Method Article

Ein standardisiertes Protokoll für funktionelle motorische Kartierung unter Verwendung navigierter transkranialer magnetischer Stimulation

DOI:

10.3791/69776

February 27th, 2026

In This Article

Summary

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Hier beschreiben wir ein standardisiertes Protokoll für die motorische Kartierung mit nTMS in Kombination mit der Diffusions-Tensorbildgebung (DTI)-basierter Rekonstruktion des kortikospinalen Trakts (CST). Das Protokoll ist reproduzierbar, klinisch machbar und leicht in routinemäßige klinische Arbeitsabläufe integriert und bietet einen robusten und wertvollen Rahmen für die Bewertung der motorischen Bahnen, die Forschung zur Neuroplastizität und die Rehabilitationsplanung.

Abstract

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Die navigierte transkranielle Magnetstimulation (nTMS) basiert auf der Integration einzelner Hirnbildgebungsdaten, um die genaue Position der Stimulationsspirale zu bestimmen und so eine anatomisch gesteuerte Stimulation kortikaler Ziele zu ermöglichen. Das Interesse an Neuronavigationssystemen ist bei der Optimierung der Spulenpositionierung während wiederholter TMS-(rTMS)-Behandlungen gut anerkannt. Darüber hinaus wird nTMS zunehmend für die funktionelle Abbildung von Hirnregionen in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie etwa zur Identifikation und Abgrenzung eloquenter motorischer und sprachlicher Bereiche vor der Tumorresektion. Neben seiner Nützlichkeit bei der Optimierung neurochirurgischer Verfahren kann die nTMS-Kartierung auch ein Werkzeug zur Überwachung der kortikalen Plastizität und zur Quantifizierung der Integrität des motorischen Systems bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen sein. Dieses methodische Papier präsentiert ein standardisiertes Protokoll für die motorische Kartierung mittels nTMS, in Kombination mit einer auf Diffusionstensorbildgebung (DTI)-basierten Rekonstruktion des kortikospinalen Trakts (CST). Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Abgrenzung der eloquenten motorischen kortikalen Regionen und ihrer subkortikalen Projektionen sowie die Erkennung funktioneller Reorganisationen bei Patienten mit benachbarten Läsionen. Wenn diese Methode in die prächirurgische Planung integriert wird, bietet sie Leitlinien für individuelle chirurgische Strategien, die darauf abzielen, die Läsionsentfernung zu maximieren und gleichzeitig die motorische Funktion zu erhalten. Das hier vorgestellte Protokoll ist reproduzierbar, klinisch anwendbar und eignet sich für die Integration in routinemäßige Arbeitsabläufe. Sie stellt ein vielversprechendes Werkzeug für die Forschung und Planung der Neuroplastizität dar.

Introduction

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Die Maximierung des Ausmaßes der Resektion bei motorisch eloquenten Hirntumoren bei gleichzeitiger Minimierung postoperativer motorischer Defizite bleibt eine zentrale Herausforderung in der Neurochirurgie. Die Kartierung der intraoperativen direkten elektrischen Stimulation (DES) ist die "Goldstandard"-Technik, um verlässliche anatomisch-funktionelle Informationen über die kortikale und subkortikale Darstellung motorischer Bahnen 1,2,3,4,5 bereitzustellen. Für präoperative Planung, Risikostratifizierung und optimale Patientenberatung ist es jedoch entscheidend, die individuelle funktionelle Anatomie vor der Operation abzugrenzen. Die Beziehung zwischen Anatomie und Funktion in kortikalen motorischen Bereichen lässt sich aus konventioneller struktureller Magnetresonanztomographie (MRT) nicht ableiten, da Hirntumoren erhebliche anatomische Verzerrungen oder plastische Umstrukturierungen motorischer Netzwerke hervorrufen können.

Die transkranielle magnetische Stimulation (TMS) wurde als nicht-invasive Methode zur Untersuchung des motorischen Kortex6 eingeführt und später für die funktionelle Kartierung des motorischen Cortex 7,8 angepasst, unter anderem in präoperativen Tests durch die Erfassung von motorisch evokierten Potentialen (MEPs) verschiedener Muskeln mittels Oberflächenelektromyographie 9,10,11. Frühe nicht navigierte TMS-Protokolle waren technisch anspruchsvoll und wiesen anatomische Genauigkeit nicht auf. Die anschließende Integration mit individuellen MRT-Daten und elektrischfeldbasierte Navigation ermöglichte eine präzise Steuerung der Stimulationsstellen, was die anatomische funktionale Genauigkeit 12,13,14 und die Reproduzierbarkeit 15,16 verbesserte. Durch direkte Auslösung von MEPs bietet navigierte TMS (nTMS) eine temporale Auflösung im Millisekundenmaßstab und eine subzentimeterweite räumliche Lokalisierung des kortikospinalen Outputs mit guter Übereinstimmung mit intraoperativem DES 17,18,19. Bildgeführtes nTMS ist sicher, gut verträglichund von der Food and Drug Administration (FDA) für die prächirurgische funktionelle Kartierung des motorischen Kortex seit mehr als 15Jahren zugelassen.

Bei der motorischen Kartierung werden kortikale Repräsentationen durch das Stichproben von MEP-Amplituden über gezielte Stimulationsstellen abgegrenzt, um patientenspezifische motorische Karten23 zu erstellen. Im Vergleich zur aufgabenbasierten funktionellen MRT (fMRT) zeigt nTMS eine größere räumliche Übereinstimmung mit intraoperativen DES 24,25,26. Während intraoperative Entscheidungen letztlich von DES abhängen, wenn Läsionen an die motorischen Bereiche stoßen oder sie besetzen, liefert präoperative nTMS wertvolle ergänzende Informationen, indem es stimulationspositive Stellen als Futter für die Diffusionstensorbildung (DTI) Rekonstruktion des kortikospinalen Trakts (CST) exportiert. Dieser Ansatz ist besonders nützlich, um die corticospinale Integrität zu bewerten, wenn Tumore hauptsächlich die motorischen Trakte der subkortikalen weißen Substanz betreffen27,28. Darüber hinaus zeigte die präoperative nTMS-Motorkartierung einen guten positiven Prädiktionswertvon 29,30 und einen hohen negativen Prädiktionswertvon 29,30,31, mit verbesserten chirurgischen Ergebnissen von 17,18,19,32. Kürzlich wurde auch als wirksames Instrument zur Beurteilung der postoperativen motorischen Funktion31,33 erwiesen. Aus diesen Gründen wird die nTMS-Motorkartierung zunehmend sowohl für präoperative Evaluation als auch für die postoperative Nachbeobachtung in der Neurochirurgie verwendet. Methodologische Empfehlungen für die kortikale Kartierung mit nTMS wurden 2017 veröffentlicht,34. Angesichts dieser aktuellen Studien und der Integration moderner Bildgebender Techniken kann diese Methodik nun verfeinert werden, um eine genauere Orientierung für klinische und Forschungspraxis zu bieten.

