Methodenartikel

Gepersonaliseerde 3D-geprinte hoofddeksels voor transcraniële elektrische stimulatie met meerdere elektroden

DOI:

10.3791/68815

⸱

9 september 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Research Program on Cognition and Neuromodulation Based Interventions, Departments of Psychiatry & Neurology, University of Michigan, Ann Arbor, 2Mental Health Service, VA Ann Arbor Healthcare System, 3Research and Development, Soterix Medical, 4Department of Biomedical Engineering, City College of New York

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Onze gepatenteerde, gepersonaliseerde 3D-geprinte hoofddeksels zorgen voor een snelle en betrouwbare levering van transcraniële elektrische stimulatie (ME-tES) op kantoor en op afstand toegediende multi-elektrode.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We presenteren een overzicht van een nieuwe, gepatenteerde benadering voor het maken van gepersonaliseerde 3D-geprinte hoofddeksels die transcraniële elektrische stimulatie met meerdere elektroden mogelijk maken, zelfs thuis. Een structurele magnetische resonantie beeldvorming (MRI) -scan wordt gebruikt om een montage te optimaliseren die zich richt op belangrijke hersengebieden/netwerken en wordt vervolgens geüpload naar een beveiligde server om op maat gemaakte hoofddeksels te ontwerpen die uiteindelijk 3D-geprint zijn. De hoofdband maakt een snelle plaatsing van meerdere elektroden mogelijk (<1 min per elektrode) met een vergelijkbare nauwkeurigheid als handmatige metingen van 10-10. We hebben meer dan 1.400 sessies uitgevoerd bij 63 oudere volwassenen met neurologisch letsel of ziekte. We beschrijven een efficiënt trainingsprogramma voor studiepartners (bijv. echtgenoten) dat een slagingspercentage van 100% en meer dan 900 op afstand afgenomen sessies mogelijk maakte. Studiepartners en deelnemers rapporteerden een hoge mate van vertrouwen en tevredenheid met de ervaring. Omdat de elektrodelocaties zijn gebaseerd op gepersonaliseerde computationele modellering, is de hoofdband ideaal voor technieken die precisie vereisen (bijv. stimulatie van tijdelijke interferentie, transcraniële gefocusseerde echografie, transcraniële magnetische stimulatie).

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transcraniële elektrische stimulatie (tES) heeft een aanzienlijk potentieel voor de behandeling van cognitieve, emotionele en motorische stoornissen als gevolg van neurologisch letsel en ziekte, vooral gezien de gunstige verdraagbaarheids- en veiligheidsprofielen 1,2,3,4. In het bijzonder vond een baanbrekende veiligheidsbeoordeling alleen het gevestigde bijwerkingenprofiel (bijv. tintelingen, jeuk, branderig gevoel), maar geen bewijs van onverwachte bijwerkingen in 33.000 sessies, ongeacht populatie2. Evenzo hebben we onlangs een afwezigheid van veiligheidsgebeurtenissen en vrijwel identieke bijwerkingenprofielen gerapporteerd voor actieve en schijntranscraniële gelijkstroomstimulatie (tDCS) in 3.046 sessies met 292 oudere volwassenen in het dementiespectrum3. Een dergelijke sterke veiligheid en verdraagbaarheid hebben ertoe geleid dat tES-toediening op afstand met behulp van conventionele montages met dubbele elektroden op grote schaal beschikbaar is 5,6, mede dankzij materialen (bijv. vooraf gemeten hoofdbanden, voorbevochtigde sponzen) die een snelle en betrouwbare plaatsing van de elektroden mogelijk maken. De combinatie van deze factoren maakte het mogelijk om op afstand begeleide tES-klinieken te creëren die een reeks neurologische en psychiatrische aandoeningen behandelen7, maar die voornamelijk vertrouwen op de traditionele grote (bijv. 25 cm,2-35 cm2) pad-gebaseerde benadering.

