利用TMS导航系统高精度数字化传感器位置，提升源定位

摘要

我们提出了一种可重复的方法，用于利用导航脑刺激（NBS）系统的仪器数字化高密度脑电图（EEG）传感器位置。这种方法不需要额外的软件扩展，只需标准NBS工具即可。该方法与MNE-Python流水线集成，无需额外硬件即可提升源本地化的准确性。

摘要

源定位是一种基于头皮记录到的信号估计大脑活动来源的技术。准确的源定位关键在于传感器位置的精确空间数字化。在本协议中，我们提出了一种实用且可靠的方法，用于利用导航脑刺激（NBS）系统数字化传感器位置。NBS是经颅磁刺激（TMS）设备的一部分，常见于TMS实验室，但很少用于脑电图（EEG）或功能性近红外光谱（fNIRS）系统的传感器数字化。这种方法使研究人员能够利用现有基础设施，显著提升源建模的空间精度，而无需投资专门的数字化设备。

我们引导观众完成完整的工作流程：（1）使用Nexstim NBS系统的默认工具数字化脑电极位置;（2）以兼容格式导出坐标数据;（3）将这些数据集成到脑电预处理和源定位流程中，使用MNE-Python软件包。该方案还包括将数字化数据与MRI图像对齐及优化共配准准确性的建议。为了说明该方法的实际应用，我们将其应用于分析触觉刺激实验的数据。

为确保可重复性和易于采用，提供了自定义的 Python 脚本用于坐标处理和共注册。结果显示，与默认电极拼贴相比，数字化电极位置显著提升了皮层源估计的解剖准确性和可解释性。

引言

脑电图（EEG）测量大脑在头皮的电活动，但原始记录混合了来自多种大脑和非大脑来源的信号。源定位指的是通过计算方式估计脑电信号的来源位置，有效地将头皮电压“映射”回皮层^区域。这些方法使研究人员能够将脑电振荡活动或事件相关反应与特定脑区联系起来，大大提升了脑电图的可解读性。实现准确的源定位关键在于准确知道每个电极相对于解剖结构的位置。我们必须数字化电极位置，以记录它们在头部的精确三维位置。这些坐标随后与受试者的MRI头部模型共注册或比对，用于解决脑电图正向（预测头皮电压）和逆（估计脑源）问题。精确的电极位置至关重要：即使是微小的数字化误差，也可能使大脑中估计的电极源偏移多达几厘米甚至更多。

现代脑电图源成像是一个多步骤过程，整合了解剖学和功能信息。它从电极数字化开始，每个脑电传感器的精确三维坐标被记录在头皮上。接下来进行解剖成像，通常通过获取受试者的结构MRI影像;如果无法获得，可以使用标准头型号².数字化的电极位置随后与MRI头部几何形状共存，使其与个体解剖结构对齐。由此推导出一个转换矩阵，将电极位置从头空间映射到MRI空间。结构性MRI随后使用Freesurfer³ 等MRI分割工具，将其分割为组织（头皮、颅骨、大脑），构建真实的体积导体模型。通过该模型，计算前向模型....

方案

所有涉及人类参与者的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提供了知情同意。

1. 准备参与者和设备

注意：该协议采用了Nexstim NBS系统。

1. 开机并校准NBS系统
   1. 打开NBS主机和光学跟踪摄像头。确认系统成功完成自校准，若软件发现错误，请重复校准。
2. 将参与者的MRI影像加载到NBS系统中。
   1. 在NBS软件界面中，选择受试者档案，并以DICOM或Nexstim兼容格式加载结构MRI文件。
   2. 如果录制时参与者的MRI无法使用，请使用NBS系统提供的平均头部MRI。
3. 准备脑电盖。
   1. 确保高密度脑电盖按照制造商说明正确佩戴在参与者头部。使用标准解剖标志（鼻窦和前耳点）验证电极对齐。
      注意：保持电极放置一致，以最大限度减少每次治疗间的空间误差。
4. 将光学头部追踪器安装在参与者的头部。
   1. 将头部追踪器固定在脑电盖上或直接固定在参与者头部，且不阻挡电极。
   2. 确保摄像头能检测到追踪器，并在头部移动时保持稳定的视角。用双面胶带将追踪器牢牢固定在额头上。

结果

准确的源定位关键在于电极的正确位置以及与解剖头模型的可靠共位准。然而，在实际作中，由于个体头型差异或手动放置错误，脑电盖常常定位不准确。为说明这些因素如何影响分析结果，我们比较了使用NBS设备数字化电极位置与标准模板电极布局的结果。主要用于分析的软件和库包括NBS System 5（v5.1.0）、FreeSurfer（v6.0）和MNE-Python（v1.8.0）。

在这项研究中，20名健康的右撇子志愿者参与了一次为期2小时的单次训练，内容包括高密度脑电图记录、电极数字化、触觉刺激、影像和注意力任务²⁴。采集了单个结构性磁共振成像以定位源，脑电图则使用128通道系统记录，电极通过NBS系统数字化。本报告中展示的图表展示了电极数字化对皮层对触觉刺激反应源估计的影响。在触觉刺激任务中，参与者在8秒的长时间试验中右中指接受机械刺激，试验间有3秒的刺激间隔，交错进行8秒的休息试验。源定位使用标准化低分辨率电磁断层扫描（sLORETA）算法²⁵进行。对于反解，通过触觉刺激试验估算噪声协方差。该.......

讨论

准确定位源需要精确的电极数字化和与解剖头模型的可靠共配。我们的结果（图1、 图2和 图3）展示了电极定位偏差或依赖基于模板的拼贴如何导致空间对齐和源重建中的重大误差。特别是，我们证明了使用Nexstim NBS设备获得的数字化电极与单个MRI解剖结构高度对齐，并能在对侧体感皮层中合理定位μ节律ERD。相比之下，标准蒙太奇即使通过变换矩阵调整，也常常产生位移或解剖学上不一致的重建，尤其是与通用模板大脑结合时。

该协议的关键步骤是稳定且准确地获取电极位置。基点与密集头皮表面采样的结合，确保了共注册时的高空间精度。环境因素可能影响光学数字化的准确性。长时间拍摄时，遮挡标记、反射面和漂移可能导致定位误差。通过确保标记物无阻碍、减少反光物，并在过程中定期检查标记器的稳定性，可以减少这些问题。我们的数据（图2.......

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 is 经颅磁刺激结合神经导航系统