In diesem Artikel präsentieren wir ein standardisiertes Protokoll zur Durchführung der motorischen Kartierung mit nTMS, das verschiedene Techniken kombiniert, um präoperative kortikale und subkortikale Darstellungen motorischer Bahnen für die Tumorresektionsplanung unter realen klinischen Bedingungen zu bewerten.

Protocol

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Diese Studie wurde gemäß nationalen und internationalen Ethikrichtlinien für die Humanforschung durchgeführt. Die retrospektive Analyse anonymisierter Patientendaten, die während der routinemäßigen Versorgung gesammelt wurden, erfolgte mit informierter Einwilligung, die zum Zeitpunkt der Behandlung eingeholt wurde, gemäß den französischen Vorschriften. Demonstrationsdaten gesunder Proben, die Co-Autoren des Manuskripts sind, wurden mit schriftlicher informierter Einwilligung für die Teilnahme und Veröffentlichung von Daten und Bildern einbezogen. Dies ist das aktuelle Protokoll, das im Henri Mondor Krankenhaus (Créteil, Frankreich) und am Aarhus Universitätskrankenhaus (Dänemark) zur präoperativen Planung bei Hirntumoroperationen verwendet wird.

1. Erfassung von Neuroimaging-Daten für die Neuronavigation

  1. Überprüfen Sie das Fehlen einer Kontraindikation gegen nTMS und MRT anhand medizinischer Unterlagen und Patienteninterviews, einschließlich intrakraniellem ferromagnetischem Gerät, unkontrollierter Epilepsie, Herzschrittmacher, Schwangerschaft oder Stillen35.
  2. Aufnehmen Sie ein hochauflösendes anatomisches Gehirnbild, das sowohl Ohren als auch Schädelvertex (ohne Falten oder Verformungen durch MRT-Kopfhörer) einschließt, um eine genaue Gehirnrekonstruktion durch das Neuronavigationssystem zu ermöglichen.
    1. Verwenden Sie die folgende Empfehlung für die MRT-Sequenz:
      3D T1-gewichtete (T1w) anatomische Gradienten-Echo
      1-mm-isotrope Voxel (oder weniger)
      ≥1,5-Tesla-MRT-System (bevorzugt 3 T).
    2. Alternativ verwenden Sie diese akzeptablen Sequenzen:
      3D-FLAIR
      Kontrastverstärktes 3D T1w
  3. Erhalten Sie vor der Kontrastinjektion diffusionsgewichtete Bildgebung (DWI) für eine weitere Diffusions-Tensorbildgebung (DTI)-basierte Traktographie36.
    1. Verwenden Sie die folgenden Mindesterwerbsparameter37:
      Isotrope 2-mm-Voxel
      Diffusionskodierungsrichtungen: ≥ 25
      B-Wert: ≈ 800 s/mm²
      Nicht-diffusionsgewichtete Bilder: ≥ 3 b0-Bände (b = 0 s/mm²)
    2. Verwenden Sie die folgenden empfohlenen Parameter (für verbesserte Tensorschätzung und Traktographie):
      Diffusionskodierungsrichtungen: ≥ 64
      b-Wert: 1000 s/mm2
      Höhere räumliche Auflösung (≤ 2 mm isotrop)

2. Bereite das Thema vor.

  1. Importiere das anatomische MRT-Bild des Subjekts in das Neuronavigationssystem, um eine 3D-Gehirnrekonstruktion zu erzeugen.
  2. Markiere die wichtigsten anatomischen Punkte im MRT innerhalb der Neuronavigationssoftware (Nasion, rechtes Ohr, linkes Ohr).
    1. Verwenden Sie die Wurzel der Crus Helicis für höhere Präzision.
    2. Alternativ kann man den Tragus verwenden, aber seine größere Fläche kann die Koregistrierungsunstimmigkeit erhöhen.
      HINWEIS: Um die Motorkartierung zu verkürzen, können diese Vorbereitungsschritte vor der Installation des Subjekts im Raum durchgeführt werden.
  3. Positioniere das Subjekt in einem bequemen Sessel mit leichter Lehnung (20–30°), um die Rückenspannungzu verringern. Stellen Sie die Kopfstütze so ein, dass sie Kopf und Hals am Inneren stützt.
  4. Achten Sie auf metallische Gegenstände im Bereich von Kopf und Hals (z. B. Ohrringe, Haarnadeln, Piercings) und entfernen Sie diese vor Beginn des Eingriffs.
  5. Bereiten Sie die Haut auf der Stirn für die Platzierung des Kopftrackers vor.
    1. Reinigen Sie die Haut mit Alkoholpads oder einem milden, abrasiven Gel.
    2. Stellen Sie sicher, dass die Haut vollständig trocken ist, bevor Sie den Tracker anbringen.
  6. Platzieren Sie den Kopftracker auf die Stirn, damit sie während der gesamten Stimulationssitzung stabil bleibt.
    1. Positioniere sie oberhalb der Augenbrauen und unterhalb des Haaransatzes.
    2. Platziere es entweder in der Mitte oder leicht seitlich.
    3. Befestigen Sie den Tracker mit seiner Klebefläche oder mit einem Gummiband.
  7. Registrieren Sie die wichtigsten anatomischen Punkte am Patienten mit dem importierten Bild in der Neuronavigationssoftware (siehe Abbildung 1).
    1. Verwenden Sie den Digitalisierungsstift, um die anatomischen Orientierungspunkte zu markieren.
    2. Stellen Sie sicher, dass die Ohrläppchen frei von der Kopfstütze sind, um eine Verschiebung der Ohrmarkenzu vermeiden 39.
    3. Wenn die Ohranatomie im MRT verzerrt wirkt (z. B. gefaltete Ohrschatulle), definieren Sie vor der Digitalisierung den entsprechenden Punkt auf dem Bild neu.
  8. Nach Abschluss validiert die Software die drei treuen Punkte, falls der Fehlangleichungsfehler unter 3 mm liegt. Wenn der Fehlanpassungsfehler zu groß ist, probieren Sie die folgenden Schritte der Reihe nach aus:
    1. Digitalisieren Sie die wichtigsten anatomischen Punkte des Patienten ein zweites Mal.
    2. Definieren Sie die anatomischen Punkte des linken und rechten Ohrs im MRT neu.
    3. Digitalisieren Sie und drücken Sie sanft die Helix des Ohrläppchens, da MRT-Kopfhörer das Ohr möglicherweise um einige Millimeter verschoben haben.
  9. Verfeinern Sie die Registrierung durch Digitalisierung zusätzlicher Kopfhautpunkte (Anpassung der Kopfhautoberfläche).
  10. Validiere die Ko-Registrierung mit einem Co-Registrierungsfehler unter 3 mm (bevorzugt 2 mm). Wenn die Diskrepanz 3 mm übersteigt, wiederholen Sie die Schritte 2,7–2,9.

