用于治疗性脑刺激的3D打印神经导航耳机的开发和验证

2022-01-20 14:12:00 发布者: 查看:
核磁共振引导的神经导航是目前的黄金标准,需要使用核磁共振和无框立体定位设备,但并不是在所有环境中都可用。

1. 研究背景

准确的神经导航对于脑刺激治疗的最佳结果至关重要,核磁共振引导的神经导航是目前的黄金标准,需要使用核磁共振和无框立体定位设备,但并不是在所有环境中都可用。基于头皮的试探法依赖于操作人员的技能,在操作人员和疗程之间具有可变的再现性。中间解决方案将提供卓越的再现性和易于使用的头皮测量,而不需要MRI和无框立体定位。

 

2. 研究方法

2.1 被试

20名健康志愿者(13名男性,7名女性;平均年龄27.4±SD5.9岁,年龄在21-41岁之间),没有神经或精神疾病。所有参与者均给予知情同意书,本研究得到大学健康网络研究伦理委员会的批准。

 

2.2 研究流程

我们提出并评估了一种新的神经导航方法,该方法使用了商业上可获得的、廉价的3D头部扫描、计算机辅助设计和3D打印工具,为将刺激器(如rTMS线圈)放置在头皮上所需位置的个人制作适合头部形状的耳机。

被试戴上贴身的织物头皮帽,使头发尽可能靠近头皮。在三维扫描过程中,用小的凸出贴纸标记左右耳屏和小耳廓。为了进行3D形状捕捉,被试坐在一个旋转的凳子上,在相机的视野范围内旋转360°约10秒。

 神经导航3D定位 

图1. 商用3D扫描仪被用来对受试者的头部进行3D扫描。受试者在相机视野内360度旋转,完成头部的完整3D扫描,并使用免费的开源MeshLab软件编辑和导出捕捉到的网格。

 

将三维头部网格文件加载到MATLAB (MATLAB R2016a),由一名训练有素的rTMS技术人员在头部模型上识别出齿轮、轴向和轴向点的坐标。接下来,一个内部的MATLAB脚本分析了3D头部模型,以跟踪三个头皮测量值(头围、头鼻和耳屏-耳屏距离)。这些数据输入到BeamF3算法中,应用MRI验证的+0.35cm的径向测量,按照国际10-20系统标准脑电图中F3位点来定义头皮表面附近的左侧DLPFC刺激靶点。

 

脑电10-20分布 

图2. 头部的三维扫描上测量鼻窦和耳屏之间的距离,以及国际标准10-20EEG模板。

 经颅磁刺激 

图3. 在F3定位之后,MATLAB脚本自动构建个性化的耳机CAD模型,将刺激线圈放置在头皮网格上定义的位置。

 

 

3. 研究结果

被试内准确度(相对于三个MRI引导定位的质心的黄金标准),对于MRI引导、头皮测量、头带方法,分别为3.7±1.6mm、14.8±7.1mm、9.7±5.2mm,头带方法的准确度明显高于头皮测量方法(M = 5.1,p = 0.008)。

被试内重现性(相对于3个相同位置的质心)为3.7±1.6mm(MRI),4.2±1.4(头皮测量),1.4±0.7mm(头带式),头带式比其他两种方法的重现性显著更好(p < 0.0001)。

 

使用神经导航定位后经颅磁刺激的准确度 

图4. 所有组的Tukey的多重比较(*p < 0.01,**p < 0.001,***p < 0.0001) (A)所有20名受试者的3种方法的测量;每种方法对每个被试重复三次(每种方法60分)。用磁导法对每个被测对象的质心进行叠加。(B)每组的95%置信椭圆。(C)每次测量距离mri引导方法中心距离的均值和标准差。(D)每个测量值到其自身模态中心的距离。这衡量了方法的可重复性。(E)每种方法的平均定位时间。

 

4. 结论

3D打印头带可以提供良好的准确性,卓越的再现性和更易于使用的刺激放置于DLPFC,在设置时MRI引导不切实际。

 

1. 文献名称及DOI号

Mansouri, Farrokh, Mir-Moghtadaei, Arsalan, Niranjan, & Vanathy, et al. (2018). Development and validation of a 3d-printed neuronavigation headset for therapeutic brain stimulation. Journal of Neural Engineering. 15, 046034.

 

Doi: 10.1088/1741-2552/aacb96