Name: 一种基于导航经颅磁刺激的功能性运动定位标准化协议 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-02-27T13:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 27 s
Description: 学习基于导航经颅磁刺激的功能性运动定位标准化协议，结合弥散张量成像进行皮质脊髓束重建。该方法适用于神经外科术前规划与神经可塑性研究，可在19分钟内精确定位运动皮层区域。

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本工作由丹麦独立研究基金（资助编号：3165-00230B）、Aage ＆ Johanne Louis-Hansens 基金会（资助编号：25-1-17926）和 Muskelsvindfonden（资助编号：2025-0010）支持

作者无任何利益冲突需要披露。

本文介绍了一种标准化且可重复的功能性运动皮层定位方案，采用神经导航经颅磁刺激（nTMS）技术，可直接应用于术前手术规划。通过将神经导航系统与受试者脑部解剖结构重建相结合，该标准化方案可在不到90分钟的检查时间内识别并勾画出运动功能关键皮层区域，具体时长取决于所研究的肌肉数量。该方法在运动功能关键区肿瘤患者中尤为重要，因为皮质脊髓束（CST）的解剖重建常受到两个因素的限制：（i）由于占位效应和/或水肿引起的解剖结构移位；（ii）运动功能代表区的功能重组。基于固定解剖标志的解剖学种子纤维追踪可能因此在定位皮层起源时产生误导，并在整个纤维追踪过程中传播误差。功能性运动皮层定位通过使用nTMS阳性位点作为皮层种子点，将纤维追踪锚定于驱动皮质脊髓输出的患者当前运动图谱，从而解决了这一问题。在后续处理分析中，应将运动图谱所得的皮层感兴趣区域（ROI）扩大2–3 mm，以减轻融合相关错配，标准化ROI体积（0.9 ± 0.1 cm3），减少操作者间及个体间差异，提高CST纤维追踪的可比性59。与基于解剖标志的纤维追踪相比，nTMS种子点引导的纤维追踪可生成更合理、体位对应更一致的CST重建结果，异常流线更少，且观察者间变异度更低27,61,62。与基于fMRI的种子点追踪相比，在肿瘤邻近CST的患者中，nTMS引导的纤维追踪同样可产生更合理的重建结果和更高的观察者间一致性25。此外，该方法还可从nTMS运动定位图和nTMS种子点CST中提取多种指标，这些指标可能作为术后运动功能预后的预测因子。在皮层水平，肿瘤内部存在nTMS可诱发反应的位点与运动功能缺损风险增加相关，其阳性预测值范围为50–90%30,63,64,65。相反，切除nTMS阴性位点被认为是安全的，其阴性预测值较高，范围为90–100%30,31,65。在皮层下水平，当肿瘤与纤维束距离&#60;8–12 mm时，已被确定为与术后功能缺损风险升高相关的关键阈值，前提是肿瘤未侵犯中央前回66,67,68,69,70,71。此外，nTMS种子点CST的微结构改变（分数各向异性降低，平均扩散率升高）也被提出作为术后功能缺损的额外风险因素70。最后，使用基于nTMS的纤维追踪技术与更高的肿瘤切除程度和更长的生存期相关，同时可保留运动功能，支持其在术前规划中的整合应用72。
在运动功能定位过程中，显著影响运动诱发电位（MEP）空间分布及运动图谱可解释性的关键参数是刺激强度（SI）。较高的刺激强度会增加反应概率和空间扩散范围（可能导致假阳性反应），而刺激强度不足则会增加假阴性反应的风险。为尽量减少这种偏差，刺激强度应相对于静息运动阈值（RMT）进行标定，并在可能的情况下调整以维持稳定的目标电场强度（EF）。在实际操作中，接近阈值的刺激强度可在敏感性与特异性之间取得平衡，从而生成与直接电刺激定位结果相近的保守图谱。另一方面，当临床安全性要求在图谱边缘优先保证敏感性时，选择高于阈值的刺激强度（例如120% RMT）是合理的，但需认识到较高的刺激强度会系统性地扩大运动图谱范围73。在对多个肌肉进行定位时，若使用单一刺激强度，可能会使定位结果偏向阈值最低的肌肉，因为邻近肌肉可能具有不同的兴奋性特征。因此，应针对每块肌肉分别估算其静息运动阈值（RMT）74。此外，在一次运动定位过程中，皮层兴奋性可能发生显著变化，表现为MEP振幅出现意料之外的改变，此时需要重新估算RMT并调整刺激强度。
在运动功能定位过程中使用刺激网格有助于标准化间距并促进定位图的量化（例如，通过计算激活的网格方格数）。然而，网格尺寸会直接影响结果：较大的方格可能高估定位图的范围，而较小的方格则会增加采样不足的风险。近期证据表明，可以不使用网格进行nTMS定位，而是采用解剖引导的方法，在解剖标志附近和定位图边缘施加更密集的刺激75。
可以从运动定位图中提取多个定量参数，例如重心（CoG）、运动图面积和体积。重心定义为以幅值加权的坐标位置，代表运动表征的中心58。连续检查已显示脑肿瘤患者重心发生偏移76,77,78，反映出运动皮层随时间推移发生的功能重组。运动图面积和体积表示运动表征的空间范围。面积通常通过计算刺激网格上激活方格的数量获得，或在无网格刺激中采用样条插值法，将阳性刺激点用平滑的多项式曲线连接，从而生成连续的表面或体积56。这些指标可用于纵向监测（随访研究或干预效果评估），或与病灶对侧半球进行比较，以研究皮层运动可塑性79,80,81,82。定量运动定位图指标有望超越神经肿瘤学领域，为神经系统疾病中的运动系统完整性及疾病相关可塑性提供生物标志物55,83。
尽管nTMS目前已广泛用于术前运动功能区定位，但仍需认识到其存在若干局限性。首先，共配准和皮层映射的准确性在一定程度上依赖于操作者。尽管已有研究表明，nTMS在专家与新手检查者之间具有良好的一致性，能够提供可靠的运动功能拓扑图84，但仍需接受适当的培训，包括线圈操作、头部追踪器稳定性控制以及刺激参数的及时调整，以确保该技术的可靠性与可重复性。第二个局限性涉及病灶周围水肿和占位效应对纤维束成像的影响。显著的病灶周围水肿可能降低基于nTMS的皮质脊髓束重建的准确性，尤其是在邻近病灶的体素中85。同样，由于术中脑移位，术前数据集与实际术中解剖结构之间可能出现偏差86,87。由于脑移位无法完全避免——特别是对于具有明显占位效应的肿瘤——在切除手术的后期阶段，基于nTMS获得的运动区域（包括皮层和皮层下区域）的准确性可能下降。可通过多种策略减轻这些不准确性，包括限制不必要的皮层暴露、反复核对浅表解剖标志88，以及联合使用术中影像技术（如MRI、超声或CT）并结合脑组织形变校正方法89,90,91,92。最后，就安全性而言，nTMS在肿瘤相关性癫痫患者中已显示出良好的安全特性。在大样本研究中，术前映射过程中由刺激诱发的癫痫发作极为罕见甚至未见报道93，表明在采取适当预防措施的前提下，该技术是安全的。
总体而言，神经导航经颅磁刺激（nTMS）可为手术规划提供具有临床价值的功能信息，并为开展针对多种神经系统或精神疾病中运动系统可塑性的纵向研究开辟了路径。

