用于治療性腦刺激的3D打印神經(jīng)導(dǎo)航耳機(jī)的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證

01 研究背景
準(zhǔn)確的神經(jīng)導(dǎo)航對(duì)于腦刺激治療的最佳結(jié)果至關(guān)重要，核磁共振引導(dǎo)的神經(jīng)導(dǎo)航是目前的黃金標(biāo)準(zhǔn)，需要使用核磁共振和無(wú)框立體定位設(shè)備，但并不是在所有環(huán)境中都可用�；�于頭皮的試探法依賴(lài)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(cè)量，而不需要MRI和無(wú)框立體定位。

02 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(méi)有神經(jīng)或精神疾病。所有參與者均給予知情同意書(shū)，本研究得到大學(xué)健康網(wǎng)絡(luò)研究倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

2.2、實(shí)驗(yàn)流程
我們提出并評(píng)估了一種新的神經(jīng)導(dǎo)航方法，該方法使用了商業(yè)上可獲得的、廉價(jià)的3D頭部掃描、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和3D打印工具，為將刺激器（如rTMS線(xiàn)圈）放置在頭皮上所需位置的個(gè)人制作適合頭部形狀的耳機(jī)。

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(guò)程中，用小的凸出貼紙標(biāo)記左右耳屏和小耳廓。為了進(jìn)行3D形狀捕捉，被試坐在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的凳子上，在相機(jī)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(lái)對(duì)受試者的頭部進(jìn)行3D掃描。
受試者在相機(jī)視野內(nèi)360度旋轉(zhuǎn)，完成頭部的完整3D掃描，
并使用免費(fèi)的開(kāi)源MeshLab軟件編輯和導(dǎo)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(xùn)練有素的rTMS技術(shù)人員在頭部模型上識(shí)別出齒輪、軸向和軸向點(diǎn)的坐標(biāo)。接下來(lái)，一個(gè)內(nèi)部的MATLAB腳本分析了3D頭部模型，以跟蹤三個(gè)頭皮測(cè)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(yīng)用MRI驗(yàn)證的+0.35cm的徑向測(cè)量，按照國(guó)際10-20系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦電圖中F3位點(diǎn)來(lái)定義頭皮表面附近的左側(cè)DLPFC刺激靶點(diǎn)。

圖2. 頭部的三維掃描上測(cè)量鼻竇和耳屏之間的距離，以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10-20EEG模板

 

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

03 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
被試內(nèi)準(zhǔn)確度（相對(duì)于三個(gè)MRI引導(dǎo)定位的質(zhì)心的黃金標(biāo)準(zhǔn)），對(duì)于MRI引導(dǎo)、頭皮測(cè)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(zhǔn)確度明顯高于頭皮測(cè)量方法（M = 5.1，p = 0.008）。

被試內(nèi)重現(xiàn)性（相對(duì)于3個(gè)相同位置的質(zhì)心）為3.7±1.6mm（MRI），4.2±1.4（頭皮測(cè)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(cè)量;每種方法對(duì)每個(gè)被試重復(fù)三次(每種方法60分)。
用磁導(dǎo)法對(duì)每個(gè)被測(cè)對(duì)象的質(zhì)心進(jìn)行疊加。
(B)每組的95%置信橢圓。
(C)每次測(cè)量距離mri引導(dǎo)方法中心距離的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。
(D)每個(gè)測(cè)量值到其自身模態(tài)中心的距離。這衡量了方法的可重復(fù)性。
(E)每種方法的平均定位時(shí)間

04 結(jié)論
3D打印頭帶可以提供良好的準(zhǔn)確性，卓越的再現(xiàn)性和更易于使用的刺激放置于DLPFC，在設(shè)置時(shí)MRI引導(dǎo)不切實(shí)際。

05 參考文獻(xiàn)及DOI號(hào)
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