Name: 3D-神经导航在体内通过患者的大脑在一个自发性偏头痛 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 39 s
Description: 探索三维沉浸式神经导航技术用于研究偏头痛患者大脑中的mu-阿片受体活性。该方法结合PET成像与虚拟现实环境，实现实时交互式神经影像数据分析，为理解偏头痛的神经机制提供新视角。

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本研究获得了以下资助（DaSilva AF）：美国国立卫生研究院-国家神经疾病与卒中研究所-K23 NS062946项目、Dana基金会脑与免疫成像奖以及偏头痛研究基金会研究资助奖。作者感谢正电子发射断层扫描中心核医学技术员（Jill M. Rothley、Edward J. McKenna、Andrew R. Weeden、Paul Kison 和 Caitlin Hendricks）以及功能磁共振成像实验室工作人员（Scott Peltier 和 Keith Newnham）的支持。首席研究员 Alexandre DaSilva 博士享有本研究中所有数据的完全访问权限，并对数据的完整性及数据分析的准确性负责。作者声明本研究不存在任何利益冲突。

该研究应获得当地机构审查委员会和放射性药物研究委员会的批准。研究对象需签署书面知情同意书，同意参与本研究。该方案分为三个按时间顺序进行的步骤：
<ol>
	<li>磁共振成像检查</li>
	<li>偏头痛发作期（头痛期）的正电子发射断层扫描检查</li>
	<li>偏头痛间歇期（无头痛期）的正电子发射断层扫描检查</li>
</ol>
患者需负责填写头痛日记，并在影像检查当天向研究团队确认偏头痛发作的情况。发作间期和发作期的正电子发射断层扫描（PET）均应安排在患者不同的中晚卵泡期（月经出血第一天后的第5至10天）进行。本研究中，该时间由具有相关专业经验的妇科医生（Y.R.S.）提前追踪并计算确定。
1. MRI 检查
<ol>
	<li>实验前的准备工作
	<ol>
		<li>在为受试者准备扫描之前，由于磁共振扫描仪存在磁场，必须遵循适当的安全操作规程。所有参与研究的人员在进入磁共振检查室前必须确保身上无任何金属物品。</li>
		<li>向磁共振技术员提供一份研究志愿者在初次筛选期间已签署的知情同意书副本。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>为扫描准备受试者
	<ol>
		<li>在进行MRI检查当天，请受试者填写MRI安全筛查表。该表格是密歇根大学fMRI实验室进行任何MRI检查所必需的。此问卷进一步确认受试者体内无金属物，且无需要特别谨慎考虑的医学状况。例如，金属异物碎片，植入的机械/电子装置）</li>
		<li>确保参与者理解磁共振（MR）检查的流程、风险和益处。</li>
		<li>将填写完毕的筛查表交给将协助进行检查的MR技师。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在3特斯拉扫描仪上，于患者发作间期获取T1加权解剖MRI图像。
	<ol>
		<li>使用以下序列参数进行 MRI 采集：
		<ul>
			<li>A. 轴向扰相梯度回波（SPGR）三维成像</li>
			<li>B. 带宽 = 15.63</li>
			<li>C. 重复时间 [TR] = 9.2 毫秒</li>
			<li>D. 回波时间 [TE] = 1.9 毫秒</li>
			<li>E. 反转恢复准备 500 毫秒</li>
			<li>F. 翻转角 = 15°</li>
			<li>G. 25/26 视野</li>
			<li>H. 激发次数 [NEX] = 1</li>
			<li>I. 144 个连续切片</li>
			<li>J. 1.0 mm 层厚</li>
			<li>K. 256 × 256 矩阵</li>
		</ul>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 惊厥期PET扫描
<ol>
	<li>实验前准备
	<ol>
		<li>在确认大学医院扫描时间之前，需联系受试者，核实其在扫描当天所处的月经周期阶段。建议在卵泡期中晚期（月经来潮开始后第5至10天）进行PET扫描。</li>
