使用3D数字化仪确定高分辨率经颅直流电刺激的刺激位点

摘要

本文介绍了一种结合三维数字化仪与高精度经颅直流电刺激的技术方案，可提高刺激定位的准确性。

摘要

神经影像数据的丰富性以及机器学习的快速发展使得研究大脑激活模式成为可能。然而，关于脑区激活导致特定行为的因果证据往往仍然缺乏。经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性神经生理学工具，能够暂时改变大脑皮层的兴奋性和活动水平，可用于研究人脑中的因果关系。高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）是一种非侵入性脑刺激（NIBS）技术，与传统tDCS相比，可产生更局灶的电流。传统上，刺激位点通常通过10-20 EEG系统粗略确定，因为精确定位刺激点可能存在困难。本方案结合使用3D数字化仪与HD-tDCS，以提高刺激点定位的准确性。该方法通过3D数字化仪对右侧颞顶交界区（rTPJ）的刺激位点进行更精确的定位示范。

引言

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性技术，通过在头皮上施加微弱的直流电流来调节皮层兴奋性。该技术旨在在健康人群中建立神经兴奋性与行为之间的因果关系^1,2,3。此外，作为运动神经康复工具，tDCS 广泛应用于帕金森病、脑卒中和脑瘫的治疗⁴。现有证据表明，传统的基于电极垫的 tDCS 会在相对较大的脑区产生电流流动^5,6,7。高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）采用一个位于目标皮层区域的中心环形电极，并由周围四个返回电极环绕^8,9，通过限定四个环形区域提高刺激的聚焦性^5,10。此外，HD-tDCS 诱导的脑兴奋性变化在幅度上显著更大，持续时间也长于传统 tDCS 所产生的变化^7,11。因此，HD-tDCS 在研究中被广泛应用^7,11。

非侵入性脑刺激（NIBS）需要采用专门的方法，以确保刺激位点存在于标准的MNI和Talairach坐标系统中¹²。神经导航是一种能够映射经颅刺激与人脑之间相互作用的技术，其可视化功能和三维图像数据可用于实现精确刺激。在经颅直流电刺激（tDCS）和高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）中，通常采用脑电图（EEG）10-20系统来确定头皮上的刺激位点^13,14。该定位方法在初始阶段广泛用于放置tDCS电极片以及功能性近红外光谱成像（fNIRS）的光极 holder^13,14,15。

使用10-20系统确定精确的刺激位点可能较为困难（例如在颞顶交界区[TPJ]）。解决这一问题的最佳方法是通过磁共振成像（MRI）获取被试者的结构图像，然后利用数字化设备将目标位点与其结构图像进行匹配，从而确定探头的精确位置¹⁵。MRI具有良好的空间分辨率，但使用成本较高^15,16,17。此外，部分被试者（如体内有金属植入物者、幽闭恐惧症患者、孕妇等）无法接受MRI扫描。因此，迫切需要一种便捷且高效的方法来克服上述局限性，并提高刺激位点定位的准确性。

本方案采用三维数字化仪来克服这些局限性。与磁共振成像（MRI）相比，三维数字化仪的主要优势在于成本低、操作简便且便于携带。该方法结合个体的五个参考点（即Cz、Fpz、Oz、左侧耳前点和右侧耳前点）以及目标刺激点的位置信息，生成受试者头部电极的三维位置，并通过与大量结构图像数据进行拟合，估算其皮层对应位置^12,15。这种概率性配准方法能够在无需采集受试者磁共振图像的情况下，将经颅定位数据呈现在MNI坐标系中。该方法还可生成解剖学自动标签及布罗德曼分区¹¹。

三维数字化仪利用结构图像数据标记空间坐标，最初被用于确定功能性近红外光谱（fNIRS）研究中光学探头的位置¹⁸。对于使用高密度经颅直流电刺激（HD-tDCS）的研究者而言，三维数字化仪突破了脑电图（EEG）10-20系统有限的刺激位点限制。四个回路电极与中心电极之间的距离具有灵活性，可根据需要进行调整。在本实验方案中结合使用三维数字化仪，可获取超出10-20系统范围的右侧颞顶交界区（rTPJ）坐标。本文还展示了定位并刺激人脑右侧颞顶交界区（rTPJ）的操作流程。