Veel minder studies hebben het gebruik van high-definition/multi-elektrode (ME) tES op afstandonderzocht 8,9, ondanks bewijs dat het meer focale stimulatie kan leveren 10,11,12, gepersonaliseerd kan worden 13 en grotere, langdurigere effecten kan hebben14 dan traditionele stimulatie op basis van pads. De relatieve schaarste aan werk op dit gebied weerspiegelt waarschijnlijk de grotere behoeften van ME-tES, gezien de verschillende materialen (bijv. meerdere kleine elektroden, gebruik van gel in plaats van met zoutoplossing doordrenkte sponzen), het potentieel voor een grotere montagecomplexiteit en de bijbehorende behoefte aan een nauwkeurigere plaatsing van de elektroden. Hierin presenteren we een gepatenteerd, gepersonaliseerd, 3D-geprint hoofddeksel dat veel van deze uitdagingen overwint en een snelle, betrouwbare installatie en levering van ME-tES mogelijk maakt. Deze aanpak overwint mogelijke beperkingen van bestaande opties, zoals neopreen doppen die gemakkelijk verkeerd kunnen worden geplaatst, mogelijk slecht passen en weinig flexibiliteit hebben bij het verplaatsen van haar om een optimaal contact met de elektrode te garanderen. We leveren ook bewijs ter ondersteuning van het gebruik van de hoofdband voor ME-transcraniële gelijkstroomstimulatie op afstand (ME-tDCS) bij oudere volwassenen in het hele dementiespectrum. Alles bij elkaar ondersteunen onze resultaten sterk de voordelen van het gepersonaliseerde hoofddeksel en zijn ze veelbelovend voor andere vormen van neuromodulatie en methoden die neurofysiologie evalueren.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De onderstaande secties verwijzen naar a) leden van het studieteam, die getraind onderzoekspersoneel zijn, meestal met een baccalaureaatsdiploma, die onder toezicht staan van een gediplomeerd klinisch psycholoog die gecertificeerd is in klinische neuropsychologie, en b) studiepartners, die meestal echtgenoten of volwassen kinderen zijn van deelnemers, die geen van allen enige eerdere ervaring met tES hadden. Er zijn momenteel geen duidelijk gedefinieerde criteria voor degenen die toezicht houden op tES, hoewel het hebben van een hogere graad (bijv. Ph.D., M.D.) en het hebben van een goede opleiding in methodologie en goed geïnformeerd zijn over veiligheid en verdraagbaarheid redelijke vereisten zijn en consistent zijn met degenen die onderzoek op dit gebied stimuleren.

In alle sessies (op kantoor en op afstand) hebben de leden van het onderzoeksteam aan het einde van elke sessie een standaard verdraagbaarheidsvragenlijst15 afgenomen. Leden van het onderzoeksteam controleerden ook alle sessies op eventuele veiligheidsproblemen en begonnen elke sessie met vragen over eventuele veranderingen in gezondheid of medicijnen sinds de laatste sessie.

1. Creatie van hoofddeksels (Figuur 1)

figure-protocol-1
Afbeelding 1: Proces voor het maken van gepersonaliseerde hoofddeksels en het toedienen van transcraniële elektrische stimulatie met meerdere elektroden thuis. Afkortingen: ME-tES = multi-elektrode transcraniële elektrische stimulatie; MRI = magnetische resonantie beeldvorming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

