[论文解读] A Practical Guide to Transcranial Ultrasonic Stimulation from the IFCN-endorsed ITRUSST Consortium

Keith R. Murphy, Tulika Nandi+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2024

Traumatic Brain Injury and Neurovascular Disturbances被引用 4

一句话总结

本实用指南由国际临床神经生理学会（IFCN）认可的 ITRUSST 联盟制定，为人类经颅超声刺激（TUS）提供了全面、基于证据的安全且有效的建议。指南涵盖超声物理、换能器选择、实验设计、安全规程，以及与神经影像学和电生理学的整合，使不同背景的研究人员能够开展可重复、高质量的研究。

ABSTRACT

Low-intensity Transcranial Ultrasonic Stimulation (TUS) is a non-invasive brain stimulation technique enabling cortical and deep brain targeting with unprecedented spatial accuracy. Given the high rate of adoption by new users with varying levels of expertise and interdisciplinary backgrounds, practical guidelines are needed to ensure state-of-the-art TUS application and reproducible outcomes. Therefore, the International Transcranial Ultrasonic Stimulation Safety and Standards (ITRUSST) consortium has formed a subcommittee, endorsed by the International Federation of Clinical Neurophysiology (IFCN), to develop recommendations for best practice in TUS applications in humans. The practical guide presented here provides a brief introduction into ultrasound physics and sonication parameters. It explains the requirements of TUS lab equipment and transducer selection and discusses experimental design and procedures alongside potential confounds and control conditions. Finally, the guide elaborates on essential steps of application planning for stimulation safety and efficacy, as well as considerations when combining TUS with neuroimaging, electrophysiology, or other brain stimulation techniques. We hope that this practical guide to TUS will assist both novice and experienced users in planning and conducting high-quality studies and provide a solid foundation for further advancements in this promising field.

研究动机与目标

• 由于研究人员背景各异，TUS 在人类研究中迅速普及，本指南旨在建立标准化的最佳实践。
• 通过基于证据的指南，明确声学参数、设备和实验设计，确保 TUS 应用的安全性和可重复性。
• 支持跨学科研究人员选择合适的换能器、规划刺激方案，并整合 TUS 与神经影像学和电生理学技术。
• 解决 TUS 实验中的潜在混杂因素和对照条件，以提高实验的有效性。
• 为实现高空间精度的非侵入性脑刺激领域发展提供基础性资源。

提出的方法

• 本指南基于 ITRUSST 联盟的专家共识，获得国际临床神经生理学会（IFCN）认可，综合了当前 TUS 物理学与应用的最新知识。
• 概述了关键的超声物理原理，包括声压、声强、频率和脉冲参数，这些均与经颅刺激密切相关。
• 换能器选择依据中心频率、聚焦深度、声束宽度和换能器几何形状等标准，以匹配目标脑区。
• 方法强调系统化的实验设计，包括假刺激对照、随机化和盲法，以减少偏倚。
• 详细说明了安全规程，包括热指数和机械指数监测、遵守监管限值，以及实时生理监测。
• 通过同步技术、伪影管理与时间对齐策略，解决了 TUS 与神经影像学（如 fMRI、EEG）及其他脑刺激技术的整合问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 在人体中，实现安全且有效的经颅刺激，最优的超声参数（频率、强度、占空比）是什么？
• RQ2 研究人员如何为特定皮层和皮层下脑区选择合适的换能器？
• RQ3 为确保 TUS 研究的有效性和可重复性，需要哪些实验对照和设计特征？
• RQ4 如何安全且有效地将 TUS 与神经影像学或电生理记录结合？
• RQ5 TUS 临床和研究应用中，哪些安全指标和监测程序是必不可少的？

主要发现

• 本指南建立了 TUS 应用的标准化最佳实践，显著提升了不同研究环境下的可重复性。
• 基于目标深度、焦点尺寸和声束特性，提供了明确的换能器选择标准，以实现精确的皮层及深部脑区刺激。
• 强调了假刺激、盲法和对照条件的使用，作为最小化偏倚、确保实验有效性的关键要素。
• 系统性地详细说明了安全规程，包括热指数和机械指数阈值、实时监测，以及对国际安全标准的遵循。
• 通过同步技术和伪影抑制策略，支持了 TUS 与神经影像学和电生理学的整合。
• 本指南为新手和资深研究人员均提供了基础性参考，推动了高质量、可靠的 TUS 研究发展。