多電極経頭蓋電気刺激のためのパーソナライズされた3Dプリントヘッドギア

サマリー

当社の特許取得済みのパーソナライズされた3Dプリントヘッドギアは、オフィス内および遠隔で配信される多電極経頭蓋電気刺激(ME-tES)を迅速かつ確実に提供します。

要約

家庭でも多電極経頭蓋電気刺激を可能にするパーソナライズされた 3D プリント ヘッドギアを作成するための、特許取得済みの新しいアプローチの概要を紹介します。構造磁気共鳴画像法 (MRI) スキャンを使用して、主要な脳領域/ネットワークをターゲットとするモンタージュを最適化し、安全なサーバーにアップロードして、最終的に 3D プリントされるカスタマイズされたヘッドギアを設計します。ヘッドギアは、手動の10-10測定に匹敵する精度で、迅速な多電極配置(電極あたり<1分)を可能にします。神経障害または疾患を患う63人の高齢者を対象に1,400回以上のセッションを実施しました。100% の成功率と 900 を超える遠隔管理セッションを可能にした、研究パートナー (配偶者など) 向けの効率的なトレーニング プログラムについて説明します。研究パートナーと参加者は、この経験に対する高いレベルの自信と満足度を報告しました。電極の位置はパーソナライズされた計算モデリングに基づいているため、ヘッドギアは精度が必要な技術(時間的干渉刺激、経頭蓋集束超音波、経頭蓋磁気刺激など)に最適です。

概要

経頭蓋電気刺激 (tES) は、特に良好な忍容性と安全性プロファイルを考慮すると、神経学的損傷および疾患から生じる認知障害、感情障害、および運動障害を治療するための大きな可能性を秘めています 1,2,3,4。具体的には、独創的な安全性レビューでは、十分に確立された副作用プロファイル(うずき、かゆみ、灼熱感など)のみが見つかり、集団に関係なく、33,000回のセッションで予期しない有害事象の証拠は見られ^{ませんでした2。}同様に、最近、認知症スペクトラム全体にわたる 292 人の高齢者を対象とした 3,046 回のセッションで、アクティブおよび偽の経頭蓋直流刺激 (tDCS) について安全性イベントがなく、実質的に同一の副作用プロファイルが報告されました³。このような強力な安全性と忍容性により、迅速かつ信頼性の高い電極配置を容易にする材料(事前測定されたヘッドストラップ、事前に濡れたスポンジなど)のおかげで、従来のデュアル電極モンタージュを使用したリモートtESデリバリーが^{広く利用可能}になりました^5,6。これらの要因の組み合わせにより、さまざまな神経学的および精神医学的状態を治療する遠隔監視付き tES クリニックが促進されました⁷ が、主に従来の大規模 (たとえば、25 cm^2-35 cm²) パッドベースのアプローチに依存しています。

リモート高解像度/多電極 (ME) tES ^8,9 の使用を調査した研究は、従来のパッドベースの刺激よりも多くの焦点刺激送達^10,11,12 を提供し、パーソナライズされ¹³ し、より大きく、より長く持続する効果¹⁴ をもたらすという証拠があるにもかかわらず、はるかに少ない研究です。この分野での作業が相対的に不足していることは、異なる材料(例えば、複数の小さな電極、生理食塩水に浸したスポンジの代わりにゲルの使用)、モンタージュの複雑さが増す可能性、およびそれに関連するより正確な電極配置の必要性を考えると、ME-tESのより大きなニーズを反映している可能性があります。ここでは、これらの課題の多くを克服し、迅速で信頼性の高いME-tESのセットアップと配送を可能にする、特許取得済みのパーソナライズされた3Dプリントヘッドギアを紹介します。このアプローチは、最適な電極接触を確保するために、位置を間違えやすく、フィット感が悪く、髪を動かす際の柔軟性がほとんどないネオプレン キャップなど、既存のオプションの潜在的な制限を克服します。また、認知症スペクトラム全体の高齢者における遠隔 ME 経頭蓋直流刺激 (ME-tDCS) に対するヘッドギアの使用を裏付ける証拠も提供します。まとめると、私たちの結果は、パーソナライズされたヘッドギアの利点を強く裏付けており、神経生理学を評価する方法だけでなく、他の形態の神経調節にも期待されています。