  1. Verkrijgen van hoofdmaten:
    OPMERKING: Het gepersonaliseerde hoofddeksel vereist momenteel een structurele magnetische resonantie beeldvorming (MRI) -scan, omdat dit zeer nauwkeurige 3D-metingen van het hoofd van elke persoon oplevert.
    1. Verkrijg een structurele (d.w.z. T1) scan met behulp van parameters die aansluiten bij verschillende onderzoeken op nationaal niveau (bijv. SCAN, ADNI). Verzamel een T1-gewogen anatomisch beeld met hoge resolutie van het hele hoofd met behulp van SPGR (spoiled-gradient-recalled acquisition) in steady-state beeldvorming (TR/TE = 6,95/2,92 ms, flip-hoek = 8°, gezichtsveld = 256 × 256 mm2, matrixgrootte = 256 x 256; plakdikte = 1 mm; 208 sagittale plakjes; voxelgrootte = 1 x 1 x 1 mm3).
      1. Als er op grote schaal geen toegang is tot dergelijke MRI-scans met hoge resolutie en MRI-scans met andere (soms lagere) resoluties, gebruik dan T1-MRI-scans van klinische kwaliteit met een reeks voxelformaten (bijv. 0,98 mm3; 0,94 × 0,94 × 3,00 mm3). Gebruik een klinische FLAIR-sequentie wanneer de T1 van onvoldoende kwaliteit is.
      2. In geval van slechte weefselsegmentatie en . Fouten bij het maken van STL-bestanden, gebruik de convolutionele neurale netwerksoftware (bijv. SynthSR) of vergelijkbare software om scans om te zetten in een synthetische, bias-gecorrigeerde 1 mm isotrope MP-RAGE T1 16,17. Probeer deze stap wanneer de plakdikte van de klinische T1 de parameters overschrijdt die nodig zijn om nauwkeurige hoofddeksels te maken.
        OPMERKING: Alternatieve benaderingen voor het verkrijgen van de nodige 3D-hoofdmetingen (bijv. 3D-hoofdscanning) worden ontwikkeld en zullen worden geïmplementeerd zodra deze beschikbaar zijn.
  2. Voer op MRI gebaseerde computationele modellering uit (optioneel):
    1. Gebruik computationele modelleringssoftware (bijv. ROAST18) om een gepersonaliseerd computationeel model van elektrische stroomstroom te ontwikkelen met behulp van de T1 MRI-scan. Zorg ervoor dat de elektrodelocaties voldoen aan het standaard 10-10 of 10-5 systeem.
  3. Ontwikkeling van hoofddeksels
    1. Upload de T1 MRI-scan van de deelnemer naar een beveiligde server voor hoofdhuidsegmentatie en het maken van ultieme hoofddeksels.
    2. Specificeer het aantal en de locatie van elektrodehouders met behulp van het standaard 10-10 (of 10-5) systeem om ervoor te zorgen dat de hoofddeksels overeenkomen met de "ground truth"-modellering. Wacht tot de software automatisch a) dwarsbalken plaatst die de elektrodehouders verbinden om een stijve schaal te vormen waarmee de gebruiker het haar rond de steunbalken kan verplaatsen en b) anatomische oriëntatiepunten identificeert (bijv. nasion, inion, oorschelp) om "oriënterende lipjes" te plaatsen die deze regio's bedekken en de gebruiker in staat stellen om snel de hoofdband te plaatsen.
      OPMERKING: Voor de meeste scans was geen handmatige correctie vereist. Vervorming van zacht weefsel kan worden waargenomen rond de oren, het gezicht en de nek, die zich onder de schaal van de hoofdband bevinden, en kleine discrepanties (enkele millimeters) kunnen worden verklaard met de afstandhouders en de subtiele flexibiliteit van het nylon frame zelf. In sommige uitzonderlijke gevallen (bijv. verkeerd uitgelijnde posities van het onderwerp of luidruchtige anisotrope MRI's met een lage resolutie) kan correctie worden toegepast in de vorm van een handmatig geschatte rotatiematrix en/of de superresolutie-upscaler.
  4. 3D-printen:
    1. Upload het 3D-modelbestand (bijv. ". STL") naar een geschikte 3D-printer (bijv. een selectieve lasersinterprinter (SLS) met nylon-12 (PA12) of stereolithografie (SLA) printers van medische kwaliteit met hars).
    2. Zorg er na het afdrukken voor dat de ruwe randen indien nodig worden gladgestreken met schuurpapier.
  5. Het plaatsen van de hoofddeksels:
    1. Plaats oriënterende lipjes op de juiste plaatsen op het hoofd.
    2. Zet hoofddeksels vast met klittenband onder de kin voor bilaterale hoofddeksels of rond het hoofd voor eenzijdige hoofddeksels.
    3. Breng indien nodig zachte afstandhouders aan om kleine openingen tussen de elektrodehouders en de hoofdhuid te compenseren. Controleer of alle andere elektrodehouders in contact blijven met de hoofdhuid na het toevoegen van afstandhouders.
    4. Vul de elektrodehouders met geleidende gel.
    5. Plaats de elektrode in de houder en zorg ervoor dat deze in contact komt met de gel. Breng de dop aan om de elektrode vast te zetten.

figure-protocol-2
Figuur 2: Personalisatie van ME-tES hoofddeksels. (A) Extra voorbeelden van gepersonaliseerde ME-tES-hoofddeksels die de flexibiliteit van de aanpak laten zien. (B) Indien nodig worden vijf maten flexibele afstandhouders gebruikt om een vlak contact met de hoofdhuid te garanderen. (C) Voorbeeld van een afstandsstuk dat op het uiteinde van de elektrodehouder is geplaatst. Afkorting: ME-tES = multi-elektrode transcraniële elektrische stimulatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Validatie van hoofddeksels