		<li>向医院提交申请，要求在扫描附近地点的回旋加速器生产短半衰期放射性示踪剂[11C]carfentanil，该示踪剂对μ-阿片受体具有选择性亲和力。示踪剂必须在扫描前2小时制备完成。</li>
		<li>在可能进行发作期PET扫描的当天，需在预约时间前2&#160;小时&#160;联系受试者，确认其是否出现自发性偏头痛发作。若存在偏头痛发作，应依据《国际头痛障碍分类》标准确认诊断。诊断确认后，确保受试者能够安全前往医院接受扫描。如受试者不适于驾驶或无指定驾驶员，应提供交通工具。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>扫描前受试者准备
	<ol>
		<li>当受试者到达医院后，引导其前往PET检查室，依据《国际头痛障碍分类》标准再次确认诊断。扫描前，进行尿液药物检测，以确认受试者未摄入可能与示踪剂[11C]carfentanil发生相互作用的任何物质，随后进行尿液妊娠检测。</li>
		<li>再次确认受试者已充分理解PET检查的流程、风险及益处。</li>
		<li>将研究志愿者在初次筛选时已签署的知情同意书副本交给核医学技术人员。</li>
		<li>根据核医学技术人员的指导，协助受试者进入扫描仪并安顿就位。</li>
		<li>使用西门子HR+扫描仪在3D模式下为受试者进行1&#160;90分钟的PET扫描（重建图像的半高全宽（FWHM）分辨率约为5.5 mm平面内和5.0 mm轴向）。</li>
		<li>对于每剂[11C]carfentanil（555 MBq ≤ 0.03 μg/kg），先以50%剂量作为弹丸式注射，其余部分在扫描期间持续输注，以在示踪剂注射后约35分钟&#160;达到稳态示踪剂水平。</li>
		<li>发作间期PET检查。</li>
		<li>在无头痛期重复步骤2.2至2.6。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. PET 数据重建
<ol>
	<li>使用交互式算法将PET图像重建为28.8 cm直径视野（FOV）内的128 × 128像素矩阵。</li>
	<li>采集21&#160;个图像帧，并相互配准以校正扫描过程中的运动。</li>
	<li>在PET扫描前获取一次6分钟的透射扫描（使用68Ge源），用于衰减校正。</li>
	<li>将每次扫描的动态图像数据按体素逐个转换为两组参数图像（10–40分钟）：
	<ol>
		<li>采用示踪剂转运参数（K1比值）进行图像配准和标准化处理；以及</li>
		<li>采用与受体相关的参数BPND，该参数与Bmax（受体浓度）成正比，并除以Kd（受体亲和力）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用基于参考区域的Logan图解分析法估算上述参数，以枕叶皮层作为参考区域12。</li>
</ol>
4. PET 数据分析
注意：按照以下顺序，使用统计参数映射（SPM8）软件将图像在解剖学上标准化至模板空间。
<ol>
	<li>对MR扫描图像与K1扫描图像进行配准。</li>
	<li>使用DARTEL将MR扫描图像标准化至蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurologic Institute, MNI）模板脑。</li>
	<li>将所得的形变矩阵应用于PET图像。</li>
	<li>通过将配准后的MR和PET图像与MNI图谱模板进行比较，验证配准和标准化的准确性。</li>
	<li>感兴趣区域（Region of Interest, ROI）分析。</li>
</ol>
检测在疼痛处理过程中参与的多个双侧脑区的活动，包括：
<ul>
	<li>A. 前/中/后扣带回</li>
	<li>B. 岛叶</li>
	<li>C. 海马</li>
	<li>D. 杏仁核</li>
	<li>E. 尾状核头/体</li>
	<li>F. 伏隔核</li>
	<li>G. 壳核</li>
	<li>H. 外侧/内侧苍白球</li>
	<li>I. 丘脑核团（腹前核、腹后外侧/内侧核、外侧后核、中线核、外侧/内侧背核）</li>
	<li>J. 导水管周围灰质（PAG）</li>
</ul>
<ol>