プロトコル

以下のセクションでは、a) 臨床神経心理学の認定を受けた認可された臨床心理士によって監督される訓練を受けた研究スタッフである研究チームのメンバー、および b) 通常は参加者の配偶者または成人した子供である研究パートナーを参照しており、そのいずれも tES の経験はありません。現在、tES を監督する人に対する明確に定義された基準はありませんが、高度な学位 (博士号、医学博士など) を持ち、方法論について適切な訓練を受け、安全性と忍容性について十分な情報を持っていることは合理的な要件であり、この分野の研究を推進する人々と一致しています。

すべてのセッション (オフィスおよびリモート) にわたって、研究チームのメンバーは、各セッションの最後に標準的な忍容性アンケート¹⁵ を実施しました。研究チームのメンバーはまた、安全性の問題がないかすべてのセッションを監視し、前回のセッション以降の健康状態や投薬の変化について尋ねる各セッションを開始しました。

1. ヘッドギアの作成 (図 1)

図1:パーソナライズされたヘッドギアを作成し、自宅で多電極経頭蓋電気刺激を提供するプロセス。 略語: ME-tES = 多電極経頭蓋電気刺激;MRI = 磁気共鳴画像法。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

1. 頭部測定値の取得:
   注: パーソナライズされたヘッドギアには、各人の頭部の高精度の 3D 測定が提供されるため、現在、構造的磁気共鳴画像法 (MRI) スキャンが必要です。
   1. いくつかの国家レベルの調査研究(SCAN、ADNIなど)に沿ったパラメータを使用して、構造(T1)スキャンを取得します。定常状態イメージングでスポイルグラジエントリコール取得(SPGR)を使用して、頭全体、高解像度、T1強調解剖学的画像を収集します(TR / TE = 6.95 / 2.92 ms、フリップ角度= 8°、視野= 256 × 256 mm²、マトリックスサイズ= 256 x 256、スライスの厚さ= 1 mm、208矢状スライス、ボクセルサイズ= 1 x 1 x 1 mm³)。
      1. このような高解像度の MRI スキャンへのアクセスがない場合、および他の (場合によっては低い) 解像度の MRI スキャンが広く利用可能な場合は、さまざまなボクセル サイズ ( 例: 0.98 mm³、0.94 × 0.94 × 3.00 mm³) の臨床グレードの T1 MRI スキャンを使用してください。T1の品質が不十分な場合は、臨床FLAIRシーケンスを使用します。
      2. 組織のセグメンテーションが不十分な場合と。STLファイル作成エラーが発生した場合は、畳み込みニューラルネットワークソフトウェア(SynthSRなど)または同等のソフトウェアを使用して、スキャンを合成されたバイアス補正された1 mm等方性MP-RAGE T1^16,17に変換します。臨床 T1 のスライスの厚さが正確なヘッドギアを作成するために必要なパラメーターを超えた場合に、このステップを試してください。
         注: 必要な 3D 頭部測定値を取得するための代替アプローチ (3D 頭部スキャンなど) が開発中であり、利用可能になり次第実装されます。
2. MRIベースの計算モデリングを実行します(オプション):
   1. 計算モデリング ソフトウェア (ROAST¹⁸ など) を使用して、T1 MRI スキャンを使用して電流の流れのパーソナライズされた計算モデルを開発します。電極の位置が標準の10-10または10-5システムに準拠していることを確認します。
3. ヘッドギア開発
   1. 参加者の T1 MRI スキャンを安全なサーバーにアップロードして、頭皮のセグメンテーションと究極のヘッドギアの作成を行います。
   2. 標準の10-10(または10-5)システムを使用して電極ホルダーの数と位置を指定し、ヘッドギアが「グラウンドトゥルース」モデリングと一致していることを確認します。ソフトウェアが自動的に a) 電極ホルダーを接続するクロスバーを配置して、ユーザーがサポート バーの周囲に髪の毛を再配置できる剛性シェルを形成し、b) 解剖学的ランドマーク (鼻、鼻、耳介など) を特定して、これらの領域をオーバーレイする「方向付けタブ」を配置し、ユーザーがヘッドギアをすばやく配置できるようにします。
      メモ:ほとんどのスキャンでは、手動補正は必要ありませんでした。ヘッドギアシェルの下にある耳、顔、首の周りに軟部組織の変形が観察され、スペーサーやナイロンフレーム自体の微妙な柔軟性により、小さな不一致(数ミリ)が考慮できます。いくつかの例外的なケース(たとえば、被写体の位置がずれている、または低解像度のノイズの多い異方性MRI)では、手動で推定された回転マトリックスおよび/または超解像アップスケーラーの形で補正を適用できます。
4. 3Dプリント:
   1. 3Dモデルファイル(例:「.STL」)を適切な3Dプリンター(医療グレードのナイロン-12(PA12)を使用した選択的レーザー焼結(SLS)プリンターまたは樹脂を使用した光造形(SLA)プリンターなど)に移植します。
   2. 印刷したら、必要に応じてサンドペーパーを使用して粗いエッジを滑らかにします。
5. ヘッドギアの配置:
   1. 頭の適切な位置に方向タブを配置します。
   2. 両側ヘッドギアの場合はあごの下、片側ヘッドギアの場合は頭の周りに面ファスナーのストラップを使用してヘッドギアを固定します。
   3. 必要に応じてソフトスペーサーを適用して、電極ホルダーと頭皮の間の小さな隙間を補います。スペーサーを追加した後も、他のすべての電極ホルダーが頭皮に接触したままであることを確認してください。
   4. 電極ホルダーに導電性ゲルを充填します。
   5. 電極をホルダーに入れ、ゲルとの接触を確保します。電極を固定するためにキャップを適用します。

