenden Trajektorie sowie die Durchführung thermischer und akustischer Simulationen. Simulationen helfen dabei, mechanische Effekte zu optimieren und die thermischen Auswirkungen von TUS auf Gewebe abzuschwächen. Sie erfordern ein Verständnis der Vorhersage der Schädelerwärmung, der Druckamplitude des Ultraschalls im Brennpunkt, der fokalen Korrektur und anderer Erwärmungen innerhalb des Schädels und der Haut. Eine angemessene Simulation stellt sicher, dass der Schwerpunkt das gewünschte Ziel erreicht und die Sicherheitsparameter für den Ultraschalleinsatz eingehalten werden, die in den Sicherheitsrichtlinien zur biophysikalischen Sicherheit festgelegt sind, die vom International Transcranial Ultrasound Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST)31 empfohlen werden und auf den Empfehlungen der FDA und von Health Canada basieren. Neuere Studien haben auch einen auditiven Störeffekt hervorgehoben, der von TUS begleitet wird 32,33,34 bei Tieren und Menschen, wobei die TUS-Stimulation Hörbahnen im Gehirn aktivieren kann, um Reaktionen hervorzurufen 32,33,34. Die Durchtrennung der Hörnerven32, die Entfernung von Cochlea-Flüssigkeit32 oder die chemische Taubheit33 bei Nagetieren wurden eingesetzt, um diese Wirkungen bei Tieren zu verringern. Beim Menschen wurde die Verabreichung eines auditiven Tones über Kopfhörer verwendet, um auditive Geräusche effektiv von TUS zu maskieren, wobei die TUS-induzierte auditive Aktivität confoundy34 kontrolliert wurde. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, den Hörrauschen unter Scheinstimulationsbedingungen zu kontrollieren, was in die Planung, das Design und die Implementierung des Protokolls einbezogen werden muss.

Hier stellen wir Ihnen eine Anleitung vor, wie Sie die Vorbereitung (Schritt 1, Schritt 2), die Planung (Schritt 3), die Simulationen (Schritt 4) und die TUS-Durchführung (Schritt 5), die für die Durchführung des TUS-Neuromodulationsexperiments am Menschen erforderlich sind, angemessen abschließen.

Protocol

Alle Methoden, bei denen menschliche Probanden verwendet werden, wurden in Übereinstimmung mit dem Tri-Council Ethical Conduct for Research Involving Humans durchgeführt, und das Protokoll wurde vom Conjoint Health Research Ethics Board (CHREB) an der Universität Calgary genehmigt. Alle Probanden gaben vor der Teilnahme eine schriftliche Einverständniserklärung ab. Von den menschlichen Teilnehmern musste es sich um gesunde, rechtshändige Erwachsene im Alter zwischen 18 und 40 Jahren handeln, die bereit und in der L…

Representative Results

Abbildung 7 zeigt vergleichende Sitzungsproben aus einer unserer Studien42 mit zwei unterschiedlichen Teilnehmern, die spezifische Ultraschallparameter verwendeten (Grundfrequenz von 250 kHz, Beschallungsdauer von 120 s, eine Impulswiederholfrequenz (PRF) von 100 Hz, ein Tastverhältnis von 10 % und eineI SPPA von 5 W/cm²). In dieser Studie wurden T1-, T2-w- und ZTE-MRT-Scans mit einer isotropen Auflösung von 1 mm von neurologisch gesunden Probanden erhal…

Discussion

Bei dieser Methode werden fachspezifische Simulationen durchgeführt, um mögliche thermische und mechanische Effekte, die sich aus der TUS-Anwendung auf das Gehirn ergeben, vorherzusagen und zu bewerten. Die Datensätze zwischen den Teilnehmern müssen getrennt und sorgfältig dokumentiert werden, da die Verwendung eines falschen Scans oder einer falschen Datei zu ungenauen Simulationen führt. Wenn zahlreiche Teilnehmerscans gesammelt werden und die Planung gemeinsam durchgeführt wird, ist es wichtig, auf eine korrekt…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde teilweise durch einen Discovery Grant des Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, das INNOVAIT-Programm, den Cumming Medical Research Fund, die Canada Foundation for Innovation (Project 36703), den Hotchkiss Brain Institute CAPRI Grant und die Parkinson Association of Alberta Funding unterstützt. GBP bedankt sich für die Unterstützung durch die Canadian Institutes for Health Research (FDN-143290) und das Campus Alberta Innovates Chair Program.

Materials

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
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Referenzen

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Fairbanks, T., Zadeh, A. K., Raghuram, H., Coreas, A., Shrestha, S., Li, S., Pike, G. B., Girgis, F., Pichardo, S. Pipeline for Planning and Execution of Transcranial Ultrasound Neuromodulation Experiments in Humans. J. Vis. Exp. (208), e66972, doi:10.3791/66972 (2024).
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