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Abbildung 1: Ko-Registrierung des Kopfes des Patienten mit dem anatomischen MRT. Linke Seite: Landmark-basierte Registrierung. Obere Panels: Identifikation der anatomischen Orientierungspunkte im MRT (linkes Ohr, Nase, rechtes Ohr) innerhalb der Neuronavigationssoftware. Untere Paneele: Digitalisierung der Orientierungspunkte am Patienten mit dem Digitalisierungsstift. Rechte Seite: Oberflächenanpassung mit zusätzlichen Kopfhautpunkten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

3. Vorbereitung von abgebildeten Muskeln

  1. Gib dem Subjekt Ohrstöpsel und trage während der Stimulation schützende Ohrenschützer.
  2. Bereiten Sie die Haut über dem Zielmuskel vor, indem Sie die Haut vorsichtig mit Alkoholpads und/oder Wattepads mit mildem Schleifgel abkratzen.
  3. Platzieren Sie Oberflächenelektroden an den interessierenden Muskeln in einer Bauchsehnen-Montage, wie bei routinemäßigen klinischen MEPs. Bis zu sechs verschiedene Muskeln können gleichzeitig kartiert werden.
  4. Platzieren Sie die Erdungselektrode an einer neutralen Stelle, wie zum Beispiel am Schulterstumpf, an der dorsalen Handfläche oder an der medialen Tibia.
  5. Verbinden Sie alle Elektroden mit dem EMG-Verstärker.
  6. Beginnen Sie mit der EMG-Aufnahme, um kontinuierliches EMG aller Kanäle anzuzeigen und zu überprüfen, ob die Muskeln ruhen.
  7. Prüfen Sie, ob EMG-Kanäle frei von übermäßigem 50/60-Hz-Rauschen (< 50 μV) sind. Wenn das elektrische Brummen übermäßig ist, probieren Sie die folgenden Schritte der Reihe nach aus:
    1. Überprüfen Sie, dass die Elektroden fest an der Haut befestigt sind, ohne sich abzulösen.
    2. Stellen Sie die Elektrodenkabel im Stuhl um, um den Kontakt mit Metallteilen oder mit dem Boden zu vermeiden.
    3. Bewegen Sie den distalen Teil der Elektrodenleitungen weg vom Neuronavigationssystem und von den Wechselstromquellen.
    4. Ersetzen Sie die Elektroden und legen Sie sie mit einer anderen Kabelausrichtung wieder an (siehe Schritte 3.7.2 und 3.7.3).
    5. Trennen Sie den Stuhl von der Stromversorgung.
    6. Setze die Masseelektrode auf denselben Arm wie die kartierten Muskeln.
    7. Wiederhole die Schritte der Reihe nach, bis das Rauschen unter die Schwelle gesunken ist.
  8. Sobald das 50/60-Hz-Rauschen minimiert ist, starte die EMG-Aufnahme neu, um die Baseline zurückzusetzen.
  9. Sobald diese Vorbereitungsschritte abgeschlossen sind, beginnen Sie mit einer groben Kartierung der ausgewählten Muskeln.
    HINWEIS: Eine Standard-Mapping-Sitzung sollte mindestens einen Muskel pro oberen Gliedmaßenabschnitt und zwei untere Gliedmaßenmuskeln umfassen. Tabelle 1 listet die häufig kartierten Muskeln auf, die je nach Standort der Läsion und der klinischen Darstellung des Patienten angepasst werden sollten34.
GliedmaßMuskelnAlternativ(en)
HandErster Interosseus Dorsal (FDI)Abductor Pollicis Brevis (APB)
Abductor Digiti Minimi (ADM)
UnterarmFlexor Carpi Radialis (FCR)Extensor Carpi radialis (ECR)
Arm / SchulterBizeps-
Deltoid
BeinTibialis anterior (TA)Soleus (SOL)
FußAbductor-Halluzin (AH)Medialer Plantar (MP)
GesichtOrbicularis OrisNasalis

Tabelle 1: Vorgeschlagene Muskeln für die motorische Kartierung.

