В Корее смогли стимулировать несколько участков мозга одновременно УЗ-линзой, спроектированной с помощью ИИ
- 12 часов назад
- 5 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- DGIST разработал технологию голографической стимуляции мозга на основе ИИ
Профессор Хван Чже Юн (слева направо) и доктор Ли Мун Хван из DGIST, профессора Чон Ы Хон и Квон Хёк Сан из GIST [Фото предоставлено DGIST]
Появилась новая технология, позволяющая проводить индивидуализированную стимуляцию мозга для пациентов с такими заболеваниями, как болезнь Паркинсона и депрессия.
Исследовательская группа под руководством профессора Хван Чже Юна с кафедры электрической инженерии и компьютерных наук DGIST (Институт науки и технологии Тэгу-Кёнбук) совместно с исследовательской группой во главе с профессорами Чон Ы Хона и Квон Хёк Сана с кафедры биомедицинских наук и инженерии GIST (Инстиут науки и технологии Кванджу) разработала технологию «TOAH (Thickness-Optimal Acoustic Hologram) на основе искусственного интеллекта», которая позволяет с высокой точностью стимулировать несколько областей мозга одновременно за счёт непосредственной оптимизации толщины линз, изготовленных с помощью 3D-печати.
Существующие технологии ультразвуковой стимуляции мозга имели серьезный недостаток: когда ультразвук проходил через твердый и неровный череп, он терял фокус, а энергия, передаваемая к различным целям, распределялась неравномерно. Для преодоления этой проблемы требовалось сложное и дорогостоящее многоканальное оборудование с множеством ультразвуковых элементов.
Исследовательская группа по главе с профессором Хван Чже Юном решила эту проблему, объединив искусственный интеллект и физическую оптимизацию. Чтобы ультразвук мог точно достигать различных целей в мозге, преодолевая преломления в черепе, ИИ спроектировал трехмерную структуру линзы, которая затем изготавливается на 3D-принтере, что позволило значительно сократить погрешности.
Ключевым моментом является то, что многоцелевая стимуляция мозга стала возможна с помощью всего одной тонкой линзы, напечатанной на 3D-принтере, и одного УЗ-элемента. Другими словами, можно одновременно и равномерно сфокусировать ультразвук на нескольких областях мозга без дорогостоящего оборудования.
Результаты экспериментов на черепе мышей и моделирования показали, что новая технология позволяет формировать фокус гораздо точнее, чем существующие методы, и равномерно передавать энергию на несколько целей. Кроме того, значительно повысилась эффективность подавления побочного эффекта в виде нагрева черепа за счет уменьшения излишней концентрации энергии на черепе.
Рис. 1 Дифференцируемое приближение голограммной линзы и сквозная оптимизация акустической голограммы с учетом физических законов.
(A) Сквозная дифференцируемая оптимизационная схема для проектирования TOAH. Непрерывная карта параметров линзы 𝜃 отображается на трехмерную геометрию линзы с помощью метода DHLA, после чего проводится моделирование акустических волн и расчет потерь. Гистограмма иллюстрирует полученное квазибинарное распределение оптимизированной линзы. (B) Траектория оптимизации предлагаемой TOAH. Функция потерь уменьшается по мере итераций, поскольку геометрия голограммы эволюционирует, чтобы лучше воспроизводить целевое акустическое поле. Типичные снимки геометрии линзы и соответствующих смоделированных акустических полей иллюстрируют постепенное улучшение реконструкции в ходе оптимизации.
Рис. 2 Протокол ультразвуковой стимуляции in vivo и экспериментальная установка для мультифокальной нейромодуляции с использованием TOAH.
(A) Блок-схема и временная структура сигнала стимуляции. Триггер, сгенерированный на ПЛИС, запускал генератор функций для выработки синусоидального сигнала частотой 2 МГц, который усиливался и подавался на датчик. Стимуляция проводилась в течение 120 с с использованием повторяющихся тональных импульсов (продолжительность тонального импульса (TBD) = 3 мс, период повторения импульсов (PRP) = 5 мс) с интервалом между стимуляциями (ISI) 200 мс. (B) Фотография установки для стимуляции под стереотаксическим контролем.
Голографический ультразвуковой модуль расположен над головой мыши.
Рис. 3 Традиционная упрощённая акустическая голограмма, основанная на допущениях и учитывающая только фазу, в сравнении с предлагаемой акустической голограммой, учитывающей только толщину и основанной на физических принципах.
(A, D) Алгоритмы формирования традиционной акустической голограммы, учитывающей только фазу, и предлагаемой акустической голограммы, учитывающей только толщину. (B, E) Оптимизированные голограммы и смоделированные акустические поля для методов голограмм, учитывающих только фазу и только толщину, соответственно.
(C, F) Реализованные голограммы и измеренные акустические поля в физической области, где голограммы изготовлены в виде линз.
Рис. 4 Установка для транскраниальной ультразвуковой стимуляции с использованием предлагаемой TOAH.
(A) Целевые области для мультифокальной стимуляции в мозге мыши, включая вентральные задние ядра (VP) и периакведуктальное серое вещество (PAG). (B) Схема численного моделирования транскраниальной фокусировки ультразвука через модель черепа грызуна. Красные кружки обозначают целевые фокальные точки. (C) Разборный вид голографического ультразвукового модуля, состоящего из передающей апертуры, голограммной линзы и конуса акустической связи. (D) Экспериментальная установка для транскраниальной стимуляции с использованием стереотаксического держателя датчика и специально изготовленного ультразвукового датчика, выровненного по модели грызуна.