	<li>为这些区域中的每一个定义 MarsBaR（标准化空间），PAG 除外。通过在以下坐标放置一个 3 mm 的球体来生成 PAG ROI：右侧：4, -28, -6；左侧：-2, -28, -6。先前研究表明，与健康对照者相比，偏头痛患者在此 PAG 位置表现出扩散性及连接性的改变13,14。 
	注意：使用 [11C]carfentanil 的重测研究显示，BPND 测量值的可重复性良好，变异率远低于 10%，大多数皮层区域的变异率为 3 - 5%15。变异系数（CoV = 标准差/均值）最大的情况通常出现在结合水平最低的区域；然而，即使在 µOR BPND 结合水平最低的皮层区域，CoV 也约为 0.5。因此，只有当 ROI 的 µOR BPND 在两次扫描间的百分比变化超过 10% 时，才被视为具有显著意义。</li>
</ol>
5. 三维神经导航
<ol>
	<li>准备进行 3D-IIN 体验
	<ol>
		<li>将提供的 NIfTI 体数据格式组织为一系列图像堆栈，密度和激活水平定义为 16 位。</li>
		<li>佩戴主动式 LCD 快门眼镜，以实现时间序列的立体 3D 效果。快门眼镜通过遮挡一只眼睛，同时在屏幕上显示另一只眼睛的图像来工作。该过程随后对另一只眼睛重复进行。此快门效应以 110 Hz 的频率发生。</li>
		<li>在了解其使用方法后，使用操纵杆与模拟环境进行交互。</li>
		<li>在快门眼镜和操纵杆上安装反光标记点，以便通过 Vicon 动作捕捉系统实现对物体在空间中精确的六自由度（6DOF）追踪。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>显示受试者激活数据
	<ol>
		<li>使用 XML 配置文件定义密度和激活水平的颜色映射，这些文件在应用程序启动时加载，并在集群中的每台计算机之间共享。</li>
		<li>通过 Jugular 内部加载函数及开源软件库“Niftilib”，从提供的 NIfTI 数据集中获取三维体素数据。</li>
		<li>将生成的体素数据与集群中的每台计算机共享，以提高处理速度。</li>
		<li>通过 OpenGL 着色器（GLSL）解释体素数据，执行光线行进算法，并根据先前共享的颜色映射 XML 配置文件中定义的不同颜色和透明度显示体素。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过 Vicon 系统获取位置信息，并利用该信息更新每块屏幕上体数据的绘制视角。</li>
	<li>记录交互行为，并利用这些数据动态调整和切割数据中的平面，以实现在虚拟空间中的导航。</li>
</ol>
6. 三维沉浸式 &amp;#38; 交互式神经导航（3D-IIN）
<ol>
	<li>将受试者激活数据以 NIfTI 数据格式存储，这是一种使用 Niftilib 库进行解析的体数据类型。</li>
	<li>通过 Vicon 追踪系统、操纵杆设备和手势输入获取交互信息及位置信息。利用这些信息确保所显示的图像代表正确的观察视角，从而实现对数据集的实时浏览，并通过熟悉的运动方式和控制方案，动态控制最多 3 个任意切割平面（图 1）。</li>
</ol>

<ol><li>Stewart, W. F., Shechter, A., Rasmussen, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Migraine+prevalence.+A+review+of+population-based+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Neurology%22%5BJournal%5D)">Migraine prevalence. A review of population-based studies.</a> Neurology. 44, (1994).</li>
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<li>Lipton, R. B., Bigal, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Migraine%3A+epidemiology%2C+impact%2C+and+risk+factors+for+progression%5BTitle%5D)+AND+%22Headache%22%5BJournal%5D)">Migraine: epidemiology, impact, and risk factors for progression.</a> Headache. , (2005).</li>
