用于治療性腦刺激的3D打印神經(jīng)導航耳機的開發(fā)和驗證

1. 研究背景

準確的神經(jīng)導航對于腦刺激治療的最佳結(jié)果至關(guān)重要，核磁共振引導的神經(jīng)導航是目前的黃金標準，需要使用核磁共振和無框立體定位設備，但并不是在所有環(huán)境中都可用?；陬^皮的試探法依賴于操作人員的技能，在操作人員和療程之間具有可變的再現(xiàn)性。中間解決方案將提供卓越的再現(xiàn)性和易于使用的頭皮測量，而不需要MRI和無框立體定位。

2. 研究方法

2.1 被試

20名健康志愿者（13名男性，7名女性；平均年齡27.4±SD5.9歲，年齡在21-41歲之間），沒有神經(jīng)或精神疾病。所有參與者均給予知情同意書，本研究得到大學健康網(wǎng)絡研究倫理委員會的批準。

2.2 研究流程

我們提出并評估了一種新的神經(jīng)導航方法，該方法使用了商業(yè)上可獲得的、廉價的3D頭部掃描、計算機輔助設計和3D打印工具，為將刺激器（如rTMS線圈）放置在頭皮上所需位置的個人制作適合頭部形狀的耳機。

被試戴上貼身的織物頭皮帽，使頭發(fā)盡可能靠近頭皮。在三維掃描過程中，用小的凸出貼紙標記左右耳屏和小耳廓。為了進行3D形狀捕捉，被試坐在一個旋轉(zhuǎn)的凳子上，在相機的視野范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°約10秒。

圖1. 商用3D掃描儀被用來對受試者的頭部進行3D掃描。受試者在相機視野內(nèi)360度旋轉(zhuǎn)，完成頭部的完整3D掃描，并使用免費的開源MeshLab軟件編輯和導出捕捉到的網(wǎng)格。

將三維頭部網(wǎng)格文件加載到MATLAB （MATLAB R2016a），由一名訓練有素的rTMS技術(shù)人員在頭部模型上識別出齒輪、軸向和軸向點的坐標。接下來，一個內(nèi)部的MATLAB腳本分析了3D頭部模型，以跟蹤三個頭皮測量值（頭圍、頭鼻和耳屏-耳屏距離）。這些數(shù)據(jù)輸入到BeamF3算法中，應用MRI驗證的+0.35cm的徑向測量，按照國際10-20系統(tǒng)標準腦電圖中F3位點來定義頭皮表面附近的左側(cè)DLPFC刺激靶點。

圖2. 頭部的三維掃描上測量鼻竇和耳屏之間的距離，以及國際標準10-20EEG模板。

圖3. 在F3定位之后，MATLAB腳本自動構(gòu)建個性化的耳機CAD模型，將刺激線圈放置在頭皮網(wǎng)格上定義的位置。

3. 研究結(jié)果

被試內(nèi)準確度（相對于三個MRI引導定位的質(zhì)心的黃金標準），對于MRI引導、頭皮測量、頭帶方法，分別為3.7±1.6mm、14.8±7.1mm、9.7±5.2mm，頭帶方法的準確度明顯高于頭皮測量方法（M = 5.1，p = 0.008）。

被試內(nèi)重現(xiàn)性（相對于3個相同位置的質(zhì)心）為3.7±1.6mm（MRI），4.2±1.4（頭皮測量），1.4±0.7mm（頭帶式），頭帶式比其他兩種方法的重現(xiàn)性顯著更好（p < 0.0001）。

圖4. 所有組的Tukey的多重比較(*p < 0.01，**p < 0.001，***p < 0.0001) (A)所有20名受試者的3種方法的測量;每種方法對每個被試重復三次(每種方法60分)。用磁導法對每個被測對象的質(zhì)心進行疊加。(B)每組的95%置信橢圓。(C)每次測量距離mri引導方法中心距離的均值和標準差。(D)每個測量值到其自身模態(tài)中心的距離。這衡量了方法的可重復性。(E)每種方法的平均定位時間。

4. 結(jié)論

3D打印頭帶可以提供良好的準確性，卓越的再現(xiàn)性和更易于使用的刺激放置于DLPFC，在設置時MRI引導不切實際。

1. 文獻名稱及DOI號

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