方案

该方案符合西南大学机构审查委员会的指导方针。

1. 刺激位点的确定

1. 查阅文献并确认刺激位点（此处为 rTPJ）^19,20,21。

2. 电极固定帽的制备

注意：以下步骤如图1所示。

1. 确保所有必要的材料均已备齐：3D 数字仪（图2）、标准测量尺、标记笔、头模和泳帽。
2. 将泳帽戴在头模上，并在帽上标记各点。
   1. 定位头顶点（Cz）。首先，使用皮肤标记笔标出鼻根点（nasion）与枕外隆凸点（inion）之间距离的中点^13,14,22。然后，测量两侧耳前点之间的距离并标记其中点。上述两个中点的交点即为 Cz 点。
   2. 确认中心电极和回返电极的位置。本实验中刺激靶点为右侧颞顶交界区（rTPJ）。在 10-10 脑电系统中，rTPJ 大致对应于 CP6 与 P6 之间的中点^19,20,21。
   3. 确定 CP6 和 P6 的位置^22,23,24,25。根据 10-10 系统的比例要求，在头皮上定位 rTPJ 的大致位置，并在泳帽上标记该点。
   4. 根据实验目的调整四个回返电极的半径^11,14,26。确定后，在泳帽上标记中心电极和回返电极的位置。

3. 三维数字化仪测量

1. 使用金属扫描仪进行扫描，确保3D数字化仪的工作环境无金属干扰。
2. 将帽状电极放置于受试者头部
   1. 确保帽状电极上的参考点（Cz、Fpz、Oz、左耳前点和右耳前点）与国际10-10头皮定位系统对齐²²。例如，先在头皮上定位顶点（Cz），然后将帽状电极戴在受试者头上，并使电极帽上的Cz点与受试者的Cz点对齐。
3. 布置3D数字化仪设备
   1. 通过通用串行总线（USB）接口将3D数字化仪连接至计算机，并确保数字化软件可用且已准备就绪²⁷。
   2. 将信号源置于受试者前方，并用传感器上的弹性绳将其固定于头部。重要的是，确保在3D数字化测量过程中信号源和传感器均不发生移动。
      注意：信号源是一种发射电磁偶极场的磁性发射器。传感器则是用于检测该场的接收器。
   3. 在计算机上打开数字化软件，并确认3D数字化系统与软件正常通信。
   4. 测试手写笔的准确性。在直尺上找到10 cm的长度，分别用手写笔记录零刻度和十刻度的位置。
      注意：应获取3D数字化仪两个记录点之间的测量距离，并与3D追踪器的读数进行误差比较。
   5. 点击 新建 图标，创建一个新的受试者文件。选择 会话 框，然后选择 参考点。
      注意：根据软件提示，使用3D数字化仪手写笔采集受试者的参考位置数据（Cz、枕外隆凸、鼻根点、左耳、右耳）。
   6. 为满足fNIRS实验的要求，使用 发射器、探测器 和 通道 选项。对每个发射器、探测器和通道的中心电极及四个回路电极分别采集3次位置数据，以减少误差。确保五个电极编号并依次定位。
   7. 保存生成的三个文件。

4. 数据转换与空间配准

1. 选择三个文件导入NIRS-SPM，以实现将真实坐标注册到MNI空间²⁸。根据MNI空间的MRI数据库，将受试者的参考点及五个电极点进行仿射变换，对应至各条目中的相应位置。
2. 将数据注册至解剖自动标签和Brodmann分区，并将五个电极点的空间信息同时注册至这两类结构。
3. 将本研究获得的坐标与既往研究中刺激位点的坐标进行比较^20,29。
4. 在帽上标记的五个点处做一小切口，使塑料外壳能够紧密嵌入帽中。