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<li>Burstein, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thalamic+sensitization+transforms+localized+pain+into+widespread+allodynia%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Neurol%22%5BJournal%5D)">Thalamic sensitization transforms localized pain into widespread allodynia.</a> Ann Neurol. 68, 81-91 (2010).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

在本病例报告中，首次在完全沉浸式的虚拟三维现实中探索了真实的偏头痛神经影像数据，结果显示μ-阿片受体可用性（µOR BPND）降低。µOR BPND的减少提示中枢神经系统中μ-阿片受体的占据率更高和/或受体数量减少。与发作间期扫描相比，在发作期扫描期间，疼痛相关脑网络区域的µOR BPND急性下降，可能是由于内源性阿片类物质释放并作用于μ-阿片受体，作为对持续疼痛的调节反应，从而导致更少的μ-阿片受体可供放射性示踪剂结合。
我们这项关于发作期偏头痛的神经影像学研究的创新之处在于，采用了一种全新的三维神经导航方法，可在虚拟现实中研究患者真实的脑部数据。本研究使用正电子发射断层扫描（PET）放射性示踪剂技术，通过[11C]卡芬太尼来测量μ阿片受体（µORs）可用性的变化。以往在头痛发作期间对偏头痛患者进行脑部扫描时，通常是在诱发偏头痛发作的刺激（例如，硝酸甘油、光刺激）之后进行16,17，或在特定诱发刺激（例如，疼痛、刷拭、光线和气味）的技术要求下进行18-20。这些研究均证实，偏头痛在头痛期与大脑皮层及皮层下区域的过度兴奋性相关。然而，神经影像学方案中使用如此多样的刺激引入了多种混杂因素，使我们难以清晰理解急性偏头痛发作对中枢神经系统产生的独立影响。在少数既往未施加外源性刺激的功能性研究中，已有证据表明，如扣带皮层、下丘脑和脑干等区域的局部脑血流量增加，且这种变化甚至在急性治疗后仍可持续存在2122。迄今为止，所应用的神经影像技术尚无法实现对偏头痛发作过程中涉及的神经递质/受体分子机制的表征，例如大脑中最重要的内源性镇痛机制之一——μ-阿片系统。此外，我们的方法使得能够在虚拟环境中利用三维神经导航技术对这些过程进行探索。
下行性疼痛调节系统是一个复杂的网络，通过大脑中从脊髓到高级中枢区域的μ-阿片受体在很大程度上调控疼痛信息的处理。这些区域已知参与内源性抗伤害感受、应激诱导的镇痛作用，以及常用于慢性疼痛和偏头痛治疗的阿片类药物的作用机制。事实上，与偏头痛相关的硬脑膜神经源性血管扩张可被吗啡抑制，并随后被阿片受体拮抗剂纳洛酮逆转，表明吗啡对神经源性炎症的作用是通过特异性激活μ-阿片受体介导的23。有趣的是，在人类中，内源性阿片肽/μ-阿片受体（µORs）在特定脑区的激活程度与个体抑制疼痛体验中感觉和情感成分的能力密切相关24。
在本研究中，偏头痛发作期μ-阿片受体可用性降低的脑区，负责偏头痛症状的感知及其调节过程，这些脑区包括前扣带皮层（ACC）、丘脑、基底神经节（例如，伏隔核，NAcc）、海马以及导水管周围灰质（PAG）。除了三叉神经传入信号异常导致的敏化作用外，偏头痛病理生理机制的一个有力假说是调节系统功能障碍。在这种情况下，源自或投射至脑干结构（如PAG）的神经通路——这些区域阿片受体表达水平较高——无法有效对上行感觉神经元发挥其抗伤害感受作用。此外，其他更高级的皮层结构也参与了偏头痛中这种异常的疼痛调节机制。最近一项发作间期静息态研究发现，与健康对照相比，偏头痛患者在腹外侧PAG以及疼痛调节系统中的大多数（皮层下）皮层结构的连接性发生改变，并且这些改变与头痛发作频率相关13。本研究中发现的连接性改变脑区，与我们研究中观察到μ-阿片受体BPND变化的区域一致。同一PAG区域最初曾被报道在偏头痛患者中存在微结构神经可塑性改变14，而本研究中该区域在发作期间表现出μ-阿片受体BPND的显著下降。