(E) Конструкция датчика, на которой видны диск из PZT-4, согласующий слой (оксид алюминия–эпоксидная смола), воздушный подложный слой и голограммная линза, изготовленная методом 3D-печати.
Рис. 5 Согласованность между областями оптимизации и изготовления.
(A) Реконструированные трехмерные поля акустического давления в обеих областях для одно-, двух- и трёхфокальных конфигураций. (B) Количественные показатели эффективности: (a) точность поля между областями, (b) пиковое фокальное давление, (c) коэффициент утечки энергии, (d) равномерность интенсивности в фокальной области (красная пунктирная линия обозначает пороговое значение для недостаточной равномерности), (e, f) осевая и поперечная полная ширина на половине максимума (FWHM) и (g) фокальный объем −6 дБ.
Рис. 6 Экс-виво валидация реконструкции транскраниального акустического поля.
Типичные экспериментально измеренные поля акустической интенсивности для одно-, двух- и трехфокальных конфигураций с использованием метода Diff-PAT и предложенного метода TOAH. На левых панелях показаны измеренные трехмерные распределения интенсивности, а на правых — соответствующие поля с порогом −6 дБ, на которых выделены реконструированные фокальные области.
Рис. 7 Схема эксперимента in vivo и многофокальное транскраниальное ультразвуковое нацеливание с использованием TOAH.
(A) Хронология экспериментального исследования in vivo.
(B) Визуализация двухфокальной линзы TOAH, разработанной для двусторонней стимуляции ядер VP таламуса. (C) Трехмерная реконструкция поля акустического давления, генерируемого TOAH. (D) Наложение распределения акустической интенсивности на корональный срез мозга мыши с отсылкой к «Атласу мозга Аллена».
Рис. 8 Поведенческая и гистологическая валидация многоочаговой транскраниальной стимуляции с использованием TOAH.
(A) Типичные иммунофлюоресцентные изображения ядер VP, демонстрирующие окрашивание NeuN (зеленый), c-Fos (красный) и DAPI (синий) для групп SC, SC + US, CCI и CCI + US. (B) Порог механического отдергивания, измеренный с помощью теста фон Фрея, демонстрирующий функциональную модуляцию после стимуляции с использованием TOAH. (C) Количественная оценка плотности нейронов NeuN+ (слева) и плотности клеток c-Fos+ (справа) в ядрах VP. (D) Процент активных нейронов, определяемый как соотношение клеток c-Fos+ к NeuN+. Данные представлены в виде среднего значения ± стандартная ошибка среднего (𝑛 = 3 животных в каждой группе). ∗𝑃 < 0,05, ∗∗𝑃 < 0,01 и n.s. — не значимо; двусторонний дисперсионный анализ (ANOVA) с последующим тестом Сидака для множественных сравнений. Точки обозначают отдельных животных.
Рис. 9 Оценка TOAH с помощью моделирования человеческого черепа на различных моделях черепа.
(A) Трехмерные реконструированные поля акустического давления в одной из моделей человеческого черепа, построенной на основе данных КТ (череп A), для наведения на 2 и 3 очага при частотах 500 кГц и 1 МГц. (B) Количественное сравнение TOAH и TR для всех сопоставленных условий «череп–частота–конфигурация очага» (n = 5). Показатели включают точность междоменного поля, осевую ширину полного полувысоты (FWHM), боковую ширину полного полувысоты (FWHM), объем очага и однородность интенсивности в очаге. Каждая сопоставленная пара представляет один и тот же череп, рабочую частоту и конфигурацию очага. Статистические данные отражают общий эффект сравнения TOAH и TR, полученный с помощью линейных моделей со смешанными эффектами. ∗𝑃<0,05; ∗∗𝑃<0,01; ∗∗∗𝑃<0,001; n.s. — не значимо. Красная пунктирная линия обозначает равномерность интенсивности в фокальной области, равную 0,5.
Одновременная стимуляция обеих областей таламуса у мышей, страдающих невропатической болью, с помощью этой технологии показала, что чрезмерная нервная активность снижается, а болевая реакция заметно смягчается. В ходе моделирования с использованием данных о черепе человека также было подтверждено аналогичное улучшение точности фокусировки и баланса энергии при стимуляции нескольких целей.
Наиболее непосредственной областью применения этой технологии является исследование и лечение неинвазивных заболеваний головного мозга. Она позволяет облегчить боль за счет одновременной стимуляции участков, вызывающих невропатическую боль, а также может быть широко применена для многоцелевой нейрорегуляции при заболеваниях, затрагивающих несколько областей мозга, таких как болезнь Паркинсона и депрессия.
«Ключевым моментом является то, что структуру линзы проектирует ИИ, что позволяет с высокой точностью доставлять ультразвук в различные области мозга через череп» - отметил профессор Хван Чже Юн, добавив: «Используя лишь один ультразвуковой элемент и линзу, напечатанную на 3D-принтере, мы реализовали точную многоцелевую стимуляцию мозга. В будущем эту технологию можно будет расширить до неинвазивной терапевтической платформы, индивидуализированной для каждого пациента, которая позволит безопасным образом передавать энергию без хирургического вмешательства или разрезов не только для лечения боли, но и для лечения дегенеративных заболеваний мозга и нервно-психических расстройств», — пояснил он.
Результаты данного исследования, проведенного при поддержке Министерства науки и ИКТ и Корейского фонда научных исследований, опубликованы в июле в международном научном журнале «Brain Stimulation».