5. 刺激

1. 确保受试者无HD-tDCS的禁忌症（例如，有神经系统或精神疾病病史）^1,3 并在研究前（包括高密度经颅直流电刺激）签署了书面知情同意书。
2. 在设备安装过程中，请确保所有必需的材料均已备齐（图3）。按照已发表文献中的详细说明安装该设备¹⁴以下提供简要说明。
   1. 安装电池并检查电量是否充足。
   2. 连接传统的tDCS设备与4x1刺激适配器。
   3. 将五个Ag/AgCl烧结环电极的电缆连接到4x1适配器输出电缆上对应的接收端口。
   4. 检查所有材料是否正确连接。
3. 测量受试者的头部，并将帽状电极放置于头部。
   1. 将五个塑料高清外壳嵌入泳帽中。
   2. 定位受试者的Cz、Fpz和Oz点^13,14调整帽上的参考标记，使其与国际10-10系统中的头皮位置相对应²²帽盖就位后，确保其不再移动。
   3. 使用3D数字化仪采集受刺激脑区的位置数据，并根据生成的数据进行相应调整。
4. 用导电凝胶覆盖头皮表面。首先，使用塑料注射器的末端通过塑料外壳的开口小心地分开头发，直至暴露出头皮。然后，通过塑料外壳在头皮表面的开口处将导电凝胶涂覆于暴露的头皮上。
5. 设置tDCS设备的参数：质量值、刺激持续时间、刺激强度和条件设置。
   1. 打开4x1多通道刺激适配器。
   2. 确保默认设置为 扫描，通过扫描电极，在显示窗口中依次显示单个电极的阻抗^14,30,31此处，阻抗被描述为 "质量值"1.5 以下的数值表明质量足够^14,30,31在这种情况下，数值低于1。
      注意：如果阻抗值超过规定的限值，打开高阻抗塑料外壳的盖子，调整毛发和电极，以获得所需的阻抗值。
   3. 按下 "模式选择" 按钮和开关切换 "扫描" 到 "PASS"在阻抗值达到可接受水平后。
   4. 通过按下中心阳极或中心阴极进行选择 "极性" 按钮。 "中央阳极" 是默认设置。
   5. 调整传统tDCS设备的设置，包括刺激持续时间（分钟）、刺激强度（mA）和伪刺激条件设置。本实验中，阳极主动刺激强度为1.5 mA，刺激持续20分钟。随后，按下 "RELAX" 切换至满电流的杠杆。
   6. 一切准备就绪后，启动刺激。按下 "开始" 按钮，直流强度将逐渐增加直至达到目标电流。随后计时器将显示剩余时间。
      注意：部分受试者在直流电强度增加期间可能会感到不适。此时，可通过向下拉动以略微调低电流强度，持续数秒。 "RELAX" 杠杆。然后，当参与者再次感到舒适时，逐渐将手推车控制杆推至最大电流。

6. 刺激后处理

1. 刺激结束后，在关闭电源前，应缓慢转动旋钮将电流调至零。否则，若直接关闭电源，受试者可能会感到刺痛或头晕。
2. 刺激完成后，打开塑料盖，从外壳中取出烧结的 Ag/AgCl 环形电极。
3. 取下游泳帽并清洁相关材料。为受试者提供清洁头发的工具。
4. 如有必要，每次刺激结束后请受试者填写问卷（例如，用于评估 HD-tDCS 筛查后的不良反应、受试者对脑刺激的耐受性等；参见补充文件）。

结果

通过采用所述方法，确定了rTPJ的坐标，这需要超出10-20系统的刺激点。首先，头模的头围应与实际头部相近。此处，头模的鼻根至枕外隆突距离约为36 cm，双侧耳前点之间的距离约为37 cm。

制作电极帽的步骤用于引导10-20系统中的测量位置。此处确定了Nz、Iz、Cz、Fpz、Oz、Pz、T8、T7、C4、P8、O2、P4、C6、P6和CP6的位置。在头皮上找到右侧颞顶交界区（RTPJ）的大致位置（约位于CP6与P6之间的中点）。中央电极与周围电极之间的距离应根据实验目的进行调整。以往研究中获得的半径值范围为3.5–7.5 cm^11,14,30。采用不同的半径值时，直流电强度和刺激持续时间可能会产生不同的电场强度。在本方案中，所有回返电极与中央活性电极之间的距离均固定为3.5 cm。

泳帽上的几个重要参考点被保留下来，包括Fpz、Cz、Oz...

讨论

与传统经颅直流电刺激（tDCS）相比，高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）提高了刺激的聚焦性。通常，刺激部位基于10-20 EEG系统确定。然而，超出该系统精确定位刺激点可能较为困难。本文结合使用三维数字化仪与HD-tDCS，以确定超出10-20系统的刺激点。在此类情况下，明确定义电极帽的制作与使用步骤及相关注意事项至关重要。

通常，靶向刺激区域的位置是根据以往脑成像研究的结果确定的，可获得刺激区域在国际10-20系统或MNI坐标中的位置。制作用于测量10-20系统位置的电极帽导引图的步骤至关重要。在将电极帽佩戴于头部时，必须确保帽上的参考标记与头皮定位的国际10-20系统对齐。一旦三维数字化仪开始运行，信号源和传感器不得移动，否则将导致数据偏差。

在软件中，参考点位于头皮上而非头帽上，除非头皮和头帽的所有参考点完全重合。如果测量结果与目标值之间的误差超出可接受范围，则应轻微调整标记点的位置。调整后需再次进行测量。当用户按下“MODE SELECT”按钮并从“SCAN”切换至“PASS”模式时，电流将从常规tDCS设备通过...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1×1 低强度经颅直流电刺激器	Soterix Medical	1300A
三维 Polhemus-Patriot 数字化仪	POLHEMUS	1A0453-001	PATRIOT 系统组件
4×1 多通道刺激接口	Soterix Medical	4X1-C3
Dell 台式计算机	Dell	CRFC4J2	用于运行三维数字化仪应用程序的主控计算机