OPMERKING: Variërende gegevens van de eerste 63 deelnemers die ME-tDCS hebben voltooid met behulp van het hoofddeksel worden gerapporteerd. Niet alle gegevens waren beschikbaar voor alle deelnemers vanwege protocolwijzigingen of pragmatische factoren (bijv. het weglaten of gebrek aan tijd om optionele vragenlijsten te verkrijgen). Alle deelnemers hebben het geplande aantal sessies voltooid. Deze deelnemers werden allemaal gediagnosticeerd met neurologische verwondingen of ziekten, waaronder dementie van het Alzheimer-type (n = 22), amnestische milde cognitieve stoornissen (n = 13), primaire progressieve afasie (n = 12), posterieure corticale atrofie (n = 11), gedragsvariant frontotemporale dementie (n = 2), anoxisch hersenletsel (n = 2) en Lewy body dementie (n = 1). De gemiddelde leeftijd was 68,9 jaar en 50,8% was vrouw.

  1. Validatie van de meetnauwkeurigheid van hoofddeksels:
    1. Meet en markeer met de hand de locatie van elke elektrode op het hoofd van de deelnemer.
    2. Plaats de hoofdband zoals in stap 1.5. Markeer de locatie van elke elektrodehouder. Verwijder de hoofdband.
    3. Meet het verschil tussen de met de hand gemeten locatie en de locatie van de hoofdband (in mm).

3. Training voor ME-tES op afstand

OPMERKING: Het volgende rigoureuze trainingsprogramma voor studiepartners en de bijbehorende werkzaamheidsgegevens worden hieronder weergegeven. De training duurde aanvankelijk 5 dagen, maar werd aangepast om een benadering van vaardigheidsbeheersing te omarmen, gezien het hoge slagingspercentage bij de eerste paar deelnemers. Vul na elke sessie standaard vragenlijsten over verdraagbaarheid in15.