在运动功能区脑肿瘤手术中，如何在最大程度切除肿瘤的同时最小化术后运动功能缺损，仍是神经外科面临的核心挑战。术中直接电刺激（DES）定位是提供有关运动通路皮质及皮质下功能解剖信息的&#34;金标准&#34;技术1,2,3,4,5。然而，在术前规划、风险分层以及为患者提供最佳咨询时，明确个体化的功能解剖结构至关重要。由于脑肿瘤可能引起显著的解剖结构变形或运动网络的可塑性重组，仅依靠常规结构性脑部磁共振成像（MRI）无法推断皮质运动区的结构与功能关系。
经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）最初作为一种非侵入性方法被引入，用于探测运动皮层6，随后被改进用于运动皮层的功能定位7,8，包括通过表面肌电图记录来自不同肌肉的运动诱发电位（motor evoked potentials, MEPs）进行术前评估9,10,11。早期的非导航TMS方案技术要求高，且缺乏解剖学准确性。随着个体化MRI数据和基于电场的导航技术的整合，实现了对刺激位点的精确定位，提高了皮层功能-解剖对应关系的准确性12,13,14和可重复性15,16。通过直接诱发MEPs，导航式TMS（nTMS）可实现毫秒级的时间分辨率和亚厘米级的空间定位，精确反映皮质脊髓输出，在功能定位结果上与术中直接电刺激（DES）具有良好的一致性17,18,19。图像引导的nTMS安全性良好，耐受性高20,21，且已被美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）批准用于术前运动皮层功能定位超过15年22。
在运动功能定位中，通过在目标刺激位点采样运动诱发电位（MEP）的幅度，绘制出个体化的运动功能图谱，从而界定皮层代表区23。与基于任务的功能磁共振成像（fMRI）相比，导航经颅磁刺激（nTMS）与术中直接电刺激（DES）在空间定位上具有更高的吻合度24,25,26。尽管当病变邻近或侵犯运动区时，术中决策最终仍依赖于直接电刺激（DES），但术前nTMS可通过导出刺激阳性位点作为扩散张量成像（DTI）重建皮质脊髓束（CST）的种子点，提供有价值的补充信息。当肿瘤主要影响皮层下白质中的运动传导通路时，该方法在评估皮质脊髓完整性方面尤为有用27,28。此外，术前nTMS运动定位已显示出良好的阳性预测值29,30和较高的阴性预测值29,30,31，并可改善手术预后17,18,19,32。最近的研究还证实，nTMS是一种评估术后运动功能的有效工具31,33。基于上述原因，nTMS运动定位在神经外科的术前评估和术后随访中正被越来越广泛地应用。关于nTMS皮层定位的方法学建议已于2017年发布34。鉴于近年来的研究进展以及现代影像技术的整合，该方法目前可进一步优化，为临床和科研实践提供更精确的指导。
本文介绍了一种使用神经导航经颅磁刺激（nTMS）进行运动功能定位的标准化操作流程，结合多种技术手段，在真实临床条件下评估术前运动通路的皮层及皮层下功能表征，以辅助肿瘤切除手术的规划。

