DOI: https://doi.org/10.1016/j.brs.2024.04.013
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38410648
تاريخ النشر: 2024-04-25
المؤلف: Eleanor Martin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات الموجات فوق الصوتية والحرارة المفرطة
نظرة عامة
تحدد هذه القسم إنشاء إرشادات تقارير موحدة لتحفيز الموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) من قبل التحالف الدولي لسلامة ومعايير التحفيز فوق الصوتي عبر الجمجمة (ITRUSST). مع الاعتراف بأهمية TUS المتزايدة كتقنية تعديل عصبي غير جراحية، شكل التحالف لجنة فرعية من الخبراء لتعزيز القابلية للمقارنة وإعادة الإنتاج عبر الدراسات البحثية.
يركز الدليل الناتج بشكل خاص على الجوانب المتعلقة بالموجات فوق الصوتية لدراسات TUS ويشمل قائمة مراجعة للمعايير الأساسية للتقارير. تشمل هذه المعايير المحول ونظام القيادة، إعدادات نظام القيادة، معلمات الصوت في المجال الحر، معلمات توقيت النبض، تقديرات التعرض في الدماغ، ومعلمات الشدة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر الدليل تفسيرات مفصلة لكل معلمة، مع معالجة الافتراضات وتقنيات القياس والحسابات اللازمة للتقارير الدقيقة.
مقدمة
تحدد مقدمة ورقة البحث أهمية تحفيز الموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TUS) كتقنية تعديل عصبي غير جراحية تستخدم موجات فوق صوتية مركزة للتأثير على النشاط العصبي في الدماغ. يتم تسليط الضوء على TUS لدقتها المكانية وقدرتها على استهداف الهياكل العصبية العميقة، مما يجعلها أداة قيمة لأغراض علاجية وبحثية. مع تقدم المجال نحو دراسات بشرية أكثر شمولاً، أصبحت الحاجة إلى معايير تقارير موحدة أمرًا حاسمًا لتعزيز الفهم وإعادة الإنتاج. استجابةً لذلك، أنشأ التحالف الدولي لسلامة ومعايير التحفيز فوق الصوتي عبر الجمجمة (ITRUSST) لجنة فرعية لتطوير إرشادات محددة لتحفيز الموجات فوق الصوتية منخفضة الشدة، والتي تم تقديمها في هذه الورقة.
يركز الدليل على مكونات الموجات فوق الصوتية لتجارب TUS، مع استبعاد المناقشات حول طرق إضافية مثل EEG و fMRI، بالإضافة إلى عتبات السلامة، التي يتم تناولها في مستندات ITRUSST منفصلة. يفترض المؤلفون أن المجالات الصوتية التي تم تناولها في الدليل خطية، مع تقديم مبررات في المواد التكميلية. يتم تحديد هيكل الدليل، موضحًا تقارير مواصفات المحول، سعة ضغط الصوت، الخصائص المكانية للمنطقة البؤرية، معلمات توقيت النبض، ومعلمات التعرض، التي تأخذ في الاعتبار التشوهات الصوتية من الجمجمة وأنسجة الدماغ. كما تم تضمين قائمة شاملة من معايير التقارير المطلوبة في الأقسام التكميلية.
الطرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون طرقًا مختلفة للحصول على معلمات ضغط المجال الحر، والتي تعتبر حاسمة لقياسات المجال الصوتي. يمكن الحصول على هذه المعلمات من خلال قياسات المجال الصوتي المباشرة باستخدام هيدروفون في حوض مائي، أو بالإشارة إلى تقارير الاختبار، أو من خلال استخدام مزيج من تقنيات المحاكاة والقياس. تشمل المعلمات الرئيسية الموضع المحوري لضغط الذروة المكانية ($Z_{sp}$) والموضع المحوري لمركز المنطقة البؤرية -3dB ($Z_{c}$)، كلاهما بالنسبة إلى مستوى مرجعي محدد ($Z_{ref}$).
يؤكد المؤلفون على أهمية توثيق المصدر والمنهجية المستخدمة للحصول على هذه المعلمات، بما في ذلك أوصاف مفصلة لإجراءات القياس، مواصفات المعدات (مثل نوع الهيدروفون ومعلمات المعايرة)، والامتثال لمعايير قياس الهيدروفون المعمول بها. بالنسبة لأولئك الذين يقومون بإجراء قياساتهم الخاصة، يُوصى بالاطلاع على الأدبيات ذات الصلة وأفضل الممارسات لضمان الدقة والموثوقية في تحديد معلمات ضغط الصوت في المجال الحر. يتم تقديم مزيد من التفاصيل والمناقشات حول هذه المنهجيات في القسم B من الورقة.
المناقشة
تحدد قسم المناقشة في ورقة البحث المعلمات الحاسمة لتوصيف المحولات الصوتية وأنظمة القيادة المرتبطة بها، مع التأكيد على أهمية الإبلاغ عن معلمات ضغط الصوت في المجال الحر تحت ظروف موحدة. يشير المجال الحر إلى المجال الصوتي الناتج في الماء غير المعوق، مما يسمح بمقارنات متسقة عبر الدراسات. تشمل المعلمات الرئيسية سعة ضغط الذروة المكانية، أبعاد البؤرة، ومواقعها المعنية، والتي يجب الإبلاغ عنها عند الإعدادات الناتجة والبؤرية المستخدمة أثناء تعرض المشاركين. كما يبرز القسم الحاجة إلى أوصاف مفصلة لجيومترية المحول، مواصفات الشركة المصنعة، وإعدادات نظام القيادة، حيث تؤثر هذه العوامل بشكل كبير على المجال الصوتي الناتج.
