使用经颅磁刺激导航系统对传感器位置进行高精度数字化以提高源定位准确性

摘要

我们提出了一种使用导航脑刺激（NBS）系统的仪器对高密度脑电图（EEG）传感器位置进行数字化的可重复方法。该方法无需任何附加软件扩展，仅使用标准的NBS工具即可完成。结合MNE-Python分析流程，该方法可在无需额外硬件的情况下提高源定位的准确性。

摘要

源定位是一种基于头皮记录信号来估计大脑活动源的技术。准确的源定位在很大程度上依赖于传感器位置的精确空间数字化。在本方案中，我们介绍一种利用导航脑刺激（Navigated Brain Stimulation, NBS）系统对传感器位置进行数字化的实用且可靠的方法。NBS是经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）设备的一个组成部分，常见于TMS实验室，但很少被用于脑电图（electroencephalography, EEG）或功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）系统的传感器数字化。该方法使研究人员能够利用现有设备显著提高源建模的空间准确性，而无需额外购置专用的数字化设备。

我们引导观众完成整个工作流程：（1）使用 Nexstim NBS 系统的默认工具对 EEG 电极位置进行数字化；（2）以兼容格式导出坐标数据；（3）利用 MNE-Python 软件包将这些数据整合到 EEG 预处理和源定位分析流程中。本方案还包括将数字化数据与 MRI 图像对齐以及优化共配准精度的实用技巧。为展示该方法的实际应用价值，我们将其应用于一项触觉刺激实验的数据分析中。

提供了用于坐标处理和共配准的自定义 Python 脚本，以确保可重复性和易于采用。结果表明，与默认电极布局相比，引入数字化电极位置显著提高了皮层源估计的解剖学准确性和可解释性。

引言

脑电图（EEG）可测量头皮表面的脑电活动，但原始记录信号混合了来自大脑多个区域及非脑源的信号。源定位是指通过计算方法估计所测得的EEG信号在大脑中的起源位置，从而有效 "绘图" 头皮电压回溯至皮层区域¹这些方法使研究人员能够将脑电图（EEG）的振荡活动或事件相关响应与特定脑区关联起来，从而显著提升EEG的可解释性。实现精确的源定位在很大程度上依赖于准确掌握每个电极相对于头部解剖结构在头表的具体位置。因此，必须对电极位置进行数字化，以记录其在头部的精确三维坐标。随后，这些坐标将与受试者基于MRI构建的头部模型进行共配准（即对齐），用于求解EEG的正问题（预测头皮电压）和逆问题（估计脑内源位置）。精确的电极定位至关重要：即使微小的数字化误差，也可能导致脑内估计源位置偏移数厘米甚至更大。

现代脑电图源成像是一种整合解剖与功能信息的多步骤过程。该过程首先进行电极数字化，记录每个脑电图传感器在头皮上的精确三维坐标。接下来进行解剖成像，通常通过获取被试者的结构磁共振成像（MRI）实现；若无法获取个体MRI，则可使用标准头部模型²。随后，将数字化的电极位置与MRI头部几何结构进行共配准，使其与个体解剖结构对齐。由此可生成一个变换矩阵，将电极位置从头部空间映射到MRI空间。接着，使用如Freesurfer等MRI分割工具³将结构MRI....

方案

所有涉及人类参与者的实验程序均按照机构指南进行，并经相关伦理委员会批准。参与者在实验开始前均签署了知情同意书。

1. 准备受试者和设备

注意：本方案使用了 Nexstim NBS 系统。

1. 启动并校准 NBS 系统
   1. 打开 NBS 主机和光学追踪摄像头。确认系统成功完成自校准；若软件提示任何错误，需重复校准过程。
2. 将受试者的 MRI 导入 NBS 系统。
   1. 在 NBS 软件界面中选择受试者档案，并加载 DICOM 格式或 Nexstim 兼容格式的结构 MRI 文件。
   2. 若记录时无法获取受试者的 MRI，可使用 NBS 系统提供的标准平均头模 MRI。
3. 准备 EEG 帽。
   1. 根据制造商说明，确保高密度 EEG 帽正确佩戴在受试者头部。使用标准解剖标志点（鼻根点和前耳点）验证电极排列位置。
      NOTE: 保持电极位置的一致性，以尽量减少多次实验间的空间误差。
4. 将光学头部追踪器固定在受试者头部。
   1. 将头部追踪器牢固地固定在 EEG 帽上或直接固定在受试者头部，注意不得遮挡电极。
   2. 确保摄像头能够检测到追踪器，并在头部移动过....

结果

精确的源定位在很大程度上依赖于电极的准确定位以及与解剖头部模型的可靠共配准。然而在实际操作中，由于个体头型差异或手动放置误差，脑电帽常常未能准确定位。为了说明这些因素如何影响分析结果，我们比较了使用NBS设备采集的数字化电极位置数据与基于标准模板的电极布局所得结果。分析所使用的主要软件和库包括NBS System 5（v5.1.0）、FreeSurfer（v6.0）和MNE-Python（v1.8.0）。

本研究中，二十名健康的右利手志愿者参与了一次持续2小时的实验，实验内容包括高密度脑电图（EEG）记录、电极数字化、触觉刺激、想象任务以及注意力任务²⁴。为进行源定位，采集了每位参与者的个体化结构磁共振成像（MRI）数据，并使用128通道系统记录脑电活动，电极位置通过NBS系统进行数字化。本报告所展示的图示说明了电极数字化对触觉刺激诱发皮层反应源估计的影响。在触觉刺激任务期间，参与者右手中指接受持续8秒的长时机械刺激，刺激试验与8秒的静息试验交替进行，试验间包含3秒的刺激间期。源定位采用标准化低分辨率脑电磁断层成像（sLORETA）算.......

讨论

精确的源定位需要准确的电极数字化以及与解剖头部模型可靠地共配准。我们的结果（图1、图2 和 图3）表明，电极位置的偏差或依赖基于模板的导联组合会引发空间对齐和源重建中的显著误差。特别是，我们发现使用Nexstim NBS设备获取的数字化电极与个体MRI解剖结构高度吻合，并能在对侧体感皮层实现符合解剖学规律的μ节律事件相关去同步化（ERD）定位。相比之下，即使通过变换矩阵进行调整，标准导联组合通常仍会产生偏移或解剖学上不一致的重建结果，尤其是在与通用模板脑结合使用时更为明显。

本方案中的一个关键步骤是电极位置的稳定且准确的获取。标志点与密集头皮表面采样的结合，可确保在共配准过程中具有较高的空间精度。环境因素可能影响光学数字化的准确性。被遮挡的标记点、反光表面以及长时间操作过程中的漂移都可能引入定位误差。通过确保标记点视野无遮挡、尽量减少反光物体，并在整个操作过程中定期检查标记点的稳定性，可降低这些问题的影响.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
导航式脑刺激（NBS） 系统	Nexstim	https://www.nexstim.com/healthcare-professionals/nbs-system	NBS 是 经颅磁刺激与神经导航系统的结合