4. Grobe Kartierung zur Identifizierung des Hotspots und zur Bestimmung des Ruhemotorschwellenwerts (RMT)

  1. Im gerenderten Gehirnvolumen in der Software passen Sie die Abschältiefe zwischen 15 und 25 mm Tiefe zur Kopfhaut einzeln an, um die kortikale Anatomie bestmöglich sichtbar zu machen. Ziel ist es, die präzentralen und postzentralen Gyri, den zentralen Sulcus sowie die superioren und unteren frontalen Sulci zu visualisieren.
    HINWEIS: Die Erkennung des präzentralen Gyrus ist einfacher, wenn das Subjekt einen "omega-förmigen" Handknauf40,41 präsentiert. Dieser Orientierungspunkt ist jedoch inkonstantmit 42,43. In solchen Fällen werden verschiedene Methoden empfohlen, um den präzentralen Gyrus 43,44,45 zu identifizieren.
  2. Starten Sie das Stimulatorgerät.
  3. Positioniere die Stimulationsspirale (achtfigrig) tangential zur Kopfhaut (siehe Abbildung 2).
    1. Stabilisiere die Spirale mit einer Hand am Griff und der anderen an der Spirale, um während des Umpositionierens stabilen Kontakt zur Kopfhaut zu halten.
    2. Nutzen Sie die Neuronavigationshilfe (Spulenwinkel, Abstand zwischen Spule und Kopf, Neigungsanzeiger), um eine genaue Positionierung der Spule an jeder Stimulationsstelle sicherzustellen.
    3. Halten Sie ein stabiles induziertes elektrisches Feld (EF, V/m) aufrecht, indem Sie das Kippen der Spule vermeiden.
    4. Nimm eine bequeme Haltung ein, da die Spirale schwer sein kann. Verwenden Sie einen Seilhalter, um die Kabelspannung zu verringern und die Spule frei beweglich zu halten.
  4. Stimulieren Sie mit einer Intensität, die angepasst ist, um Antworten im Bereich von 100–500 μV (Peak-zu-Peak)46 auszulösen.
    HINWEIS: Dies wird üblicherweise zwischen 35 % und 45 % des maximalen Stimulator-Outputs (MSO) für die oberen Gliedmaßen und zwischen 50 % und 80 % des MSO-Outputs für die unteren Gliedmaßen erreicht. Dieser Wertbereich gilt jedoch für gesunde Probanden und kann höher sein, wenn der Tumor in motorische Bereiche eindringt.
  5. Beachten Sie, dass die Spulenorientierung für die grobe Abbildung (sowie für die feine Abbildung) vom abgebildeten Glied abhängt (siehe Abbildung 3):
    1. Für die obere Gliedmaße und das Gesicht: Eine Spiralenausrichtung senkrecht zum zentralen Sulcus (sulcus-ausgerichtet) halten, um einen induzierten elektrischen Strom in posterior-anteriorer Richtung aufrechtzuerhalten47.
      1. Für die obere Gliedmaße: Beginnen Sie mit der Stimulation über dem oberen Teil (Schulter) oder dem mittleren Teil (Unterarm- und Handmuskeln) der hinteren Wand des Handknuppels, mit Blick auf den oberen Frontalsulcus.
      2. Für das Gesicht: Beginnen Sie mit der Stimulation über der hinteren Wand des präzentralen Gyrus, der zur unteren frontalen Sulcus zeigt. Überprüfen Sie die Reaktionslatenzen, um sicherzustellen, dass sie von den corticobulbären Bahnen ausgehen. Gesichts-MEPs haben eine Latenz von 7–13 ms, während die direkte Muskelreaktion (Kieferzucken), induziert durch nTMS, eine Latenz von etwa 3–4 ms hat.
    2. Für die untere Gliedmaße: Halten Sie eine Spulenausrichtung senkrecht zur sagittalen Mittellinie, mit einem induzierten elektrischen Strom in mittlerer bis lateraler Richtung34. Alternative Spiralausrichtungen umfassen parallel zur sagittalen Mittellinie48, 49, 50 und/oder senkrecht zu den Falten des parazentralen Lobulus und des präzentralen Gyrus.
  6. Führen Sie Stimulationen über dem präzentralen Gyrus durch.
    1. Raumstimulationspunkte sind 2–5 mm voneinander entfernt, entweder visuell oder mithilfe eines Stimulationsgitters.
    2. Bei visueller Ausführung werden drei parallele Linien über den Gyrus abgetastet. Das ist in der Regel ausreichend.
    3. Jede Stimulation ist mindestens 1,5 Sekunden verteilt, vorzugsweise mit einem randomisierten Interstimulusintervall.
  7. Wenn keine Antworten erzielt werden, erhöhen Sie die Stimulusintensität um 10 % relativ zum Anfangswert und wiederholen Sie dies wie zuvor.
  8. Stoppe die grobe Kartierung, sobald 20–30 Reaktionen pro Muskel aufgezeichnet sind.
  9. Überprüfen Sie alle MEPs, um kontaminierte Aufnahmen auszuschließen.
  10. Identifizieren Sie den "Hotspot" für jeden Muskel. Der "Hotspot" ist der stimulierende Punkt, der den MEP mit der größten Amplitude hervorruft. Um eine zuverlässige Hotspot-Definition51 sicherzustellen
    1. Zeigen Sie die Aufnahmen jedes Muskels mit einer normalisierten Farbskala an.
    2. Lokalisieren Sie das Gebiet mit MEPs mit der höchsten Amplitude.
    3. Sortiere MEPs nach Amplitude, von höchst bis niedrigst.
    4. Wählen Sie den MEP mit der höchsten Amplitude in diesem Bereich aus und vermeiden Sie so ungewöhnlich hohe Einzelantworten (meist die ersten beiden MEPs).
  11. Wählen Sie für jeden Muskel den Hotspot aus, um die Ruhemotor-Schwelle (RMT) zu bestimmen. Dadurch werden die Position und Ausrichtung der Spule während des RMT-Bestimmungsprozesses gespeichert und eine zuverlässige Messung52 gewährleistet.
  12. Bestimmen Sie den RMT für jeden Muskel separat, entweder mit einer Schwellenwert-Jagd-Technik53 oder durch Ermittlung der niedrigsten Stimulusintensität (% MSO), die MEPs ≥ 50 μV in 5 von 10 aufeinanderfolgenden Studien hervorruft (Rossini-Rothwell-Methode)54. Verwenden Sie die RMT jedes Muskels als Referenz, um die Stimulusintensität während der Feinabbildung einzustellen.