  1. Dag 1: Laat een ervaren lid van het onderzoeksteam de componenten van de hoofdband uitleggen (bijv. oriëntatielipjes; elektrodehouders) en de juiste plaatsing aan de studiepartner demonstreren.
    1. Laat het teamlid ervoor zorgen dat elke elektrodehouder gelijk ligt met de hoofdhuid, zodat er geen openingen zijn waardoor de gel kan lekken. Als er openingen zijn, laat het teamlid dan de flexibele afstandhouders op de onderkant van de elektrodehouder aanbrengen (Figuur 2C) en controleer alle andere elektrodehouders opnieuw, waarbij u indien nodig extra afstandhouders plaatst.
    2. Laat het teamlid best practices demonstreren, zoals het verwijderen van haren onder elektrodehouders, het op de juiste manier vullen van de houder met gel (d.w.z. het vermijden/verwijderen van luchtbellen), het plaatsen van de elektroden en het aanbrengen van de bijbehorende houderkap.
    3. Laat het teamlid demonstreren hoe het ME-tES-apparaat moet worden bediend, controleer de batterijlading en evalueer de elektrode-impedantie. Geef voorbeelden van mogelijke problemen en probleemoplossing.
    4. Voer de sessie uit zoals geschikt voor het onderzoek.
    5. Laat het teamlid de juiste rotatie-, verwijderings-, was- en droogmethoden demonstreren (zie19 voor elektrodeverzorging).
      OPMERKING: Betrouwbaarheidsgegevens worden gepresenteerd van een subset van studiepartners (n=33) en deelnemers (n = 34) over hun vermogen om stimulatie op te zetten en uit te voeren met behulp van een verankerde Likertschaal nadat ze hebben geobserveerd dat het lid van het onderzoeksteam deze eerste sessie uitvoert (Tabel 1).
  2. Dag 2: Laat de studiepartner alle procedures uitvoeren onder toezicht van een lid van het onderzoeksteam.
    1. Laat de studiepartner de neus en beide oorpunten markeren om ervoor te zorgen dat de oriëntatielipjes van de hoofdband correct op het hoofd van de deelnemer worden geplaatst.
    2. Laat het lid van het onderzoeksteam de locatie van elke elektrodehouder markeren en de hoofdband verwijderen.
    3. Laat het lid van het onderzoeksteam het hoofddeksel vervangen en de locatie van elke elektrodehouder markeren om de nauwkeurigheid van de onderzoekspartner ten opzichte van het teamlid te beoordelen (Figuur 3B). Noteer verschillen en geef indien nodig corrigerende feedback.
    4. Laat de studiepartner de hele opstelling uitvoeren (d.w.z. zorgen voor een vlakke pasvorm met de hoofdhuid, de houder vullen met gel, de elektrode plaatsen), het apparaat activeren, impedanties evalueren en uiteindelijk de apparatuur schoonmaken; Dit alles onder toezicht van het teamlid.
  3. Dag 3-5: Gebruik een gestandaardiseerde checklist om het lid van het onderzoeksteam de studiepartner te laten controleren tijdens elke stap van het installatieproces. Geef zo nodig corrigerende feedback en tips totdat de studiepartner aantoont dat hij het hele installatie- en schoonmaakproces beheerst.
    OPMERKING: Op de laatste dag werden opnieuw nauwkeurigheidsgegevens verkregen om de nauwkeurigheid van de plaatsing van de hoofdband voor de studiepartner versus het lid van het onderzoeksteam te bepalen (Figuur 3B).
    1. Geef aan het einde van de sessie een draagtas met alle benodigde benodigdheden (bijv. hoofddeksel, gel, spuiten, elektroden), de juiste verzorgings- en onderhoudshandleiding en een tweede koffer met het ME-tES-apparaat aan de studiepartner.
      OPMERKING: Studiepartners (n = 31) en deelnemers (n = 30) gaven aan het einde van de laatste trainingssessie vertrouwensbeoordelingen (Tabel 1).
  4. ME-tES op afstand (thuis):
    1. Laat de studiepartner voor elke geplande sessie inloggen op een beveiligd videogesprek met een lid van het onderzoeksteam en voer vervolgens alle installatieactiviteiten uit.
    2. Laat de studiepartner impedanties melden. Zodra dit acceptabel is, laat u het lid van het onderzoeksteam een code verstrekken die de studiepartner moet invoeren in de ME-tDCS-eenheid.
      OPMERKING: Veel ME-tDCS-eenheden hebben een code voor eenmalig gebruik nodig om stimulatie te starten, waardoor ongeplande stimulatiesessies worden voorkomen en de veiligheid van de deelnemer wordt geoptimaliseerd.
    3. Laat het lid van het onderzoeksteam de vereiste sessieactiviteiten uitvoeren via een videogesprek, inclusief rapportage over veiligheid en verdraagbaarheid (bijv. bijwerkingen).
    4. Zodra de sessie is voltooid, laat u de studiepartner de checklist voor verzorging en onderhoud volgen en de batterijen van de stimulator opladen.
      OPMERKING: Studiepartners (n = 24) en deelnemers (n = 24) gaven betrouwbaarheidsbeoordelingen na het voorgeschreven aantal sessies op afstand.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stimulatieparameters en totaal aantal sessies:
We hebben met succes 100% van de pogingen tot hoofddeksels (63/63) gemaakt, waarmee we een betrouwbare en efficiënte pijplijn voor gepersonaliseerde hoofddeksels hebben aangetoond. Elk hoofddeksel bevatte tussen de 5 en 22 elektroden, afhankelijk van de deelnemer en het onderzoek (we merken op dat minder of meer elektrodelocaties ook mogelijk zijn). We leverden per kanaal amplitudes van 4 mA of minder en totale hoofdhuidstroom over alle elektroden van minder dan 16 mA. In totaal hebben we 1.449 sessies uitgevoerd met behulp van de hoofddeksels.

Validatie resultaten:
Er was een gemiddeld verschil van 8,6 mm tussen de locaties van de hoofddekselelektroden met handmeting van dezelfde locaties over de eerste 54 hoofddeksels (Figuur 3A). Dit verschil (d.w.z. <1 cm) ligt ruim binnen de verwachte foutmarge die voortvloeit uit handmeting, aangezien 1) handmeting inherent variabel is, vooral tussen dagen en wanneer uitgevoerd door verschillende leden van het onderzoeksteam, 2) meetvaardigheden/ervaring kunnen variëren tussen leden van het onderzoeksteam, 3) individuele verschillen in hoofdgrootte/-vorm en haar veroorzaken meetfouten, 4) Complexe montages werken samen met #1-3 om variabiliteit te creëren en vereisen uitgebreide installatietijden. Dit proces leidde er zelfs toe dat we drift in het meetproces van het onderzoeksteam identificeerden en corrigeerden (d.w.z. dat het hoofddeksel een objectieve grondwaarheid gaf). Het stijve karakter van de hoofdband (hoewel het materiaal is geoptimaliseerd om comfort, flexibiliteit en stijfheid in evenwicht te brengen) en de oriënterende lipjes (bijv. nasion) elimineren in wezen fouten in de locatie van de elektroden en, zoals hierboven vermeld, zijn de locaties gebaseerd op hetzelfde proces als computationele modelleringssoftware. De plaatsing van de hoofddeksels duurt <1 min; De totale insteltijd met 20 elektroden is ~10 min (inclusief het vullen van de houders, het plaatsen van de elektrode, het meten van impedanties); Een aanzienlijke vermindering in vergelijking met handmeting (meestal ~45 min, afhankelijk van de elektrodelocaties).