<table><tbody><tr><td>Elements 软件</td><td>BrainLAB AG, Munich, Germany</td><td></td><td>图像处理软件和手术室神经导航软件</td></tr><tr><td>神经导航 TMS 系统&amp;nbsp;</td><td>Nexstim, Helsinki, Finland</td><td>NBS 5.1 系统</td><td>配备八字形线圈和肌电图放大器的导航式 TMS 系统</td></tr><tr><td>用于肌电图记录的表面电极&amp;nbsp;</td><td>Natus, Middleton, WI, USA</td><td>9013L0453</td><td>用于肌电图记录</td></tr></tbody></table>

使用导航经颅磁刺激进行功能性运动定位的标准化方案

A Standardized Protocol for Functional Motor Mapping Using Navigated Transcranial Magnetic Stimulation

导航经颅磁刺激（nTMS）基于个体脑成像数据的整合，以确定刺激线圈的精确定位，从而实现对皮质靶区的解剖学引导式刺激。神经导航系统在重复经颅磁刺激（rTMS）治疗过程中优化线圈定位方面的价值已得到广泛认可。此外，nTMS 越来越多地应用于不同场景下的脑区功能定位，例如在肿瘤切除术前识别和界定重要的运动区和语言区。除了在优化神经外科手术中的作用外，nTMS 定位还可用于监测皮质可塑性，并在多种神经系统疾病中量化运动系统的完整性。本文介绍了一种使用 nTMS 进行运动功能定位的标准化操作方案，并结合基于扩散张量成像（DTI）的皮质脊髓束（CST）重建技术。该方法可精确描绘重要的皮质运动区及其皮层下投射通路，并检测邻近病灶患者的功能重组情况。当整合到术前规划中时，该方法可为个体化的手术策略提供指导，在最大限度切除病灶的同时保护运动功能。本文所述方案具有可重复性，适用于临床实践，并可融入常规工作流程，是神经可塑性研究和康复规划中一项具有前景的工具。