figure-protocol-2
Abbildung 2: Experimentelle nTMS-Einrichtung. Das Subjekt sitzt mit leichter Lehnung und Armstütze, wobei EMG-Elektroden über den Zielmuskeln angebracht sind. Der Bediener hält die Acht-Spule, um sie zu stabilisieren, um den tangentialen Kopfhautkontakt aufrechtzuerhalten, während er das induzierte elektrische Feld (Pfeile: Richtung, Kreis: Intensität) und die induzierten MEPs überwacht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

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Abbildung 3: Neuronavigationsschnittstelle während der Kartierung. Echtzeit-Rückkopplung zur Spulenposition (Verbindung des blauen und roten Pfeils), der Spulenneigung, der elektrischen Feldrichtung (blau-rot-Pfeil) und der Feldintensität (gefärbt am umgebenden Ring) sorgt für eine genaue Stimulation an jeder kortikalen Stelle. Oberes Panel: Grobe Kartierung der oberen Gliedmaße, wobei die Spirale senkrecht zur zentralen Sulcus ausgerichtet ist. Unteres Panel: Feine Abbildung des Tibialis Anterior, wobei die Spirale senkrecht zur sagittalen Mittellinie ausgerichtet ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

5. Feinkartierung

  1. Stellen Sie sicher, dass das Subjekt vollständig entspannt ist, ohne unwillkürliche Muskelkontraktion.
  2. Für jeden Muskel wird die Stimulation mit 105–110 % seiner RMT durchgeführt.
    1. Verwenden Sie dieselbe Spulenausrichtung wie bei der groben Abbildung (siehe Schritte 4.5 und 4.6).
    2. Verringere den Abstand zwischen den Stimulationspunkten (4–6 parallele Linien pro Gyrus).
    3. Halten Sie ein Interstimulusintervall ≥ 1,5 Sekunden ein, vorzugsweise randomisiert.
  3. Funktionale motorische Karten als kortikale Bereiche abgrenzen, in denen nTMS MEPs ≥ 50 μV (Peak-to-Peak) erzeugt.
    HINWEIS: Für die Mapping der unteren Gliedmaßen ist eine Alternative, bei 110 % der RMT der oberen Gliedmaßen zu beginnen und die EF um Schritte von ± 10 V/m anzupassen, bis konsistente MEPsvon 34 erreicht sind.
  4. Die Stimulation wird durchgeführt, bis motorische Karten von ein oder zwei aufeinanderfolgenden Zeilen negativer Stellen begrenzt sind, die keine MEPs hervorrufen.
    1. Wenn kein klarer negativer Rand erreicht wird, verlängert man die Stichprobe und hält den gleichen Abstand bei, bis die Antworten zuverlässig verschwinden.
    2. Wenn sich positive Reaktionen in ungewöhnlichen Bereichen ausbreiten, überprüfen und passen Sie Coil-Winkel, EF und RMT an.
      HINWEIS: Die Anzahl der Punkte pro Muskel kann (30 bis 100 Pulse) je nach Muskelkortikal und dem Ausmaß der tumorbedingten Gehirnverschiebung variieren.
  5. Vermeiden Sie Spulenausrichtungen, die abnormale MEP-Positionen oder -Amplituden erzeugen. Insbesondere kann eine 45°-Ausrichtung (relativ zur Mittellinie) sehr vordere MEPs in den oberen Gliedmaßen erzeugen und möglicherweise nicht repräsentativ für eine genaue motorische kortikale Darstellung47 sein.
  6. Stellen Sie sicher, dass die Motorkarten elliptisch sind, mit einigen negativen Stellen im Inneren. Bei negativen Stimulationspunkten innerhalb der motorischen Karte werden zusätzliche Stimulationen zu verschiedenen Zeitpunkten während der Bewertung durchgeführt, um vorübergehende Veränderungen der Erregbarkeit des motorischen Cortex zu kontrollieren.
  7. Wenn während der Abbildung viele negative Reaktionen (<50 μV) auftreten, versuchen Sie die folgenden Schritte in der Reihenfolge:
    1. Bitten Sie das Subjekt, wach zu bleiben, da dies oft eine Abnahme des Wachsamkeitszustands widerspiegelt.
    2. Überprüfen Sie, ob die Stimulationsintensität nicht abgenommen hat.
    3. Betrachten wir die Wiederholung des RMT, da der Anfangswert möglicherweise von einem transienten Hypererregungszustand beeinflusst wurde.
  8. Wenn viele abnormal hochamplitudige MEPs auftreten (> 1000 μV) und die Abbildung sich übermäßig ausdehnt, versuchen Sie die folgenden Schritte in der Reihenfolge:
    1. Bitten Sie das Subjekt, das Gliedmaß zu entspannen, selbst wenn es notwendig fortlaufende Muskelaktivität zeigt (Signalrückmeldung).
    2. Wenn die Muskelaktivität weiterhin vorhanden ist, bitten Sie das Subjekt, das Gliedmaß zu schütteln oder es in einer entspannteren Position zu bewegen. Falls nötig, wenden Sie eine konzentrische passive Bewegung auf dem getesteten Muskel an (z. B. mit einem Objekt für die Handmuskeln und die Abduktorhalluzin oder mit der Fußstütze für den Tibialis anterior).
    3. Betrachten Sie, die RMT zu wiederholen, da der Anfangswert möglicherweise von einem vorübergehenden Zustand der motorischen Cortex-Hypoexcitabilität beeinflusst wurde.

6. Nachbearbeitungsanalyse von MEP-Daten und Export

  1. Überprüfe und passe MEPs für jeden Muskel an.
    1. Öffnen Sie das MEP-Überprüfungspanel oder den Signalanzeiger in der Neuronavigationssoftware.
    2. Inspiziere jede aufgenommene MEPs, um Amplitude und Latenz zu korrigieren, und passe bei Bedarf die Marker an.
  2. Arteffaktische oder abnormale Stimulationspunkte werden ausgeschlossen.
    1. Öffnen Sie die Stimulationsliste oder den Kartierungsarbeitsbereich in der Software.
    2. Entfernen Sie Stimulationsversuche, die Artefakte oder falsche Spulenpositionen enthalten (siehe Abbildung 4).
  3. Zeigen Sie die motorische Karte für jeden Muskel im binären Format an (positiv/negativ; über/unter 50 μV).
  4. Exportieren Sie die positiven Stimulationspunkte im 15-, 20- und 25-mm-Tiefen-Inbinarisierten DICOM-Format. Verwenden Sie diese Dateien für die Faserverfolgung, um das CST zu rekonstruieren, wobei die positiven Stimulationspunkte als Seed für die Traktographie verwendet werden.
  5. Um andere kortikale Kartenparameter (Schwerpunkt, Kartendichte, motorische Kartengröße) zu messen, exportieren Sie die Daten auf der Stimulations-Peeling-Tiefe oder bei 20 mm (Standard-Peeling-Tiefe)25,55,56,57,58.