figure-results-1
Figuur 3: Training voor ME-tES-hoofddeksels. (A) Gemiddeld verschil tussen handmeting en hoofddeksel (in mm). OPMERKING: We hebben tijdens het vergelijkingsproces verschillende onnauwkeurigheden geïdentificeerd die verband houden met handmeting die hebben geleid tot procedurele wijzigingen (bijv. plaatsing van het meetlint, oorpunten). (B) Gemiddeld verschil tussen door de studiepartner geplaatste hoofddeksels en getraind studieteamlid op de eerste en laatste trainingsdag. Zwarte cirkels vertegenwoordigen het algemene groepsgemiddelde; Grijze cirkels vertegenwoordigen individuele deelnemers. Afkorting: ME-tES = multi-elektrode transcraniële elektrische stimulatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Resultaten van de training:
Studiepartners plaatsten het hoofddeksel nauwkeurig bij de eerste poging, zoals blijkt uit een gemiddeld verschil van slechts 3 mm ten opzichte van waar ons onderzoeksteam het plaatste. Dit verschil was 1,74 mm op de laatste trainingsdag (Figuur 3B). Belangrijk is dat 100% van de informanten de training binnen de 5 beschikbare dagen met succes heeft afgerond.

De getrainde studiepartners voerden 929 sessies uit bij de deelnemer thuis (bereik: 5-61 sessies/deelnemer). Er waren geen veiligheidsproblemen. De verdraagbaarheid werd geëvalueerd met behulp van de standaardvragenlijsten, maar wordt hier niet gerapporteerd vanwege onze eerdere bevindingen van vergelijkbare sensorische ervaringen tussen actieve en schijn-ME-tDCS 3,15. Tabel 1 laat zien dat deelnemers en studiepartners na de eerste sessie een hoog niveau van zelfvertrouwen rapporteerden, dat verder toenam tot bijna plafondniveaus in de laatste trainingssessie. Bovendien rapporteerden deelnemers en studiepartners bijna plafondniveaus van tevredenheid met de ME-tDCS-ervaring op afstand na hun laatste sessie.

Tabel 1: Ervaringen van studiepartner en deelnemer met het gebruik van het hoofddeksel en het uitvoeren en ontvangen van ME-tDCS op afstand. Maatregelen verworven na de eerste sessie, de laatste trainingssessie (~5e) en de laatste ME-tDCS-sessie. Afkorting: ME-tDCS = multi-elektrode-transcraniële gelijkstroomstimulatie. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Onze gepersonaliseerde hoofddeksels bieden een gebruiksvriendelijke methode voor ME-tES-toediening op afstand, zelfs bij oudere volwassenen met neurologisch letsel en ziekte. Onze gegevens tonen aan dat de geautomatiseerde plaatsing van de elektroden voor de hoofdband vergelijkbaar was met handmetingen. Belangrijk is dat de gedeelde plaatsing van de op MRI gebaseerde elektroden betekent dat tES wordt geleverd met behulp van de hoofddekselspiegels die worden weergegeven via computermodellen. De gepersonaliseerde oriënterende lipjes zorgen voor een juiste plaatsing en het ontwerp van de dwarsbalk geeft de gebruiker(s) toegang tot elektrodelocaties en vermindert mogelijke verwarringen, vooral met betrekking tot bewegend haar om duidelijke toegang tot de hoofdhuid te garanderen. Deze voordelen zijn opmerkelijke voordelen ten opzichte van bestaande benaderingen (bijv. neopreen doppen; met de hand gemeten hoofdnetten) die mogelijk langzamer, minder nauwkeurig en vatbaar zijn voor slecht contact als gevolg van haar, vooral in afgelegen omgevingen (bijv. thuis).