図2:ME-tESヘッドギアのパーソナライゼーション。 (A) アプローチの柔軟性を示すパーソナライズされた ME-tES ヘッドギアの追加例。(B)頭皮とのフラッシュ接触を確保するために、必要に応じて5つのサイズのフレキシブルスペーサーを使用します。(C)電極ホルダーの端に配置されたスペーサーの例。略語: ME-tES = 多電極経頭蓋電気刺激。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. ヘッドギアの検証

注: ヘッドギアを使用して ME-tDCS を完了した最初の 63 人の参加者からのさまざまなデータが報告されています。プロトコルの変更または実用的な要因 (オプションのアンケートを取得するための省略または時間不足など) により、すべての参加者がすべてのデータを利用できるわけではありませんでした。参加者全員が予定されたセッション数を完了しました。これらの参加者は全員、アルツハイマー型認知症(n = 22)、健忘性軽度認知障害(n = 13)、原発性進行性失語症(n = 12)、後皮質萎縮症(n = 11)、行動変異型前頭側頭型認知症(n = 2)、無酸素性脳損傷(n = 2)、およびレビー小体型認知症(n = 1)を含む神経障害または疾患と診断されました。平均年齢は68.9歳で、50.8%が女性でした。

1. ヘッドギア測定精度の検証:
   1. 参加者の頭にある各電極の位置を手で測定し、マークを付けます。
   2. 手順1.5のようにヘッドギアを配置します。各電極ホルダーの位置に印を付けます。ヘッドギアを取り外します。
   3. 手で測定した位置とヘッドギアの位置の差を測定します(mm単位)。

3. 遠隔ME-tESのトレーニング

注: 研究パートナー向けの次の厳格なトレーニング プログラムと関連する有効性データを以下に示します。トレーニングには当初 5 日間かかりましたが、最初の数人の参加者の成功率が高いため、スキル習得アプローチを取り入れるように変更されました。各セッション後に標準忍容性アンケートに回答してください¹⁵.