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Abbildung 4: Nachbearbeitungsanalyse der MEP-Daten. MEP-Spuren werden überprüft, um Amplituden- und Latenzmarker zu korrigieren und Arteffaktische Studien auszuschließen (rechtes Panel: Beispiel einer Studie, die durch laufende EMG-Aktivitäten kontaminiert ist). Die beiden Stimulationen (rote Kreise) veranschaulichen "abnormale Reaktionen" im negativen Bereich, wahrscheinlich im Zusammenhang mit Spiralenorientierungseffekten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

7. Nachbearbeitungsanalyse der motorischen Kartierung

  1. Importieren Sie das DICOM der motorischen Karten in eine Bildanalyse-Software, die für neurochirurgische Neuronavigation zur Entfernung von Hirntumoren geeignet ist.
  2. Registrieren Sie das anatomische Bild (T1w) mit den Motorkarten, DICOMs und dem DWI. Importiere und registriere bei Bedarf zusätzliche Bilder (z. B. FLAIRw, SWI, T1w-gadolinum-enhanced).
  3. Erzeugen Sie Objekte aus den motorischen Karten-DICOMs und vergrößern Sie sie um 2–3 mm, um die Sensibilität59 zu verbessern.
  4. Schneiden Sie die Motorkarten ab, um Ohren und Nasion zu entfernen und eine abnormale Faserrekonstruktion während des Fasertrackings zu verhindern.
  5. Zeichnen Sie manuell eine End-ROI auf der unteren pontinen Ebene, ipsilateral zur abgebildeten Hemisphäre.
  6. Führen Sie die Faserverfolgung durch, wobei die ROIs der Motorkarte als Seed und die pontine ROI als Endpunkt dienen. Häufig verwendete Traktographie-Algorithmen sind deterministische Stromlinienverfolgung oder probabilistische Traktographie, abhängig von der klinischen Frage und den Faser-Tracking-Ergebnissen.
    HINWEIS: Bei der Verwendung von Open-Source-Diffusionssoftware sind vor der Traktographie mehrere Vorverarbeitungsschritte erforderlich (Entschädigung, Gibbs-Artefaktkorrektur, Bewegungs- und Verzerrungskorrektur, B1-Biasfeldkorrektur, Tensoranpassung und FA-Kartengenerierung).
  7. Passen Sie die Parameter der Faserverfolgung in einer Fall-für-Fall-Analyse an. Empfohlene Parameter sind eine Mindestlänge von 110–120 mm, eine maximale Winkelung von 30° und ein FA mit 75 % der FA-Schwelle (FAT, entsprechend dem FA, bei dem die ersten CST-Fasern sichtbar werden) 60,61.
  8. Segmentieren Sie den Hirntumor auf anderen Bildern (z. B. FLAIR, Gadolinium T1w) und erstellen Sie ein entsprechendes Objekt.
  9. Zeigen Sie das CST entweder für jedes Gliedmaß (in unterschiedlichen Farben) oder für die gesamte Motorzuordnung an.
  10. Integrieren Sie alle Daten (kortikale Samen, CST, Hirntumorobjekt) in die OP-Navigationssoftware für die Neurochirurgie.

Results

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Wir präsentieren repräsentative Schritte und Ergebnisse der motorischen Kartierung, die bei verschiedenen gesunden Probanden und bei Patienten, die motorische Kartierung in einer klinischen Umgebung durchgeführt haben, mithilfe unseres neuronavigierten TMS-Systems. Die CST-Rekonstruktion wurde mit einer Bildgebungssoftware durchgeführt, die für die neurochirurgische Planung geeignet ist und multimodale Bildregistrierung und DTI-basierte Traktographie ermöglicht. Das Neuronavigationssystem integriert eine navigierte Achtspule, eine stereotaktische Kamera, einen EMG-Verstärker und ermöglicht eine Echtzeitvisualisierung des induzierten elektrischen Feldes auf der 3D-Gehirnrekonstruktion mittels eines individualisierten Multisphärenkopfmodells.

Abbildung 5 zeigt die RMT-Bestimmung am Hotspot, die aus der groben Kartierung bestimmt wurde. Die Position und Ausrichtung der Spirale bleiben während des gesamten Eingriffs mit Hilfe des Neuronavigationsziels exakt an derselben Stelle gehalten. Abbildung6 zeigt eine motorische Kartierung eines gesunden Subjekts. Die linke Untergliedmaße (Oberschenkel, Bein, Fuß), obere Gliedmaße (Schulter, Unterarm, Hand) und Gesicht wurden kartiert. Positive Stimulationsstellen (farbcodiert nach MEP-Amplitude) und negative Stellen (grau) zeichnen die motorische kortikale Darstellung ab. Abbildung7 zeigt die motorische Kartierung und CST-Rekonstruktion bei einem Patienten mit Metastasen von Lungenkrebs, die den prämotorischen Bereich betrifft und durch ein motorisches Defizit der oberen Gliedmaßen offenbart wird.

