用于治疗性脑刺激的3D打印神经导航耳机的开发和验证

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

QY球友会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。

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。

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。

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）。

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