1. 1日目:経験豊富な研究チームメンバーに、ヘッドギアのコンポーネント(方向付けタブ、電極ホルダーなど)を説明してもらい、研究パートナーに適切な配置を実演してもらいます。
   1. チームメンバーに、各電極ホルダーが頭皮と同じ高さであることを確認し、ゲルが漏れるような隙間がないようにしてもらいます。隙間が存在する場合は、チームメンバーにフレキシブルスペーサーを電極ホルダーの底に貼り付けてもらい(図2C)、他のすべての電極ホルダーを再確認し、必要に応じて追加のスペーサーを配置します。
   2. チームメンバーに、電極ホルダーの下から髪を動かす、ホルダーにゲルを適切に充填する(つまり、気泡を回避/除去する)、電極を配置する、対応するホルダーキャップを貼るなどのベストプラクティスを実演してもらいます。
   3. ME-tESデバイスの操作方法、バッテリー充電の確認、電極インピーダンスの評価方法をチームメンバーに実演してもらいます。潜在的な問題と問題解決の例を挙げてください。
   4. 研究に応じてセッションを実行します。
   5. チームメンバーに、適切な回転、取り外し、洗浄、乾燥の方法を実演してもらいます(電極の手入れについては、¹⁹を参照)。
      注: 信頼度データは、研究パートナー (n=33) と参加者 (n = 34) のサブセットから、研究チームのメンバーがこの最初のセッションを実行するのを観察した後、アンカード リッカート スケールを使用して刺激を設定して実行する能力について提示されます (表 1)。
2. 2日目:研究チームメンバーの監督下で、研究パートナーにすべての手順を実行してもらいます。
   1. 研究パートナーに鼻と両方の耳介のポイントに印を付けてもらい、ヘッドギアの向きタブが参加者の頭に正しく配置されていることを確認します。
   2. 研究チームのメンバーに各電極ホルダーの位置に印を付けてもらい、ヘッドギアを取り外してもらいます。
   3. 研究チームのメンバーにヘッドギアを交換し、各電極ホルダーの位置をマークして、チームメンバーに対する研究パートナーの精度を評価してもらいます(図3B)。相違点に注意し、必要に応じて修正フィードバックを提供します。
   4. 研究パートナーにセットアップ全体 (つまり、頭皮と同一層のフィット感を確保する、ホルダーにゲルを充填する、電極を配置する)、デバイスをアクティブにし、インピーダンスを評価し、最終的に機器を洗浄してもらいます。すべてチームメンバーの監督下にあります。
3. 3〜5日目:標準化されたチェックリストを使用して、設定プロセスの各ステップで治験チームメンバーに治験パートナーを監視させます。研究パートナーがセットアップとクリーニングプロセス全体を習得していることを示すまで、必要に応じて修正フィードバックとヒントを提供します。
   注: 最終日に、研究パートナーと研究チームのメンバーのヘッドギア配置の精度を決定するために、精度データを再度取得しました (図 3B)。
   1. セッションの最後に、必要なすべての消耗品 (ヘッドギア、ジェル、注射器、電極など)、適切なケアとメンテナンスのマニュアル、および ME-tES デバイスを備えた 2 番目のケースが入ったキャリング ケースを研究パートナーに提供します。
      注: 研究パートナー (n = 31) と参加者 (n = 30) は、最終トレーニング セッションの終了時に信頼度評価を提供しました (表 1)。
4. リモート(自宅)ME-tES:
   1. スケジュールされたセッションごとに、治験パートナーに治験チームメンバーとの安全なビデオ通話にログインしてもらい、すべての設定アクティビティを実行します。
   2. 研究パートナーにインピーダンスを報告してもらいます。受け入れられたら、研究チームのメンバーに、研究パートナーがME-tDCSユニットに入力するためのコードを提供してもらいます。
      注:多くのME-tDCSユニットでは、刺激を開始するために使い捨てコードが必要であり、これにより予定外の刺激セッションを防ぎ、参加者の安全性を最適化します。
   3. 研究チームのメンバーに、安全性と忍容性(副作用など)の報告など、必要なセッション活動をビデオ通話で実行してもらいます。
   4. セッションが完了したら、研究パートナーにケアとメンテナンスのチェックリストに従って刺激装置のバッテリーを充電してもらいます。
      注: 研究パートナー (n = 24) と参加者 (n = 24) は、規定のリモート セッション数の後に信頼度評価を提供しました。

