Brain Stimualtion：深部脑刺激器植入患者的经颅聚焦超声神经调控:离体热、动力学和靶向可行性评估

Brain Stimualtion：深部脑刺激器植入患者的经颅聚焦超声神经调控:离体热、动力学和靶向可行性评估

非侵入性经颅超声刺激（TUS）神经调控是一种新兴技术，已被证明对人类皮质细胞和皮质下目标安全。具有局部场电位 （LFP） 记录能力的深部脑刺激 （DBS） 系统可用于记录TUS诱导的LFP变化，LFP记录中的声压诱导伪影可以被视为声波与目标重合的证据。此外，将非侵入性脑刺激与DBS相结合具有治疗意义，例如测量病理性深部脑振荡的改变作为TUS刺激的客观临床结果.然而，这种利用的安全性需要在人体应用之前进行体外测试。在本文中，我们报告了我们的安全性和可行性实验，最终目标是用TUS刺激DBS植入的受试者。

1.   方法

1.1   实验设置

有关完整实验步骤，请参阅补充方法。我们设计了两个幻影模型;一个是由放置了部分人类尸体头骨的装满了声学特性类似于人脑组织的半固体凝胶的聚碳酸酯盒组成：头骨模型，另一个是空的无颅骨模型。所有实验均使用具有相同超声处理参数的四通道TUS换能器（Power/ch : 22 W,   ISPPA: 30 W/cm2,   ISPTA: 15 W/cm2,   fundamental frequency: 500 kHz,   focal depth: 60 mm,   burst length: 0.5 ms, duty cycle 50%）。

图1实验设置和结果。

（A）颅骨模型模型由一个聚碳酸酯盒组成，里面装满了聚丙烯酸钠盐凝胶。一个四通道TUS换能器（NeuroFus CTX-500，BrainBox Ltd，UK）连接到声学测量箱的支架臂上（Acertara Acoustic Laboratories，CO，USA），而深部电极则连接到机械臂上，在电极尖端近端10厘米处。将颅骨标本与换能器齐平放置，并将换能器的顶部与凝胶表面齐平。将另一根电极放置在距离测试电极2-6厘米处作为对照。(B) 机械臂将电极放置在 x 轴和 y 轴上的各种空间位置，而 z 轴保持恒定在距传感器 55 mm 的距离处。在 1 秒持续时间的超声刺激期间连续记录局部场电位（左）。观察到与这些脉冲超声同步的电压伪影。电压伪影的基线到峰值强度被空间映射（右）。最高平均强度 (29.1 μV) 在距离凝胶表面 40 mm 处测得 (X = 0, Y = -40)。 (C) 运动实验是在无颅骨模型中进行的。将捕获的视频导入 CvMob 软件并标记兴趣点（电极尖端（橙色）、接触（粉红色）和两个气泡（蓝色和绿色）（左）。基于帧的速度分析显示电极尖端的速度并且接触随着时间的推移逐渐保持稳定（在 ±0.03 像素/帧限制内），而气泡的速度在 X 和 Y 轴上与 1-s 声波同步（右）。（D）在有头骨模型和无颅骨模型中都进行了温度实验。在颅骨模型（左）中，六次 1-s 超声刺激导致电极触点上的温度上升达到 0.65°C。在 60-s 超声处理期间温度升高达到 1.53°C 的峰值。在停止超声处理后 7.5 秒内温度恢复达到基线（右）。（有关此图例中颜色参考的解释，请读者参考本文的网络版本。）

1.2 声波对连续LFP记录的影响

将DBS电极连接到3轴机械臂上，机器人驱动的电极被放置在头骨模型中对应x轴和y轴的不同空间位置，而z轴保持在与传感器保持55 mm距离处恒定（图1A）。

1.3 DBS电极的温度变化

将热传感器连接到DBS电极上，该电极通过两种不同的连接方法放置在距离传感器60 mm的位置（Supp.Figure1B）。测试了不同组合 [有颅骨/无颅骨模型，两种不同的探针附着方法，连续或脉冲超声处理，超声处理时间（1，3或30分钟），无导联，1或2导联] 的各种条件。使用Spike 2软件（CED）进行录音和分析。