علاوة على ذلك، تتناول الورقة تعقيدات تقدير معلمات التعرض في الدماغ، مع الأخذ في الاعتبار الخصائص الصوتية للجمجمة وأنسجة الدماغ التي تشوه الموجات فوق الصوتية. توصي الورقة بطرق مختلفة لتقدير سعات الضغط في الموقع، بما في ذلك المحاكاة، تقنيات التخفيض، والقياسات غير المباشرة لتأثيرات الموجات فوق الصوتية. كما يتم مناقشة المؤشر الميكانيكي (MI) والمعايير الحرارية، مثل ارتفاع درجة الحرارة ومؤشر الحرارة، كمؤشرات أساسية للتأثيرات البيولوجية المحتملة. يدعو المؤلفون إلى إطار عمل موحد للتقارير لتعزيز الوضوح والقابلية للمقارنة في دراسات الموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة، مما يضمن توثيق جميع المعلمات والمنهجيات ذات الصلة بشكل شامل.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.brs.2024.04.013
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38410648
Publication Date: 2024-04-25
Author(s): Eleanor Martin et al.
Primary Topic: Ultrasound and Hyperthermia Applications
Overview
The section outlines the establishment of standardized reporting guidelines for transcranial ultrasound stimulation (TUS) by the International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST). Recognizing the growing importance of TUS as a non-invasive neuromodulatory technique, the consortium formed a subcommittee of experts to enhance comparability and reproducibility across research studies.
The resulting guide focuses specifically on the ultrasound-related aspects of TUS studies and includes a checklist for essential reporting parameters. These parameters encompass the transducer and drive system, drive system settings, free field acoustic parameters, pulse timing parameters, in situ exposure estimates in the brain, and intensity parameters. Additionally, the guide provides detailed explanations for each parameter, addressing assumptions, measurement techniques, and calculations necessary for accurate reporting.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the significance of Transcranial Ultrasound Stimulation (TUS) as a non-invasive neuromodulation technique that utilizes focused ultrasound waves to influence neuronal activity in the brain. TUS is highlighted for its spatial precision and capability to target deep neural structures, making it a valuable tool for both therapeutic and research purposes. As the field progresses towards more extensive human studies, the need for standardized reporting parameters has become critical to enhance understanding and reproducibility. In response, the International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards Consortium (ITRUSST) established a subcommittee to develop guidelines specifically for low-intensity TUS, which are presented in this paper.
The guide focuses on the ultrasound components of TUS experiments, intentionally excluding discussions on additional modalities such as EEG and fMRI, as well as safety thresholds, which are covered in separate ITRUSST documents. The authors assume that the ultrasound fields addressed in the guide are linear, with justification provided in the supplementary material. The structure of the guide is outlined, detailing the reporting of transducer specifications, acoustic pressure amplitude, spatial characteristics of the focal region, pulse timing parameters, and exposure parameters, which account for acoustic distortions from the skull and brain tissue. A comprehensive checklist of required reporting parameters is also included in the supplementary sections.
Methods
In this section, the authors outline various methods for obtaining free field pressure parameters, which are crucial for acoustic field measurements. These parameters can be acquired through direct acoustic field measurements using a hydrophone in a water bath, referencing test reports, or by employing a combination of simulation and measurement techniques. Key parameters include the axial position of the spatial-peak pressure ($Z_{sp}$) and the axial position of the center of the -3dB focal region ($Z_{c}$), both relative to a defined reference plane ($Z_{ref}$).
The authors emphasize the importance of documenting the source and methodology used for obtaining these parameters, including detailed descriptions of measurement procedures, equipment specifications (such as hydrophone type and calibration parameters), and adherence to established hydrophone measurement standards. For those conducting their own measurements, consulting relevant literature and best practices is recommended to ensure accuracy and reliability in the determination of free field acoustic pressure parameters. Further details and discussions on these methodologies are provided in Section B of the paper.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the critical parameters for characterizing ultrasound transducers and their associated drive systems, emphasizing the importance of reporting free field acoustic pressure parameters under standardized conditions. The free field refers to the ultrasound field generated in unobstructed water, allowing for consistent comparisons across studies. Key parameters include the spatial peak pressure amplitude, focal dimensions, and their respective locations, which should be reported at the output and focal settings used during participant exposure. The section also highlights the need for detailed descriptions of the transducer’s geometry, manufacturer specifications, and drive system settings, as these factors significantly influence the acoustic field generated.
Furthermore, the paper addresses the complexities of estimating in situ exposure parameters within the brain, considering the acoustic properties of the skull and brain tissue that distort ultrasound waves. It recommends various methods for estimating in situ pressure amplitudes, including simulations, derating techniques, and indirect measurements of ultrasound effects. The mechanical index (MI) and thermal metrics, such as temperature rise and thermal index, are also discussed as essential indicators of potential bioeffects. The authors advocate for a standardized reporting framework to enhance clarity and comparability in transcranial ultrasound studies, ensuring that all relevant parameters and methodologies are documented comprehensively.