Ons trainingsprogramma op afstand was uiterst effectief in het trainen van studiepartners om ME-tDCS toe te dienen, aangezien iedereen die interesse toonde, aan de prestatiecriteria kon voldoen. Concreet plaatsten de studiepartners het hoofddeksel nauwkeurig na een enkele observatie (3 mm verschil; 1,74 mm verschil na meerdere sessies) en leerden ze snel om alle instel- en reinigingsactiviteiten uit te voeren. Studiepartners en deelnemers rapporteerden een zeer hoog zelfvertrouwen, zelfs na een enkele dag training, en rapporteerden bijna plafondniveaus van vertrouwen op de laatste trainingsdag. Zowel de studiepartners als de deelnemers waren zeer tevreden met de algehele ervaring en toonden interesse in aanvullende tES-studies (Tabel 1). Ons hoofddeksel vult dus een kritieke translationele leemte door ME-tES ook buiten de kantooromgeving beschikbaar te maken. Merk op dat deze conclusies zijn gebaseerd op de hierboven genoemde stappen, die van cruciaal belang zijn voor gebruikers om te volgen. Het kan echter nodig zijn dat onderzoeksteams de trainingsaanpak moeten afstemmen op andere populaties.

We werken actief aan het overwinnen van verschillende mogelijke beperkingen. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat de huidige MRI-vereisten (bijv. 1 mm3 voxels) niet voor alle deelnemers beschikbaar zijn. Gelukkig lijken onze methoden robuust gezien het aanvankelijke succes met behulp van MRI-scans van klinische kwaliteit (zowel T1 als FLAIR) om het hoofddeksel te ontwikkelen. Deze uitdaging kan verder worden beperkt naarmate we 3D-scanmethoden voor koppen verfijnen die MRI-scans uiteindelijk overbodig kunnen maken. We hebben ook "generieke" hoofddeksels gemaakt (bijv. 56 cm omtrek) die een andere optie kunnen bieden ten opzichte van handmetingen of neopreen doppen. Zoals het geval is voor dergelijke bestaande benaderingen, kunnen kapsels een nauwkeurige plaatsing van hoofddeksels belemmeren en in dergelijke gevallen zullen teams met de deelnemers moeten samenwerken om kapsels te veranderen of hun montage te wijzigen. Zoals bij alle apparaten en interventies, kunnen de kosten een belangrijke overweging zijn, en we moedigen potentiële gebruikers aan om hun behoeften in overweging te nemen in relatie tot de sterke punten en beperkingen van alle beschikbare benaderingen.

Het gepersonaliseerde karakter en de flexibiliteit van de hoofdband betekent dat elektrodehouders eenvoudig op verschillende manieren kunnen worden aangepast. We hebben bijvoorbeeld al sjablonen om traditionele tES-pads te ondersteunen. Evenzo integreren verschillende opkomende neuromodulatietechnieken gepersonaliseerde computationele modellering om zich te richten op specifieke hersengebieden. Onze gedeelde elektrodepositionering met dergelijke modelleringsbenaderingen betekent dat onze hoofddeksels bij uitstek geschikt zijn om op precisie gebaseerde technieken te ondersteunen, zoals stimulatie van tijdelijke interferentie en transcraniële gefocusseerde echografie, evenals gepersonaliseerde transcraniële magnetische stimulatie. Ten slotte hebben we ook modificaties ontwikkeld die elektro-encefalogram en functionele nabij-infraroodspectroscopie mogelijk maken, zowel geïsoleerd als met gelijktijdige neuromodulatie. Kortom, onze hoofddeksels bieden een zeer flexibel platform dat de toegang en duurzaamheid verhoogt en tegelijkertijd de last van deelnemers en studieteams minimaliseert.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het hoofddeksel is momenteel gepatenteerd onder Neuropsychological and Neurological Rehabilitation Headgear Device. U.S. Application No.: 17/188,437 Inventor, Patent No. 11865328, en omvat wijzigingen voor de andere hierboven genoemde neuromodulatie- en neurofysiologiebenaderingen. Het product is in licentie gegeven aan Soterix Medical Inc. en de hoofdauteur (BMH), University of Michigan en Department of Veteran's Affairs kunnen royalty's ontvangen uit de verkoop. ARG, KM, JM en AD zijn werknemers van Soterix Medical Inc. In geen enkel deel van dit werk is AI gebruikt. Potentiële conflicten werden beperkt door ervoor te zorgen dat alle gegevens werden verzameld door leden van het onderzoeksteam die geen verband hielden met het patent, de licentie of Soterix Medical Inc. Geen enkel lid van Soterix Medical, Inc. had een rol in de studieplanning of gegevensverzameling, noch had het toegang tot onbewerkte gegevens.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De inhoud van dit manuscript vertegenwoordigt niet de standpunten van het Department of Veterans Affairs of de regering van de Verenigde Staten. Subsidie van het National Institute on Aging via R35AG072262 en R01AG058724 [beide aan BMH] wordt ook erkend.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Electrode gelSignageln/a
HeadgearSoterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/remote
MxN 10 REMOTESoterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/remote