我们展示了使用神经导航经颅磁刺激（TMS）系统在不同健康受试者以及临床环境中接受运动功能定位的患者中获得的代表性步骤和运动定位结果。皮质脊髓束（CST）重建采用适用于神经外科手术规划的图像处理软件完成，该软件具备多模态图像配准和基于弥散张量成像（DTI）的纤维束追踪功能。神经导航系统集成了带有导航功能的双线圈、立体定位相机、肌电图（EMG）放大器，并利用个体化的多球头模型，在三维脑重建图像上实时可视化诱发的电场分布。
图5展示了通过粗略定位确定的热点处的RMT测定结果。在整个操作过程中，借助神经导航靶点，线圈的位置和方向始终保持完全一致。图6展示了一名健康受试者的运动功能定位图。对左侧下肢（大腿、小腿、足部）、上肢（肩部、前臂、手部）以及面部进行了定位。阳性刺激位点（按MEP幅值颜色编码）和阴性位点（灰色）共同勾画出运动皮层的代表区域。图7展示了一名肺癌转移累及运动前区并表现为上肢运动功能障碍的患者的运动功能定位图及皮质脊髓束（CST）重建结果。
<img alt="MRI 和 EEG 脑扫描分析示意图，显示神经活动与成像对齐。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69776/69776fig5.jpg" data-altupdatedat="1778558422000" data-alt="图 5"> 
图 5：在健康受试者的第一背侧骨间肌热点区域，通过神经导航经颅磁刺激（TMS）进行粗略定位及静息运动阈值（RMT）测定。 热点区域通过粗略定位法确定（左下图），并被选为RMT测定的目标位置。在整个操作过程中，借助神经导航目标系统，线圈的位置和方向始终保持在完全相同的位置（右下图）。运动诱发电位（MEPs）通过连续肌电图（EMG）记录和片段化反应获取。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69776/69776fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="功能脑图谱示意图，通过多色电极放置显示神经活动。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69776/69776fig6.jpg" data-altupdatedat="1778558422000" data-alt="图6"> 
图6：使用神经导航经颅磁刺激（TMS）对下肢、上肢和面部肌肉进行运动皮层定位。 下肢记录的肌肉：股四头肌（绿色）、胫骨前肌（橙色）、拇展肌（黄色）。上肢记录的肌肉：小指展肌（绿色）、桡侧腕屈肌（橙色）、三角肌（黄色）。面部记录的肌肉：鼻肌（蓝色）、降口角肌（紫色）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69776/69776fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示纤维追踪和肿瘤可视化的脑部MRI，用于神经学分析的示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69776/69776fig7v2.jpg" data-altupdatedat="1778558422000" data-alt="图7"> 
图7：用于神经外科手术规划的运动皮层定位与皮质脊髓束重建。 一名肺癌脑转移（白色）患者的nTMS运动定位图（左图）和nTMS引导下的皮质脊髓束重建图（右图）。记录的肌肉包括：拇展肌（紫色）、胫骨前肌（蓝色）、三角肌（黄色）、桡侧腕屈肌（红色）、第一背侧骨间肌（绿色）、眼轮匝肌（青色）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69776/69776fig7v2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

本文介绍了一种使用重复经颅磁刺激（nTMS）结合基于扩散张量成像（DTI）的皮质脊髓束（CST）重建进行运动区定位的标准化操作流程。该方案具有可重复性，临床可行性高，可轻松整合到常规临床工作流程中，为运动通路评估、神经可塑性研究以及康复方案制定提供了可靠且有价值的技术框架。