結果

刺激パラメータと総セッション数:
私たちは、試みられたヘッドギアの 100% (63/63) の作成に成功し、パーソナライズされたヘッドギアのための信頼性が高く効率的なパイプラインを実証しました。各ヘッドギアには、参加者と研究に応じて、5 から 22 個の電極が含まれていました (電極の位置が少なくなったり多くなったりすることも可能であることに注意してください)。チャネルあたりの振幅は4mA以下で、すべての電極で頭皮ベースの総電流は16mA未満でした。合計で、ヘッドギアを使用して 1,449 回のセッションを実行しました。

検証結果:
最初の 8.6 個のヘッドギアで同じ位置を手で測定した場合、ヘッドギアの電極位置の間に平均 54 mm の差がありました (図 3A)。この差 (つまり、<1 cm) は、1) 手の測定は本質的に変動し、特に日によって、また異なる研究チーム メンバーによって実行された場合、2) 測定スキル/経験は研究チームのメンバーによって異なる場合、3) 頭のサイズ/形状と髪の毛の個人差により測定誤差が生じます。 4) 複雑なモンタージュは #1-3 と相互作用して変動性を生み出し、長いセットアップ時間を必要とします。実際、このプロセスにより、研究チームの測定プロセスにおけるドリフトを特定して修正することができました(つまり、ヘッドギアは客観的なグラウンドトゥルースを提供しました)。ヘッドギアの剛体性(ただし、素材は快適性、柔軟性、剛性のバランスをとるように最適化されています)と方向付けタブ(ナシオンなど)は、電極位置の誤差を本質的に排除し、前述のように、位置は計算モデリングソフトウェアと同じプロセスに基づいています。ヘッドギアの装着には<1分かかります。20個の電極での合計セットアップ時間は~10分です(ホルダーの充填、電極の配置、インピーダンスの測定を含む)。手作業による測定と比較して大幅に短縮されます(電極の位置に応じて通常~45分)。

図3:ME-tESヘッドギアのトレーニング。 (A)手の測定値とヘッドギアの平均差(mm単位)。注: 比較プロセス中に、手順の変更 (巻尺の配置、耳介のポイントなど) につながった手の測定に関連するいくつかの不正確さを特定しました。(B) 研究パートナーが装着したヘッドギアと訓練を受けた研究チームメンバーの初日と最終日の平均差。黒い円はグループ全体の平均を表します。灰色の円は個々の参加者を表します。略語: ME-tES = 多電極経頭蓋電気刺激。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

トレーニング結果:
研究パートナーは、私たちの研究チームがヘッドギアを配置した場所と比較して平均わずか 3 mm の差があることからもわかるように、最初の試みでヘッドギアを正確に配置しました。この差は、最終トレーニング日までに1.74mmでした(図3B)。重要なのは、情報提供者の 100% が利用可能な 5 日以内にトレーニングを無事に完了したことです。

訓練を受けた研究パートナーは、参加者の自宅で 929 セッションを実施しました (範囲: 5-61 セッション/参加者)。安全上の問題はありませんでした。忍容性は標準的なアンケートを使用して評価されましたが、アクティブ ME-tDCS と偽の ME-tDCS の間で同等の感覚体験が見られた以前の調査結果のため、ここでは報告されていません ^3,15。表1は、参加者と研究パートナーが最初のセッション後に高いレベルの自信を報告し、最後のトレーニングセッションまでにさらに上限に近いレベルまで上昇したことを示しています。さらに、参加者と研究パートナーは、最終セッション後のリモート ME-tDCS 体験に対する満足度が上限に近いと報告しました。

表 1: 研究パートナーと参加者がヘッドギアを使用し、リモート ME-tDCS を実行および受信した経験。最初のセッション、最後のトレーニング セッション (~5 回目)、および最後の ME-tDCS セッション後に取得した測定値。 略語: ME-tDCS = 多電極経頭蓋直流刺激。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