未来需要开展针对更大样本队列的进一步研究，以验证并拓展本病例报告中所呈现的发现。例如，目前尚不清楚为何该系统对偏头痛门诊中常开具的外源性阿片类药物的长期使用无法产生适当反应。尽管如此，本研究提供了关于偏头痛发作对μ-阿片系统影响的重要机制性信息，并首次采用了一种新颖的三维沉浸式交互神经导航（3D-IIN）方法。未来，这种探索性的三维方法可能为在科研和临床实践中检查患者大脑提供更加沉浸且交互性强的视角。

偏头痛是一种慢性三叉神经性疼痛疾病，在美国及全球范围内影响近16%的女性和6%的男性1-3。反复发作的偏头痛对患者生活的诸多方面造成显著影响，降低生活质量与工作表现，并因缺课/缺勤和医疗资源使用而造成数十亿美元的经济损失4。在严重的头痛发作期间，患者对有害刺激（痛觉过敏）甚至无害刺激（异常性疼痛）的敏感性明显增强5。
μ-阿片神经递质系统是大脑中主要的内源性疼痛调节机制之一。该系统参与实验性和临床性疼痛感知的调控，也参与阿片类药物的镇痛作用。6-9&#160;这与偏头痛发作的慢性化相关10近年来，正电子发射断层扫描（PET）分子成像技术的进步使得研究人员能够深入研究慢性疼痛患者大脑中的重要分子机制 体内11在本研究中，尽管在偶发且致残的发作性偏头痛与正电子发射断层扫描/放射性示踪剂检测操作的复杂设置之间实现协调存在较大难度，但仍首次采用三维神经导航技术，在一名患者自发性偏头痛发作期间，对其大脑关键疼痛网络区域的µ阿片受体（µOR）可用性进行了研究。
病例报告
一名36岁的亚洲女性被纳入研究。她有长达10年的伴有视觉先兆的偏头痛病史。每月平均出现12天右侧偏头痛发作，疼痛程度为中度至重度，若未治疗或治疗无效，通常会持续72小时。在月经周期前后头痛发作频率增加，且在整个研究期间具有规律性。伴随症状包括：恶心、呕吐、畏光和畏声。在普通头痛发作期间，她未出现任何自主神经症状。作为治疗手段，她仅采用药物性终止疗法控制症状，主要基于非甾体抗炎药，且无药物过度使用或阿片类药物摄入的迹象。筛查访视时的临床检查结果无异常，系统回顾均在正常范围内。她未婚，无子女，且未使用避孕药物。

3d-神经导航 在体 内 通过患者大脑观察自发性偏头痛发作期间的变化

3D-Neuronavigation In Vivo Through a Patient's Brain During a Spontaneous Migraine Headache

越来越多的研究（主要基于磁共振成像研究）表明，偏头痛的发生乃至持续可能与中枢神经系统中特定神经过程的改变有关。然而，目前尚缺乏关于这些变化的分子层面影响的信息，尤其是在偏头痛发作期间对内源性阿片系统的影响，也从未有人通过这些变化进行神经导航。本研究旨在利用一种新型的三维沉浸式交互式神经导航（3D-IIN）方法，探究偏头痛发作期间大脑内源性μ-阿片受体的神经传递情况 体内这可以说是与疼痛调节最核心相关的神经机制之一，影响着疼痛体验和镇痛的多个方面。一名36岁的女性偏头痛患者，患病史已达10年，在典型的头痛发作期（发作期）和非头痛期（发作间期）分别接受了正电子发射断层扫描（PET），使用的选择性放射性示踪剂为[11C]卡芬太尼，使我们能够测量大脑中μ-阿片受体的可用性（不可置换结合潜力——μOR BP）未检测到）。短半衰期放射性示踪剂由校园内紧邻影像中心的回旋加速器及化学合成装置制备。两次正电子发射断层扫描（PET）——发作间期和发作期——均安排在患者月经周期的不同中晚期卵泡阶段进行。在发作期PET扫描过程中，患者自发性头痛发作达到重度强度，并在扫描结束时进展为恶心和呕吐。µOR BP出现下降ND 在发作期，内源性μ-阿片系统参与疼痛调节的脑区（包括扣带皮层、伏隔核（NAcc）、丘脑（Thal）和导水管周围灰质（PAG））中，μ阿片受体（μOR）的结合势能（BP）降低，表明这些受体已被机体为应对持续性疼痛而释放的内源性阿片肽占据。据我们所知，这是首次观察到μOR结合势能在发作期发生改变未检测到 在偏头痛发作期间，已使用一种新型3D方法对神经影像数据进行神经导航。该方法可在真实患者的神经影像数据集中实现偏头痛发作的交互式研究与教育探索。

