经颅聚焦超声刺激仪 NeuroFUS PRO for TUS


简介 前沿商业化高精度经颅聚焦超声刺激及影像导航系统完整解决方案
品牌 NEUROFUS
型号 NeuroFUS PRO


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NeuroFUS经颅聚焦超声刺激系统由BrainBox公司负责全球推广销售,脑盒科技 (BrainBox China)为大中华区总代理,敬请致电400-880-8790了解更多产品详情。


聚焦超声刺激的优势


经颅聚焦超声刺激 (TUS/tFUS) 是一项革命性的非侵入性神经调控技术,以数十年的聚焦超声技术经验为基础。经颅聚焦超声 (TUS/tFUS) 不使用电刺激或磁刺激,而是使用微调的超声波,这些声波可以集中在大脑中任何地方的精确目标上。因此,与其他无创神经调控方法相比,tFUS/TUS提供了前所未有的空间分辨率和精度控制。与其他方法相比,经颅聚焦超声 (TUS/tFUS) 还可以靶向更深的大脑区域,实现无痛无创非侵入性的深部脑刺激。


此外,经颅聚焦超声刺激 (TUS/tFUS) 可以有控制地刺激或抑制特定的神经活动,这通常取决于精确的超声脉冲参数,例如强度或频率。这种特异性为研究人员提供了前所未有的控制和靶向能力,以及革命性的精度和分辨率。相比之下,tES和TMS提供的控制和特异性有限。


鉴于经颅聚焦超声刺激 (TUS/tFUS) 的非凡能力,它有望为各种神经系统疾病提供新的治疗方法,从慢性疼痛和记忆丧失到心理障碍和失眠。更重要的是,由于经颅聚焦超声刺激 (TUS/tFUS) 产生的信号可以激发肌肉收缩并激活特定的大脑区域,因此它有望成为高分辨率Brain Mapping的革命性工具。


NeuroFUS允许前所未有的高空间分辨率和皮质表面下位点的神经调控。

经颅聚焦超声刺激TUS 0.5Mhz刺激范围

Source: Neuromodulation with single‐element transcranial focused ultrasound in human thalamus. Legon W, Ai L, Bansal P, Mueller JK. Human brain mapping.   2018 May;39(5):1995-2006.


NEUROFUS 解决方案


NeuroFUS™是一套革命性的交钥匙系统,为经颅聚焦超声刺激(TUS/tFUS)神经调控提供前所未有的空间分辨率和可调节的靶向能力。NeuroFUS使用***的工程技术开发,使研究人员能够以极高的精度控制非侵入性经颅脑或透皮神经调控的深度。NeuroFUS提供简化的LT版本和增强型的NeuroFUS PRO™版本,可与可选配件(如机械臂或导航系统)一起订购,以获得完整的实验室就绪的完整TUS/tFUS实验系统。


NeuroFUS PRO™——低强度经颅聚焦超声刺激(Transcranial Ultrasound Stimulation,tFUS/TUS)技术完整Turnkey解决方案


美国Sonic Concepts公司推出的NeuroFUS PRO™经颅聚焦超声刺激系统是由Sonic Concepts, Inc., Brainbox, Ltd.和IST公司三家公司联合开发和制造。采用美国Sonic Concepts公司提供的尖端超声换能器技术及TPO驱动技术,提供了完整商业化低强度经颅聚焦超声刺激(TUS/tFUS)技术解决方案,包括多种规格的超声换能器,配套神经影像导航定位系统,全自动机器人系统,超声刺激仿真模拟及规划软件系统等。


NeuroFUS PRO™经颅聚焦超声刺激系统可用于对人脑进行低强度脉冲经颅聚焦超声(TUS/tFUS),实现前所未有的高空间分辨率和皮层下的神经调节。可以用于神经科学相关研究,为研究人员提供前所未有的超高空间分辨率和T可调节的聚焦位置。


经颅聚焦超声刺激系统在电磁和机械方面都与多数现代神经科学研究方法和神经技术相互兼容,包括:人类行为学;光学成像(包括近红外光谱);脑电图;AR和/或VR沉浸或刺激;周围神经刺激(包括迷走神经刺激);以及其他神经调节方法,如tES、tDCS、tACS和TMS,为研究人员开展真正先进的多模态神经科学项目提供了可能性。


经颅聚焦超声刺激系统提供经颅(TUS/tFUS)或外周聚焦超声(pFUS)波形,用于高分辨率调节神经元活动。TUS/tFUS的工作方式与经颅磁刺激(TMS)类似,但使用低强度脉冲超声代替磁脉冲。因此,与其他非侵入性脑刺激方法相比,NeuroFUS提供了显著更高的空间分辨率,能够到达更深的大脑区域。


经颅聚焦超声刺激(Transcranial Focused Ultrasound Stimulation,TUS/tFUS)技术:


使用低频、脉冲经颅聚焦超声(tFUS)对人脑进行调节,具有前所未有的超高空间分辨率,并可对皮质表面以下部位(如丘脑)进行神经调节

超声聚焦的横向宽度变化可以从6.45mm(CTX -250)到低至1.53mm(CTX-1000)

可以与脑电(EEG),功能磁共振成像(fMRI)以及肌电(EMG)全部兼容

可实现可视化热敏区域确认


NeuroFUS经颅聚焦超声刺激产品描述


NeuroFUS PRO™系列经颅聚焦超声刺激系统在LT系列的基础上包含系列附加物品和功能部件,可以确保使用过程中的安全。包括以下几点:             

  • NEUROFUS

           以前所未有的分辨率提供脉冲聚焦超声刺激

    皮质聚焦换能器 (CTX) 或微聚焦换能器 (uTX)

    换能器功率控制系统

    用户友好的控制界面

  • 命令行交互界面

           命令行交互界面

    提供用户友好的定制交互控制软件界面,具有预编程的神经调节波形,开箱即用

  • 软件开发工具包工具 SDK tool

           提供对神经调控波形参数的增强控制

    允许研究小组共享和验证结果

  • 兼容连接器

          内置触发连接模块,可轻松与***的神经科学设备集成

  • 安全特性

          通过峰值功率限制和自动关机保护有价值的研究对象和设备


NeuroFUS PRO™经颅聚焦超声刺激系统主要由换能器输出驱动系统(Transducer Power Output, TPO)和换能器(Transducer)两部分构成。所有设备均经过严格全面的校准。采用高保真放大器技术产生高纯频谱的正弦信号,TPO的每个通道都支持从单周期脉冲到large burst的传输模式。换能器探头则是由包含四个子孔径的4阵元环型相控超声换能器和匹配电路构成。 经放大的正弦电压波形通过匹配的电路进入相应的换能器子孔径转换为相应声压。控制系统通过给每个阵元施加不同的时间延迟的办法以电子方式实现对声波沿轴线聚焦位置的微米级控制。聚焦深度可以动态调节(标准深度为30mm-70mm,其他深度可定制)。声学强度和波束的校准是在自由场中进行。用户可以通过控制面板执行畸变和衰减校正。


为了将转换器的球形表面与患者头部贴合,换能器球形凹面由固体水耦合材料填充,固体水耦合材料与患者紧密接触时,声音压力能够传播到被试的治疗靶点。FUS换能器还专门配备有手柄,用于手动定位放置。


换能器

NeuroFUS PRO™经颅聚焦超声刺激系统(TUS)可以选配提供四种换能器,并可根据需要提供定制型号。如何选择CTX传感器取决于沿传播路径的衰减,焦点大小和神经刺激的有效频率,常用换能器主要技术指标如下:


CTX

带有轴向焦点转向功能的的经颅换能器,适合用于人体和大型动物

NeuroFUS经颅聚焦超声刺激CTX换能器结构示意图


*CTX drawing not to scale


uTX

带有轴向焦点转向功能的的换能器,适合用于小动物和体外研究

NeuroFUS经颅聚焦超声刺激uTX换能器结构示意图

*uTX drawing not to scale



焦距强度


所有NeuroFUS换能器将85%的电能转换为声功率。总声功率(TAP)在沿传播轴的每个横向平面上保持不变,假设存在线性自由场。在探头的球面上,TAP可以解释为强度(TAP/孔径面积)和压力,其中I = p^2/ (D x c),单位为瓦特/平方米。探头的频率、球面尺寸和f值用于确定焦距增益。然后将该焦点增益转换为强度,以预测空间峰值脉冲平均强度(ISPPA)的自由场估计值。


衰减


经颅超声将沿传播路径衰减。几项研究表明,平均有2.7 dB/cm*通过换能器和焦点之间的人类头骨损失。在这种衰减中,大部分损失归因于头骨内的散射和反射。NeuroFUS硬件限制了预测的非降额(自由场)ISPPA。每个NeuroFUS单元的驱动电子设备都使用可追溯到国家物理实验室(NPL)的针状水听器校准为Sonic Concepts测量的非降额声学焦点。

*人类头骨平均值:ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22225300


空间分辨率

下面的声压场说明了uTX-2500换能器沿横向的聚焦。相干聚焦测量 0.5 mm 横向宽度 x 2.6 mm 轴向长度,比其声学**值低 -3 dB。单位以毫米为单位,相对声压数据使用红色(**值)到蓝色(最小值)色谱显示。

经颅聚焦超声刺激uTX-2500换能器沿横向的聚焦



动态聚焦深度转向

下面的声压场图说明了NeuroFUS CTX-500沿横向平面的软件控制空间调制。NeuroFUS焦点显示在30毫米(左上),40毫米(右上)和75毫米(下)深度。

NeuroFUS经颅聚焦超声刺激CTX-500 Focus


转向范围


下表显示了每个NeuroFUS传感器的转向范围和穿透距离。光栅瓣范围是指所测试的转向范围,其中所有光栅波瓣都比预期的主焦点超过10 dB。穿透距离是指传感器面与焦点之间的距离,考虑光栅瓣范围。

经颅聚焦超声刺激换能器转向范围


          注意:列出的探头焦距尺寸是根据理想条件模拟的。实际的自由场性能可能会有所不同,并且厂家将为每个传感器提供实测数据。



功率估算和比较


下表计算了补偿-3 dB转向损耗所需的有效电功率。例如,当将CTX-500转向32 mm的最小穿透距离时,功率输出加倍以校正-3 dB损耗,以保持30 W / cm ^ 2强度。

经颅聚焦超声刺激不同换能器聚焦强度估算




配套选配Options:


1. k-Plan经颅聚焦超声刺激仿真模拟规划软件


        提供用于精确规划超声刺激TUS程序的高级建模工具


        利用云计算自动进行颅骨和大脑内部的聚焦超声波场和温度的高分辨率仿真模拟计算。


2.配套神经影像导航定位系统 Brainsight2导航系统


       提供配套连接适配套件


       导航软件针对经颅聚焦超声刺激TUS应用专门优化


       即将支持导入K-PLAN超声刺激规划方案


3.配套Axilum COBOT机器人系统

       

       提供配套连接套件,由Brainsight2导航系统驱动控制,实现导航引导下的全自动精准刺激。






经颅聚焦超声刺激安全性


NeuroFUS PRO™经颅聚焦超声刺激系统在大量动物模型及人类使用中已被证实安全。

最近的一项研究分析了一系列七个不同的tFUS神经刺激研究(自Legon等人)中共计120位被试人员的急性安全性报告。数据如右图所示,未报告任何严重的不良反应和副作用。关于更多安全性相关信息,可以参阅链接:经颅聚焦超声刺激(TUS/tFUS)的安全性

经颅聚焦超声刺激不良反应统计



NeuroFUS经颅超声刺激TUS相关视频资料


NeuroFUS经颅超声刺激系统拆箱视频 NeuroFUS Unboxing and Transducer Connection



NeuroFUS经颅聚焦超声刺激系统 USB Serial Terminal COM Interface






参考文献


  1. Systematic examination of low-intensity ultrasound parameters on human motor cortex excitability and behavior. Anton Fomenko Is a corresponding author, Kai-Hsiang Stanley Chen, Jean-François Nankoo, James Saravanamuttu, Yanqiu Wang, Mazen El-Baba, Xue Xia, Shakthi Sanjana Seerala, Kullervo Hynynen. ELife. November 2020

  2. Neuronavigated Repetitive Transcranial Ultrasound Stimulation Induces Long-Lasting and Reversible Effects on Oculomotor Performance in Non-human Primates. Pierre Pouget, Stephen Frey, Harry Ahnine1, David Attali, Julien Claron, Charlotte Constans, Jean-Francois Aubry and Fabrice Arcizet. Frontiers in Physiology. August 2020

  3. Remote, brain region–specific control of choice behavior with ultrasonic waves. Jan Kubanek1, Julian Brown, Patrick Ye, Kim Butts Pauly, Tirin Moore and William Newsome. ScienceAdvances. May 2020

  4. Effect Of Low-intensity Pulsed Ultrasound On Epileptiform Discharges In A Penicillin-induced Epilepsy Model In Non-human Primates. J. Zou, Y. Guo, L. Niu, L. Meng, N. Pang, H. Zheng. Brain Stimulation. March 2019

  5. Manipulation of Subcortical and Deep Cortical Activity in the Primate Brain Using Transcranial Focused Ultrasound Stimulation. Davide Folloni, Lennart Verhagen, Rogier B Mars, Elsa Fouragnan, Charlotte Constans, Jean-François Aubry, Matthew F S Rushworth, Jérôme Sallet. Neuron. March 2019

  6. Offline impact of transcranial focused ultrasound on cortical activation in primates. Lennart Verhagen [. . .] Jerome Sallet. ELife. February 2019

  7. Real-time imaging of brain displacement during FUS neuromodulation in rodents in vivo. Tara Kugelman, Mark T. Burgess, Elisa Konofagou. The Journal of the Acoustical Society of America. 2019

  8. Neuromodulation of sensory networks in monkey brain by focused ultrasound with MRI guidance and detection. Pai-Feng Yang, M. Anthony Phipps, Allen T. Newton, Vandiver Chaplin, John C. Gore, Charles F. Caskey, & Li Min Chen. Scientific Reports. May 2018

  9. Transcranial ultrasonic stimulation modulates single-neuron discharge in macaques performing an antisaccade task. Nicolas Wattiez, Charlotte Constans, Thomas Deffieux, Mickael Tanter, Jean-François Aubry, Pierre Pouget. Brain Stimulation. November 2017




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