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clin Neurophysiol. 128 (9), 1774-1809 (2017).
  2. Bikson, M., et al. Safety of transcranial direct current stimulation: Evidence based update 2016. Brain Stimul. 9 (5), 641-661 (2016).
  3. El Jamal, C., et al. Tolerability and blinding of high-definition transcranial direct current stimulation among older adults at intensities of up to 4 mA per electrode. Brain Stimulation. 16 (5), 1328-1335 (2023).
  4. Lefaucheur, J. P., et al. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of transcranial direct current stimulation (tDCS). Clin Neurophysiol. 128 (1), 56-92 (2017).
  5. Charvet, L. E., et al. Remotely-supervised transcranial direct current stimulation (tDCS) for clinical trials: Guidelines for technology and protocols. Front Syst Neurosci. 9, 26(2015).
  6. Charvet, L. E., Shaw, M. T., Bikson, M., Woods, A. J., Knotkova, H. Supervised transcranial direct current stimulation (tDCS) at home: A guide for clinical research and practice. Brain Stimul. 13 (3), 686-693 (2020).
  7. Pilloni, G., et al. Tolerability and feasibility of at-home remotely supervised transcranial direct current stimulation (RS-tDCS): Single-center evidence from 6,779 sessions. Brain Stimul. 15 (3), 707-716 (2022).
  8. Brechet, L., et al. Patient-tailored, home-based non-invasive brain stimulation for memory deficits in dementia due to Alzheimer's disease. Front Neurol. 12, 598135(2021).
  9. Van De Winckel, A., et al. Home-based transcranial direct current stimulation plus tracking training therapy in people with stroke: An open-label feasibility study. J Neuroeng Rehabil. 15 (1), 83(2018).
  10. Sharma, G., Chowdhury, S. R. 2019 IEEE Conference on computational intelligence in bioinformatics and computational biology (CIBCB). , 1-5 (2019).
  11. Borckardt, J. J., et al. A pilot study of the tolerability and effects of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) on pain perception. J Pain. 13 (2), 112-120 (2012).
  12. Datta, A., et al. Gyri-precise head model of transcranial direct current stimulation: Improved spatial focality using a ring electrode versus conventional rectangular pad. Brain Stimul. 2 (4), 201-207 (2009).
  13. Rogers, G., Joodaki, M., Hopf, A., Santarnecchi, E., Guzman, R., Muller, B., Osmani, B. Increasing target engagement via customized electrode positioning for personalized transcranial electrical stimulation: A biophysical modeling study. NeuroImage. 311, 121206(2025).
  14. Kuo, H. -I., et al. Comparing cortical plasticity induced by conventional and high-definition 4× 1 ring tDCS: A neurophysiological study. Brain stimul. 6 (4), 644-648 (2013).
  15. Reckow, J., et al. Tolerability and blinding of 4x1 high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) at two and three milliamps. Brain Stimul. 11 (5), 991-997 (2018).
  16. Iglesias, J. E., et al. Synthsr: A public ai tool to turn heterogeneous clinical brain scans into high-resolution T1-weighted images for 3D morphometry. Sci Adv. 9 (5), eadd3607(2023).
  17. Iglesias, J. E., et al. Joint super-resolution and synthesis of 1 mm isotropic MP-RAGE volumes from clinical MRI exams with scans of different orientation, resolution and contrast. Neuroimage. 237, 118206(2021).
  18. Huang, Y., Datta, A., Bikson, M., Parra, L. C. Realistic volumetric-approach to simulate transcranial electric stimulation-roast-a fully automated open-source pipeline. J Neural Eng. 16 (5), 056006(2019).
  19. Hampstead, B. M., Ehmann, M., Rahman-Filipiak, A. Reliable use of silver chloride HD-tDCS electrodes. Brain Stimul. 13 (4), 1005-1007 (2020).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

3D geprint hoofdframemulti elektrode stimulatiegepersonaliseerd hoofdframecomputationele modelleringelektrodeplaatsingmagnetische resonantiebeeldvormingneuromodulatietechniekenremote hersenstimulatieelektrode impedantie

Gerelateerde artikelen