患者因右侧颞部和枕部搏动性头痛就诊于医院，疼痛强度为0-10分疼痛量表上的6分。患者此次发作为其常见的偏头痛，但不伴先兆。头痛始于本次（发作期）PET检查前5小时的清晨醒来时，患者未使用任何终止性药物治疗而耐受了头痛。据患者自述，此次头痛并未由任何明确的诱发因素引起。例如，酒精，睡眠剥夺）。未报告自主神经症状，但存在畏光和畏声。在发作期PET扫描开始后，头痛程度逐渐加重，至研究开始60分钟时达到重度水平（疼痛评分0-10分中的9分）；扫描结束时进展为恶心和呕吐。症状减轻 µOR BP未检测到 在患者自发性偏头痛发作期（发作期）与基线期（发作间期）相比，观察到其脑部出现异常。图2）。在专利减少方面存在明显差异 µOR BP未检测到 内源性疼痛矩阵主要区域 µ-阿片系统，包括以下丘脑核团：右侧背外侧核（11, -19, -16：10.2%）、右侧背内侧核（6, -17, -8：11.1%）、右侧中线核（8, -19, -16：27%）和腹前核（9, -9, -12：12.0%）。此外，还观察到右侧前扣带皮层（8, 35, 14：13.7%）和左侧后扣带皮层（-5, -44, 23：11.8%）、左侧尾状核体部（-11, 6, 15：12.0%）、内侧苍白球（右侧：16, -4, -3：16.2%；左侧：-14, -4, -3：22.6%）、左侧伏隔核（-9, -11, -7：10.5%）以及海马（右侧：30, -22, -14：12.6%；左侧：-30, -22, -14：11.5%）的变化。存在一个增加的 µOR BP未检测到 仅在左侧杏仁核（-23，-4，-19：11.7%）中观察到。在脑干中，癫痫发作期间显著降低 µOR BP未检测到 从嘴侧延伸至尾侧的导水管周围灰质（PAG）（右侧：4, -28, -6：15.1%；左侧：-2, -28, -6：14.6%）（图3）。然而，大脑半球整体的百分比变化在 µOR BPND 偏头痛发作期间的变化幅度较小（右侧：8.5%；左侧：8.29%），表明其下降程度在 µOR BP未检测到 特异性地存在于大脑的疼痛矩阵结构中。
<img alt="使用虚拟现实进行神经学数据分析的交互式3D脑模型可视化。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50682/50682fig1highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 偏头痛脑部的全虚拟现实3D数据导航。首次在完全沉浸式的3D虚拟现实中探索了真实的偏头痛神经影像数据，允许学生、临床医生和研究人员在偏头痛发作期间对脑内μ-阿片受体（µOR BPND）的可用性进行无限制的数据导航（in vivo）。
<img alt="Migraine study brain PET scan diagram showing μ-opioid receptor availability change during attack." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50682/50682fig2highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
图2. μ-偏头痛的脑部阿片类物质特征分析 在体内 发作期（下排）——头痛期——显示减少 μ-阿片受体可用性（µOR BP未提供源文本疼痛矩阵区域中的结果（阈值，DV = 4.50）。该结果可能代表内源性活动的增强 μ在偏头痛发作期间，作为对持续严重头痛的调节性反应，会释放-阿片肽。关键词：丘脑（Thal）、伏隔核（Nac）和前扣带皮层（ACC）。
<img alt="Neuroimaging diagram of μ-opioid receptor availability change in PAG during migraines." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50682/50682fig3highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 3"> 
图3. 中脑/脑桥/延髓 μ偏头痛发作期间阿片受体的可利用性 在体. 发作期（右栏）——头痛期——显示减少 μ沿导水管周围灰质（PAG）的μ-阿片受体可用性（阈值，DV = 4.50），与发作间期（左列）——即无头痛期相比。关键词：PAG：r - 头侧；m - 内侧；c - 尾侧。

在本研究中，作者首次报道了一种新型的3D沉浸式 &amp;#38; 通过患者大脑μ-阿片系统在自发性偏头痛发作期间的变化实现交互式神经导航（3D-IIN） 体内.