1.4 DBS电极的运动

我们在无头骨模型中的10次1.0秒的超声处理期间捕获了一段视频（图1C，Supp.Figure1A）。凝胶中的电极尖，电极轴和两个气泡被标记为感兴趣区域。使用CvMob软件（UFBA，萨尔瓦多，巴西）分析标记点在连续帧中的移动。

2.结果

2.1 通过局部场电位记录估计TUS超声处理的空间分布

在连续的LFP记录中，观察到电压伪影与脉冲超声同步。对于有颅骨和无颅骨模型，这些伪影的平均基线至峰值强度分别为5.4和914.2μV。在控制导线中检测到的相应伪像电压分别为0.3和1.8 μV（补图2）。

在第二个实验中，通过在5×8的网格中，将导线在X（水平）轴上移动1毫米，在Y（垂直）轴上移动0.5毫米，在机械臂颅骨模型中映射出这些伪影的强度与电极到传感器的空间位置有关。最高的平均强度（29.1μV）是在横向零距离（x = 0）和深入凝胶表面40毫米（y = -40）处测量的。对于一个超过10μV的伪影强度水平，横向分辨率被限制在20-30毫米，垂直分辨率为10毫米。在垂直方向的主焦点之上10-15毫米，存在一个卫星刺激焦点（图1B）

2.2 安全简介

2.2.1   运动

导线尖端和电极接触点的X轴和Y轴的速度都在±0.03像素/帧的限度内（1像素对应0.06毫米）（图1C）

2.2.2   温度

在30分钟的连续超声刺激处理过程中，导线上记录的**加热是+1.67 °C，在83秒时达到。在连续超声刺激处理开始时，5.4秒内达到+1°C的增量，而在60秒内温度上升的峰值为+1.53°C。超声处理关闭后，温度在7.5秒内恢复到基线（图1D）。各种条件的不同组合的结果在Supp.Table 1中给出。

3.   讨论

各种研究已经证明了TUS在人类中的安全应用；但是，这种方式在DBS植入患者中的安全性还需要研究。在这些实验中观察到的**温升（+1.67℃）低于脑组织的**允许安全限度。我们的实验还表明，电极尖端的微动<0.06毫米，这并不存在明显的安全问题。这些基础性的结果对加强向人体研究的转化是令人鼓舞的。对DBS植入的患者进行TUS超声刺激，可能代表了一种客观的措施，通过DBS和TUS临床、神经影像和神经生理结果的对象内比较来优化TUS参数。

我们对新植入DBS的病人在手术后立即通过外置导线进行神经生理学评估有大量经验。然而，由于手术后有可能出现颅内空气滞留，这样的程序对TUS实验来说可能是有风险的。因此，我们选择在实验中使用一个LFP感应的植入式脉冲发生器（Percept PC）。我们使用的超声参数与我们以前的论文相似，但使用更长的超声时间（即30分钟）来研究极端条件下的效果。在这些实验中，我们面临一些限制。没有进行全面的热和假象结果的体积测绘。此外，由于幻影凝胶是均匀的，并且在室温下，它不能完全模拟人脑组织的细胞结构和血管性质。此外，Percept PC的记录缺乏生理性LFP基线。然而，由于这些基线通常在40μV左右，观察到的超声伪影可能仍然是明显的。

4. 结论

我们的离体实验表明，TUS超声处理不会在DBS导线上产生危险的温度升高或运动。此外，声波在LFP记录过程中施加了伪影，这可以被视为超声波与目标重合的反馈。

上述论文于2022年2月发表于Brain Stimulation杂志，DOI: https://doi.org/10.1016/j.brs.2021.12.012