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Abbildung 5: Grobe Kartierung und RMT-Bestimmung am Hotspot (First Interosseus Dorsalis) bei einem gesunden Subjekt, mittels neuronavigierter TMS. Der Hotspot, der mittels grober Kartierung (unteres linkes Panel) identifiziert wird, wird als Ziel für die RMT-Bestimmung ausgewählt. Die Position und Ausrichtung der Spule bleiben während des gesamten Eingriffs mit Hilfe des Neuronavigationsziels (unteres rechtses Panel) exakt an derselben Stelle gehalten. Motor-evokierte Potentiale (MEPs) werden mit kontinuierlichen EMG-Spuren und Epochenantworten erfasst. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

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Abbildung 6: Motorische Kortex-Kartierung der unteren Gliedmaßen-, oberen Gliedmaßen- und Gesichtsmuskeln mittels neuronavigierter TMS. Muskeln in den unteren Gliedmaßen: quadriceps femoris (grün), tibialis anterior (orange), abductor hallucis (gelb). Muskeln in den oberen Gliedmaßen: abductor digiti minimi (grün), flexor carpi radialis (orange), deltoideus (gelb). Muskeln im Gesicht: Nasalis (blau), Triangularis (violett). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

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Abbildung 7: Motorische kortikale Kartierung und CST-Rekonstruktion zur neurochirurgischen Planung. nTMS-motorische Kartierung (linkes Panel) und nTMS-gesteuerte Rekonstruktion der kortikospinalen Bahnen (rechtes Panel) bei einem Patienten mit Hirnmetastase (weiß) durch Lungenkrebs. Aufgezeichnete Muskeln: Abductor hallucis (violett), tibialis anterior (blau), Deltoideus (gelb), flexor carpi radialis (rot), erster interosseus dorsalis (grün), orbicularis (cyan). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Discussion

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In diesem Artikel stellen wir ein standardisiertes und reproduzierbares Protokoll für funktionelle motorische kortikale Kartierung mit nTMS vor, das direkt auf die präoperative chirurgische Planung anwendbar ist. Durch die Kombination von Neuronavigation mit der anatomischen Gehirnrekonstruktion des Probanden ermöglicht dieses standardisierte Protokoll die Identifizierung und Abgrenzung motorisch eloquenter kortikaler Regionen während einer Untersuchung, die weniger als 90 Minuten dauert, abhängig von der Anzahl der untersuchten Muskeln. Dieser Ansatz ist besonders relevant bei Patienten mit motorisch-eloquenten Tumoren, bei denen die anatomische Rekonstruktion des CST oft durch zwei Faktoren eingeschränkt ist: (i) anatomische Verschiebung durch Masseneffekt und/oder Ödem und (ii) funktionelle Reorganisation der motorischen Repräsentationen. Anatomische Seeding-Tractographie, die auf festen anatomischen Orientierungspunkten basiert, kann daher irreführend sein, wenn es darum geht, den kortikalen Ursprung zu lokalisieren und Fehler im gesamten Fasertracking zu verbreiten. Funktionelle motorische kortikale Kartierung adressiert dieses Problem, indem nTMS-positive Stellen als kortikale Samen verwendet werden und so die Traktographie mit der aktuellen motorischen Karte des Patienten verankert wird, die den corticospinalen Output steuert. Während der Nachbearbeitungsanalyse sollten die aus den motorischen Karten abgeleiteten kortikalen ROIs um 2–3 mm vergrößert werden, um fusionsassoziierte Fehlanpassungen zu mindern und das ROI-Volumen zu standardisieren (0,9 ± 0,1 cm3), wodurch die Variabilität zwischen Operatoren und Probanden reduziert und die Vergleichbarkeit der CST-Traktographie59 verbessert wird. Im Vergleich zur landmarkenbasierten Traktographie liefert die nTMS-gesäte Traktographie plausiblere und somatotopisch konsistenter CST-Rekonstruktionen, mit weniger abweichenden Stromlinien und geringerer Inter-Rater-Variabilität 27,61,62. Im Vergleich zur fMRT-basierten Seeding führt die nTMS-basierte Traktographie auch zu plausibleren Rekonstruktionen und einer höheren Interrater-Konsistenz bei Patienten mit Tumoren in der Nähe des CST25. Es ermöglicht außerdem die Extraktion mehrerer Metriken aus der nTMS-motorischen Abbildung und dem nTMS-gesäten CST, die als prädiktiver Faktor für das postoperative motorische Ergebnis dienen können. Auf kortikaler Ebene wurde das Vorhandensein von nTMS-responsiven Stellen im Tumor mit einem erhöhten Risiko eines motorischen Defizits assoziiert, mit einem positiven Prädiktionswert von 50–90 %. Im Gegensatz dazu gilt die Resektion von nTMS-negativen Stellen als sicher, mit einem hohen negativen Prädiktionswert von 90–100 %. Auf subkortikaler Ebene wurde ein Abstand zwischen Tumor und Trakt <8–12 mm als kritische Schwelle identifiziert, die mit einem erhöhten Risiko eines postoperativen Defizits verbunden ist, solange der Tumor nicht in den präzentralen Gyrus eindringt 66,67,68,69,70,71 . Zusätzlich wurden mikrostrukturelle Veränderungen des nTMS-gesäten CST (verminderte fraktionierte Anisotropie mit erhöhter mittlerer Diffusivität) als weitere Risikofaktoren für postoperative Defizite70 vorgeschlagen. Schließlich wurde die Verwendung der nTMS-basierten Traktographie mit einem größeren Ausmaß an Resektion und verlängertem Überleben bei gleichzeitiger Erhaltung der motorischen Funktion in Verbindung gebracht, was ihre Integration in die präoperative Planung72 unterstützt.

Während der motorischen Kartierung ist ein wichtiger Parameter, der die räumliche Verteilung von MEPs und die Interpretierbarkeit motorischer Karten stark beeinflusst, die Stimulationsintensität (SI). Ein höheres SI erhöht die Antwortwahrscheinlichkeit und die räumliche Streuung (das Risiko von falsch-positiven Antworten), während unzureichende SI das Risiko falsch-negativer Antworten erhöht. Um diese Verzerrung zu minimieren, sollte der SI relativ zum RMT skaliert und, wenn möglich, angepasst werden, um ein stabiles Ziel-EF zu erhalten. In der Praxis findet das nahe Schwellenwerte SI ein Gleichgewicht zwischen Sensitivität und Spezifität und liefert konservative Karten, die nahe der direkten elektrischen Stimulationsabbildung sind. Andererseits kann die Wahl eines supra-schwellenwerten SI (z. B. 120 % RMT) gerechtfertigt werden, wenn klinische Sicherheit die Sensitivität an den Kartenrändern priorisiert und anerkannt wird, dass ein höherer SI systematisch die motorische Karte73 erweitert. Im Zusammenhang mit der Abbildung mehrerer Muskeln kann die Verwendung eines einzelnen SI die Abbildung zugunsten des niedrigschwelligen Muskels verzerren, da benachbarte Muskeln unterschiedliche Erregbarkeitsprofile haben können. Dementsprechend sollte RMT für jedenMuskel 74 geschätzt werden. Andererseits können während einer motorischen Kartierungssitzung signifikante Veränderungen der kortikalen Erregbarkeit, die sich in unerwarteten Veränderungen der MEP-Amplituden widerspiegeln, auftreten, was eine Neuschätzung des RMT und eine Anpassung des SI erfordert.