3D-神经导航 在体 内 通过患者大脑观察自发性偏头痛发作期间的变化

越来越多的研究（主要基于磁共振成像研究）表明，偏头痛的发生乃至持续可能存在缘于结构与功能的改变……

本实验的总体目标是利用一种新型的三维神经导航技术，在体内研究自发性偏头痛发作期间大脑内源性μ阿片肽的传递情况。首先，在偏头痛患者典型的头痛期和非头痛期，使用正电子发射断层扫描（PET）结合选择性放射性示踪剂碳-11卡芬太尼进行扫描，从而实现对大脑中μ阿片受体可用性的测量。第二步是通过将配准并标准化后的 MR 和 PET 图像与 MNI 图谱模板进行比较，以验证配准和标准化的准确性。为了进行感兴趣区域（ROI）分析，最后一步是将受试者的激活数据以 NIfTI 数据格式进行整理和存储，以便在完全沉浸式的多屏集群配置中显示三维容积。最终，该 3D 神经导航系统可在虚拟现实环境中实现实时探索数据集，并在偏头痛发作期间对患者的神经影像数据进行动态控制与解剖分析。与现有方法相比，该技术的主要优势在于能够在偏头痛发作期间，实时完整地交互和导航患者的大脑。该方法有助于回答偏头痛领域中的关键问题，例如在偏头痛发作期间，大脑中哪些区域的活动增强或减弱。在分子水平上，通过体内使用碳11标记的corfe——一种特异性的μ阿片受体可视示踪剂，可探测大脑中的主要镇痛机制之一。通常，初次接触该方法的研究人员会面临挑战，原因在于神经影像数据的适应过程较为复杂，同时构建完全交互式的虚拟现实环境也存在技术难度。虚拟现实、虚拟现实技术，该软件旨在创建完整的沉浸式体验。计算机利用先进的运动追踪设备，跟踪用户在虚拟现实空间中的视角和手势。特殊的快门眼镜将分别的左眼和右眼视角传递给大脑，大脑将其融合，从而让用户产生三维体验的感知，而且它们非常酷。在按照本方案进行扫描前，首先需获得受试者的书面知情同意。然后在磁共振成像（MRI）检查当天，让研究受试者填写 MRI 安全筛查表。在患者的发作间期，使用 3 特斯拉 MRI 扫描仪获取高分辨率 T1 加权解剖 MRI 图像。建议该扫描采用 1 毫米的层厚。然后，在确认受试者进行PET扫描的日期之前，需联系受试者，核实其在扫描当天所处的月经周期阶段。建议在卵泡期中期至晚期进行PET扫描。一旦扫描日期确定，应提交申请，以制备碳-11标记的卡芬太尼（carbon-11 carfentanil），这是一种短半衰期放射性示踪剂，对μ阿片受体具有选择性亲和力，需在扫描设备附近的回旋加速器中生产。请注意，该示踪剂必须在扫描前两小时制备。然后在可能进行发作期 PET 扫描的当天，于检查前两小时联系受试者，确认是否存在自发性偏头痛发作。若存在偏头痛发作，应依据国际头痛障碍分类标准验证偏头痛的诊断。确诊后，需确认受试者能够安全前往医院接受扫描。若受试者不适宜自行驾驶或无指定驾驶员陪同，应提供交通工具。当受试者到达医院后，应陪同其前往正电子发射断层扫描（PET）检查区，采用相同的国际标准重新验证诊断结果。然后在扫描前进行尿液药物检测，以确认受试者未服用任何可能与示踪剂发生相互作用的物质，同时进行妊娠检测。确认受试者已理解正电子发射断层扫描（PET） procedure 的风险与益处，并在核医学技术员的指导下核实其已签署知情同意书。协助受试者在每次示踪剂给药后正确安置于扫描仪中。以弹丸式注射50%，其余部分在扫描过程中持续输注，以达到示踪剂的稳态水平。