Artykuł metodologiczny

Spersonalizowany nakrycie głowy drukowane w 3D do wieloelektrodowej stymulacji przezczaszkowej elektrycznej

DOI:

10.3791/68815

⸱

9 września 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Nasz opatentowany, spersonalizowany nakrycie głowy drukowane w 3D zapewnia szybkie i niezawodne dostarczanie wieloelektrodowej przezczaszkowej stymulacji elektrycznej (ME-tES) w gabinecie oraz zdalnie.

Streszczenie

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

Przedstawiamy przegląd nowatorskiego, opatentowanego podejścia do tworzenia spersonalizowanego nakrycia głowy drukowanego w 3D, które umożliwia wieloelektrodową stymulację przezczaszkową elektryczną, nawet w domu. Do optymalizacji montażu słychać kluczowe obszary/sieci mózgowe, a następnie przesyła je na bezpieczny serwer w celu zaprojektowania spersonalizowanego nagłowia, które ostatecznie jest drukowane w 3D. Oprawa głowicowa umożliwia szybkie umieszczenie wielu elektrod (<1 min na elektrodę) z dokładnością porównywalną z ręcznymi pomiarami 10-10. Przeprowadziliśmy ponad 1400 sesji u 63 starszych osób z urazami neurologicznymi lub chorobami. Opisujemy efektywny program szkoleniowy dla partnerów nauki (np. małżonków), który umożliwił 100% skuteczność i ponad 900 zdalnie prowadzonych sesji. Partnerzy i uczestnicy badania zgłaszali wysoki poziom pewności siebie i satysfakcji z doświadczenia. Ponieważ lokalizacje elektrod opierają się na spersonalizowanym modelowaniu obliczeniowym, nakrycie głowy jest idealne do technik wymagających precyzji (np. stymulacja interferencji czasowej, ultrasonografia skupiona przezczaszkowa, przezczaszkowa stymulacja magnetyczna).

Wprowadzenie

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

Przezczaszkowa stymulacja elektryczna (tES) ma istotny potencjał w leczeniu deficytów poznawczych, emocjonalnych i ruchowych wynikających z urazów i chorób neurologicznych, zwłaszcza biorąc pod uwagę korzystne profile tolerancji i bezpieczeństwa 1,2,3,4. Konkretnie, przełomowy przegląd bezpieczeństwa wykazał jedynie dobrze udokumentowany profil skutków ubocznych (np. mrowienie, swędzenie, uczucie pieczenia), ale brak dowodów na nieoczekiwane zdarzenia niepożądane w ciągu 33 000 sesji, niezależnie od populacji2. Podobnie, niedawno zgłosiliśmy brak zdarzeń bezpieczeństwa oraz praktycznie identyczne profile skutków ubocznych dla aktywnej i pozorowanej przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS) w 3 046 sesjach z udziałem 292 starszych osób w spektrum demencji3. Tak wysokie bezpieczeństwo i tolerancja sprawiły, że zdalne dostarczanie tES przy użyciu tradycyjnych montażów z dwoma elektrodami jest powszechnie dostępnew 5,6, częściowo dzięki materiałom (np. wcześniej odmierzonym paskom na głowę, gąbkom zwilżonym), które umożliwiają szybkie i niezawodne umieszczanie elektrod. Połączenie tych czynników umożliwiło zdalnie nadzorowane kliniki tES, które lecząróżne schorzenia neurologiczne i psychiatryczne, ale głównie opierają się na tradycyjnym podejściu opartym na dużych (np. 25 cm2-35 cm2) podkładkach.

Znacznie mniej badań badało użycie zdalnej wysokiej rozdzielczości/wieloelektrodowej (ME) tES 8,9, mimo dowodów, że może on zapewnić większą stymulację ogniskową 10,11,12, być spersonalizowany 13 oraz mieć silniejszy, trwalszy efektniż tradycyjna stymulacja oparta na podkładkach. Stosunkowo niewielka ilość prac w tym obszarze prawdopodobnie odzwierciedla większe potrzeby ME-tES ze względu na różne materiały (np. wiele małych elektrud, użycie żelu zamiast gąbek nasączonych solą fizjologiczną), potencjał do większej złożoności montażu oraz potrzebę precyzyjniejszego rozmieszczenia elektrud. Tutaj prezentujemy opatentowany, spersonalizowany, drukowany w 3D nagłowik, który pokonuje wiele z tych wyzwań i umożliwia szybkie, niezawodne instalowanie i dostawę ME-tES. Takie podejście przezwycięża potencjalne ograniczenia istniejących opcji, takie jak nasadki z neoprenu, które łatwo się źle ustawiają, mogą być źle dopasowane i mają niewielką elastyczność przy przesuwaniu włosów, aby zapewnić optymalne kontakty z elektrodą. