经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）的安全性

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2022-01-29 13:18

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像所有非侵入性脑刺激技术一样，经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）出现不良反应的风险很低（参见Maizey et al., 2013，关于经颅磁刺激的一个例子）（TMS）。Legon等人（2020）发表了来自参加七个经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）实验的64/120名参与者的症状问卷报告的结果。7/64报告了与应用经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）"可能"或"可能"相关的轻度至中度症状，包括肌肉抽搐，注意力问题，焦虑和颈部疼痛，这些症状在应用tFUS后20分钟后报告，但在应用经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）后1周至1个月后没有报告。图1显示了在tFUS后报告不良反应的参与者数量，以及它与超声处理有关的可能性，可以在下面的图1中找到。

(Figure 1: A retrospective qualitative report of symptoms and safety from transcranial focused ultrasound for neuromodulation in humans. Legon W, Adams S, Bansal P, Patel PD, Hobbs L, Ai L, Mueller JK, Meekins G, & Gillick BT. Scientific Reports. March 2020)

经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）有可能产生损害的两个主要途径：惯性空化现象（机械效应）和加热（热效应）。当软组织中形成气腔（或"气泡"）时，会发生惯性空化。在某些条件下，这些空腔可以塌陷而不是振荡，从而产生不需要的力并影响邻近组织。有两种与惯性空化有关的度量：1）Isppa，这是空间峰值脉冲平均值，这是在空间**值的空间中的点计算的平均强度，并以W/cm²为单位进行测量;和2）机械指数（MI），它提供了惯性空化可能性的估计。相比之下，超声波过程中有两种不同的加热方式：1）测量软组织中温度升高的热指数（TI）;2）空间峰值时间平均强度（Ispta），它是指在空间中超声波束能量吸收**的点上，能量随时间变化的平均强度。Ispta以W/cm²为单位进行测量。一些实验使用MR测温法在丘脑刺激期间以非侵入性方式监测组织温度，并使用组织学检查确认不存在组织损伤（Dallapiazza等人，2017）。

经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）安全注意事项

在神经调节的tFUS研究中，3 mW/cm2的有效强度极限被倾向于用作Ispta的上限（Lee et al., 2016），而30 mW/cm²目前被作为粗略的Isppa极限（Pasquinelli et al., 2019; Tyler, 2019）。Pasquinelli等人（2019）指出，美国FDA对于诊断超声的标准还要求在人类刺激之前对经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）参数进行特定方案的估计。至关重要的是，需要对超声波束通过人体颅骨的影响在刺激之前进行建模评估，这样就可以在人类刺激之前估计这些参数的安全性。MATLAB k-Wave工具箱在这里是必不可少的，它已经成功地用于模拟超声波通过头骨的传播，用于tFUS应用（参见Mueller et al.， 2017，有关估计tFUS经头骨传播特性的详细信息）。

颅骨可以从超声波中吸收大量能量，从而导致发热。颅骨也可以衰减超声波，这种衰减的程度由颅骨在超声波路径中的骨密度决定（Tyler et al., 2018）。骨密度对神经调控效果的影响再次证实了模拟超声波通过人类颅骨的必要性，以开发安全且被试个体化的刺激参数方案。可以使用磁共振测温法在线监测头骨温度（Ozenne et al., 2020; Dallapiazza et al., 2018）。这种方法表明，温度的变化**于头骨，并且仅在1到2摄氏度之间（Ozenne等人，2020）。因此，tFUS和MRI的组合可以保证经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）方案不会实时导致颅骨温度的危险升高。

需要考虑的一个关键变量是设计安全tFUS协议时的刺激间隔（ISI）。到目前为止，7 - 12秒的ISI尚未与任何损害相关联（Tyler，2019）。7秒的ISI比与以微出血形式出现的组织损伤相关的1秒ISI大得多（Lee等人，2016）。然而，最近的一篇论文解决了Lee等人（2016）提出的问题。Gaur等人（2020）使用Lee等人（2016）使用的经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）方案，并将TUS治疗的受试者的组织学证据与未接受TUS治疗的对照组进行了比较。Gaur等人发现，与对照组相比，TUS治疗受试者的实质红细胞外渗量没有差异。这表明损坏的证据是死亡后产生的，而不是TUS应用的结果。

目前对低强度tFUS的建议是在中等到高重复频率（范围从10Hz – 2kHz）和低占空比（<50%）下应用短脉冲（范围从0.02到100ms），以及小于30W/cm²的Isppa作为在进一步研究澄清tFUS的安全使用限制之前的研究起点Tyler, 2019)。除了仔细考虑和研究低强度tFUS参数外，使用MATLAB工具对骨密度进行建模，将使经颅聚焦超声刺激（TUS/tFUS）前所未有的空间分辨率能够用于安全地理解神经回路及其对认知，生理和行为的影响。

参考文献：