示踪剂注射后约35分钟，进行一次90分钟的PET扫描，此处使用西门子HR plus扫描仪的3D模式。重建图像的平面半高全宽分辨率应约为5.5毫米，轴向为5.0毫米。在下一个月经周期的无头痛期，重复上述步骤进行轴向的发作间期 PET 扫描。然后重建 PET 数据并进行数据分析，包括归一化处理和感兴趣区域分析。详见本方案配套的文字说明。为了准备 3D 交互式神经导航体验，首先将 NIfTI 体数据格式提供的数据整理为一系列图像堆栈，其中密度和激活水平定义为 16 位。佩戴主动式 LCD 快门眼镜，以实现时间序列的立体 3D 效果。该快门眼镜通过在显示一只眼睛图像时遮挡另一只眼睛的图像来工作。该过程通过双眼交替产生三维效果，频率为110赫兹。使用操纵杆与模拟环境进行交互，并按照说明将反光标记贴附于快门眼镜和操纵杆上，以便通过Vicon动作捕捉系统实现对空间中物体的精确六自由度（six DOF）追踪。接下来，显示受试者的激活数据，使用XML配置文件定义密度和激活水平的颜色映射，这些文件在程序启动时加载，并在集群中的每台计算机之间共享。通过 nifty 数据集提供的颈静脉内部加载函数以及 nifty lab 开源软件库，获取三维体素细胞。典型的加载时间少于一分钟，但将生成的体素细胞与每台计算机及集群共享可提高速度。利用支持 OpenGL 的着色器解释体素细胞，该着色器执行光线行进算法，并根据先前共享的颜色映射 XML 配置文件中定义的不同颜色和透明度显示体素。通过 Vicon 动作捕捉系统获取位置，并利用该位置信息更新每块屏幕上绘制的体数据透视图。记录交互操作，并利用这些操作在数据中动态调整和切割平面，以及在虚拟空间中进行三维交互式神经导航。首先将受试者激活数据以 NIfTI 数据格式存储，这是一种使用 NIfTI Live 库进行解析的体数据类型。然后，为了在完全沉浸式的多屏幕集群配置中显示体数据，将体数据应用于一个缩放后立方体的背面，并使用单次通道的 GL SL 着色器进行渲染。该着色器数组遍历整个体数据，根据密度和激活水平以不同的颜色和透明度显示体素。通过跟踪系统、操纵杆设备和手势输入获取交互信息及位置。利用此信息确保显示的图像代表正确的观察视角，从而实现实时探索数据集。同时，使用熟悉的移动方式和控制方案，动态控制最多三个任意切割平面。在此，我们可以看到体内偏头痛的μ阿片受体脑部特征图像。发作期或头痛期显示疼痛矩阵区域的μ阿片受体可用性降低。这可能代表在偏头痛发作期间，作为对持续严重头痛的调节反应，内源性μ阿片肽释放增加。此处我们可以看到在体内偏头痛发作期间中脑、脑桥和延髓μ阿片受体可用性的示例。发作期头痛阶段与发作间期无头痛阶段相比，导水管周围灰质中的μ阿片受体可用性降低。该技术对偏头痛治疗具有重要意义，因为它能够更准确地确定大脑中未来治疗（包括神经调节）的潜在靶点。尽管该方法可为偏头痛提供深入见解，也可应用于其他神经系统疾病，如神经科疾病、抑郁症和成瘾。3D神经导航与神经影像技术的结合，使疼痛学、神经科学领域的研究人员、临床医生和教育工作者能够在更具交互性和沉浸感的虚拟环境中探索大脑。所展示的结果揭示了偏头痛对脑内阿片系统影响的重要机制信息。

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