当社のパーソナライズされたヘッドギアは、神経学的損傷や病気のある高齢者であっても、ME-tESを遠隔で送達するためのユーザーフレンドリーな方法を提供します。私たちのデータは、ヘッドギアの自動電極配置が手の測定に匹敵することを示しています。重要なのは、MRIベースの電極配置が共有されているということは、tESが計算モデルを介して示されたヘッドギアミラーを使用して配信されることを意味します。パーソナライズされた方向タブにより適切な配置が保証され、クロスバー設計により、ユーザーは電極の位置にアクセスし、特に髪の動きに関して潜在的な混乱を軽減して頭皮への明確なアクセスを確保することができます。これらの利点は、特に遠隔地 (自宅など) では、速度が遅く、精度が低く、髪の毛による接触不良が発生しやすい既存のアプローチ (ネオプレン キャップ、手で測定したヘッド ネットなど) と比較して注目すべき利点です。

私たちの遠隔トレーニング プログラムは、関心を示したすべての人がパフォーマンス基準を満たすことができたため、ME-tDCS を管理するための研究パートナーのトレーニングに非常に効果的でした。具体的には、研究パートナーは 1 回の観察 (3 mm の差、複数のセッションで 1.74 mm の差) 後にヘッドギアを正確に配置し、すべてのセットアップと清掃活動の実行方法をすぐに学習しました。研究パートナーと参加者は、1日のトレーニング後でも非常に高い自信を報告し、最終トレーニング日までに上限に近いレベルの自信を報告しました。研究パートナーと参加者の両方が全体的な経験に非常に満足しており、追加の tES 研究に関心を示しました (表 1)。したがって、当社のヘッドギアは、ME-tESをオフィス環境の外で利用できるようにすることで、重要な翻訳ギャップを埋めます。これらの結論は、ユーザーが従うべき重要な上記の手順に基づいていることに注意してください。ただし、研究チームは、他の集団に合わせてトレーニングアプローチを調整する必要がある場合があります。

私たちは、いくつかの潜在的な制限を克服するために積極的に取り組んでいます。たとえば、現在の MRI 要件 (例: 1 mm³ ボクセル) は、すべての参加者が利用できるとは限りません。幸いなことに、臨床品質の MRI スキャン (T1 と FLAIR の両方) を使用してヘッドギアを開発したことを考えると、私たちの方法は堅牢であるように見えます。この課題は、最終的にMRIスキャンが不要になる可能性のある3Dヘッドスキャン方法を改良することでさらに軽減される可能性があります。また、手で測定するヘッドギアやネオプレンキャップに比べて別の選択肢を提供する「汎用」ヘッドギア(周囲56cmなど)も作成しました。このような既存のアプローチの場合と同様に、ヘアスタイルは正確なヘッドギアの配置を妨げる可能性があり、そのような場合、チームは参加者と協力してヘアスタイルを変更するか、モンタージュを変更する必要があります。すべてのデバイスや介入と同様に、コストは重要な考慮事項となる可能性があり、潜在的なユーザーは、利用可能なすべてのアプローチの長所と限界と比較して自分のニーズを考慮することをお勧めします。

ヘッドギアのパーソナライズされた性質と柔軟性は、電極ホルダーをさまざまな方法で簡単に変更できることを意味します。たとえば、従来の tES パッドをサポートするテンプレートがすでにあります。同様に、いくつかの新しい神経調節技術は、特定の脳領域を標的とするパーソナライズされた計算モデリングを統合しています。このようなモデリングアプローチで電極の位置を共有できるため、当社のヘッドギアは、時間的干渉刺激や経頭蓋集束超音波、パーソナライズされた経頭蓋磁気刺激などの精密ベースの技術をサポートするのに理想的です。最後に、脳波と機能的近赤外分光法を単独で、また同時に神経調節を可能にする修飾も開発しました。要約すると、当社のヘッドギアは、参加者と研究チームの負担を最小限に抑えながら、アクセスと持続可能性を高める非常に柔軟なプラットフォームを提供します。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
電極ゲル	サイニャゲル	該当なし
ヘッドギア	ソテリックス・メディカル社およびnbsp;	https://soterixmedical.com/research/remote
MxN 10 リモート	ソテリックス・メディカル社およびnbsp;	https://soterixmedical.com/research/remote