导航经颅磁刺激（nTMS）基于个体脑成像数据的整合，以确定……的精确定位

我们提出了一种标准化的运动功能定位和皮质脊髓束评估方案，该方案结合了导航经颅磁刺激（nTMS）与弥散张量成像（DTI），适用于神经外科手术规划及神经可塑性研究。尽管术中直接电刺激是运动功能定位的金标准，但现有的术前方法仍存在局限性。因此，亟需改进术前运动功能定位技术，以帮助神经外科医生优化手术规划，并更准确地评估手术风险。本方案采用导航经颅磁刺激（TMS）实现精确的运动通路定位，并优化手术规划。首先，将受试者的高分辨率脑部解剖图像导入神经导航系统，以生成三维脑重建图像。在神经导航软件中，通过识别鼻根点、右耳和左耳，标记磁共振成像中的关键解剖位点。现在，让受试者坐在带有轻微后倾的舒适扶手椅上，以减轻背部紧张。调节头枕，使其在枕外隆突处支撑头部和颈部。将头部追踪器放置在受试者的前额上。使用数字化笔，在神经导航软件中将受试者的关键解剖点与导入的图像进行共定位，并通过数字化额外的头皮点以匹配头皮表面，进一步优化配准。验证共定位结果，确保共定位误差小于三毫米。接下来，为受试者佩戴一副耳塞，并在刺激期间佩戴防护耳罩。然后用酒精棉片轻轻擦拭目标肌肉区域的皮肤以进行准备，随后贴上表面电极。采用肌腹-肌腱布置法将表面电极放置于目标肌肉上，并将接地电极置于中性部位。将所有电极连接至肌电图放大器。开始肌电图信号采集，并确认肌肉处于静息状态。在神经导航软件中显示的脑容积图像上，根据个体情况调整皮层剥离深度，使其介于头皮表面下15至25毫米之间，以最佳显示皮层解剖结构，随后启动刺激器设备。将刺激线圈与头皮表面呈切线方向放置，并用一只手握住手柄，另一只手扶住线圈表面以保持稳定接触，确保在重新定位过程中线圈与头皮紧密贴合。以足够强度进行刺激，以诱发出振幅范围在100至500微伏之间的运动诱发电位。现在，根据需要定位的肢体调整线圈方向。对于上肢和面部，保持线圈垂直于中央沟，以确保感应电流方向为从后向前。对于下肢，将线圈垂直于矢状面中线放置，以产生从中线到外侧的电流方向。在目标区域进行刺激，刺激点间距为一至两毫米，并沿脑回采集三条平行线。每次刺激之间至少间隔1.5秒。每块肌肉记录20至30个运动诱发电位后，停止继续定位 mapping，并回顾所有运动诱发电位。随后，使用归一化的颜色标度显示记录结果，以确定每块肌肉的热点区域，即诱发最大运动诱发电位幅值的刺激位点。找到振幅反应最高的区域，并在该区域内选择振幅最大的单一反应。对于每块肌肉，选择其热点以确定静息运动阈值，记录线圈的位置和方向，以便在阈值测量过程中保持一致，并确定每块肌肉的静息运动阈值。确保受试者保持完全放松，无任何不自主的肌肉收缩。针对每块肌肉，以静息运动阈值的105%至110%进行刺激。采用与绘制路径图时相同的线圈方向，减小刺激点之间的间距以获得更高的分辨率。将功能性运动图谱界定为皮质区域，在该区域内，导航经颅磁刺激可诱发出幅度达到或超过50微伏的运动诱发电位。持续进行刺激，直至运动图谱的边界由一到两条连续的无运动诱发电位产生的阴性位点构成。确保运动图谱呈椭圆形，内部仅有少量阴性位点。对于位于运动图谱内的任何阴性刺激点，需在不同时间点进行额外的刺激，以排除运动皮层兴奋性短暂波动的影响。在神经导航软件中打开运动诱发电位回顾面板或信号查看器。检查每一条记录的运动诱发电位，校正其幅值和潜伏期，并在需要时调整标记。从数据集中剔除伪迹或异常的刺激点，并以二值形式显示每块肌肉的运动图谱。以二值化的 DICOM 格式导出深度为 15、20 和 25 毫米的阳性刺激点。将这些文件用于纤维束追踪，以阳性刺激点作为皮质脊髓束重建的种子点。在运动功能定位分析中，将运动图谱的 DICOM 文件导入支持神经外科肿瘤切除术中神经导航的图像分析软件中进行分析。将解剖学T1加权图像与运动图DICOM文件及弥散加权成像文件进行配准。从运动图DICOM文件生成对象，并将其扩展一至两毫米以提高敏感性。裁剪运动图以排除耳部和鼻根点，从而避免在纤维束成像过程中产生错误的纤维重建。在与映射半球同侧的脑桥下部水平手动绘制一个目标结束区域。使用运动功能图谱的目标区域作为种子点，脑桥目标区域作为终点，进行纤维追踪。选择合适的纤维束成像算法，例如确定性流线追踪或概率性纤维束成像，并根据具体病例调整追踪参数。最后，对脑肿瘤进行分割，并在分析软件中创建相应的对象。可通过不同颜色按肢体部分分别显示皮质脊髓束，或根据完整的运动定位图将其显示为统一的纤维束。静息运动阈值通过在健康受试者中进行粗略定位，确定第一背侧骨间肌的热点位置获得，且在操作过程中使用神经导航靶点系统保持线圈位置与方向不变。对一名健康受试者的运动功能定位显示，其左侧下肢、上肢和面部在大脑皮层均有相应的代表区，阳性刺激位点根据运动诱发电位的幅值以不同颜色编码，阴性位点则以灰色显示。对一名肺癌脑转移累及前运动回并伴有上肢运动功能障碍的患者，进行了运动皮层定位及皮质脊髓束的重建。通过将神经导航技术与受试者自身的脑部解剖结构相结合，该重复经颅磁刺激（NTMS）方案可在不到19分钟内精确识别并勾画出具有运动功能的皮层区域。刺激强度的仔细选择至关重要，因为它会影响运动诱发电位的测定和运动图谱的解读。净反应水平可提供接近直接电刺激的保守图谱。该技术最初是为了在手术规划中提供具有临床实用性的功能信息而开发的。此外，我们现在知道，该技术可用于对多种神经或精神疾病中的运动可塑性进行纵向评估。

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科研

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神经科学

一种基于导航经颅磁刺激的功能性运动定位标准化协议

来源：Charalambos, C. C., 等。利用导航经颅磁刺激对踝部肌肉的皮质脊髓通路进行双侧评估。J. Vis. Exp.

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