Der Einsatz von Stimulationsgittern während der motorischen Kartierung hilft, den Abstand zu standardisieren und erleichtert die Kartenquantifizierung (d. h. durch das Zählen aktiver Quadrate). Allerdings beeinflusst die Gittergröße direkt die Ergebnisse: Große Quadrate können die Kartengröße überschätzen, während kleine Quadrate das Risiko einer Untersampling erhöhen. Neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass nTMS-Kartierung ohne Raster durchgeführt werden kann, mit einem anatomisch gesteuerten Ansatz und dichteren Reizen in der Nähe der anatomischen Orientierungspunkte und Kartenkanten75.

Aus der motorischen Abbildung können mehrere quantitative Parameter abgeleitet werden, wie zum Beispiel der Schwerpunkt (CoG), die motorische Kartenfläche und das Volumen. Der CoG ist definiert als der amplitudengewichtete Ort in Koordinaten, der das Zentrum der motorischen Darstellung58 darstellt. Serienuntersuchungen zeigten Veränderungen im CoG bei Hirntumorpatientenbei 76, 77, 78 und erfassen Hinweise auf eine funktionelle Reorganisation im motorischen Kortex über die Zeit. Die motorische Kartefläche und das Volumen stellen die räumliche Ausdehnung der motorischen Darstellung dar. Die Fläche wird üblicherweise entweder durch das Zählen der aktiven Quadrate auf einem Stimulationsgitter oder durch Spline-Interpolation in gitterfreier Stimulation abgeleitet, die die positiven Stimulationspunkte mit glatten Polynomkurven verbindet, um eine kontinuierliche Fläche oder Volumen56 zu erzeugen. Diese Metriken können longitudinal überwacht werden (Folgestudie oder Bewertung einer Intervention) oder mit der kontralesionalen Hemisphäre verglichen werden, um die kortikale motorische Plastizität 79,80,81,82 zu untersuchen. Quantitative motorische Kartierungsmetriken haben das Potenzial, über die Neuroonkologie hinaus erweitert zu werden und Biomarker der Integrität des motorischen Systems sowie krankheitsbedingter Plastizität bei neurologischen Erkrankungen bereitzustellen55,83.

Obwohl nTMS inzwischen gut etabliert ist für die präoperative Motorkartierung, sollten mehrere Einschränkungen anerkannt werden. Erstens bleibt die Genauigkeit der Ko-Registrierung und der kortikalen Kartierung teilweise vom Operator abhängig. Für Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Technik ist eine angemessene Schulung im Coil-Handling, die Stabilität des Kopftrackers und eine schnelle Anpassung der Stimulation erforderlich, um Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Technik sicherzustellen, obwohl frühere Studien gezeigt haben, dass nTMS eine zuverlässige motorische Topografie mit guter Interoperator-Übereinstimmung zwischen Experten und Anfängernliefert. Eine zweite Einschränkung betrifft den Einfluss von perilesionalem Ödem und Masseneffekt auf die Traktographie. Übermäßiges perilesionales Ödem kann die Genauigkeit der nTMS-basierten CST-Rekonstruktion verringern, insbesondere in Voxeln neben derLäsion 85. Ebenso können Abweichungen zwischen präoperativen Datensätzen und der tatsächlichen intraoperativen Anatomie aufgrund intraoperativer Gehirnverschiebung86,87 auftreten. Da eine Gehirnverschiebung nicht vollständig verhindert werden kann – insbesondere bei Tumoren mit wichtigem Masseneffekt – kann die Genauigkeit der von nTMS abgeleiteten motorischen Regionen (sowohl kortikal als auch subkortikal) in den späteren Stadien der Resektion abnehmen. Mehrere Strategien können diese Ungenauigkeiten mindern, darunter die Begrenzung unnötiger kortikaler Exposition, wiederholtes Überprüfen oberflächlicher anatomischer Orientierungspunkte88 und der Einsatz intraoperativer Bildaufnahmen wie MRT, Ultraschall oder CT kombiniert mit Hirndeformationskorrektur 89,90,91,92 . Schließlich hat nTMS in Bezug auf die Sicherheit ein günstiges Sicherheitsprofil bei Patienten mit tumorbedingter Epilepsie gezeigt. In großen Serien sind stimulationsinduzierte Anfälle während der präoperativenKartierung 93 selten oder fehlen, was die Sicherheit dieser Technik unterstützt, wenn geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.

Insgesamt liefert nTMS klinisch nützliche funktionelle Informationen für die chirurgische Planung und eröffnet den Weg zu Längsstudien zur motorischen Systemplastizität bei verschiedenen neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen.

Disclosures

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Acknowledgements

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Diese Arbeit wurde vom Unabhängigen Forschungsfonds Dänemark (Fördermittelnummer: 3165-00230B), der Aage & Johanne Louis-Hansens Stiftung (Fördermittelnummer: 25-1-17926) und der Muskelsvindfonden (Fördermittelnummer: 2025-0010) unterstützt

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Elements-SoftwareBrainLAB AG, München, DeutschlandBildverarbeitungssoftware und OR-Neuronavigationssoftware
Neuronavigation TMS-System Nexstim, Helsinki, FinnlandNBS 5.1-SystemNavigiertes TMS-System mit Achtspule und EMG-Verstärker
Oberflächenelektroden für EMG-Aufzeichnungen Natus, Middleton, WI, USA9013L0453Für EMG-Aufnahmen

References

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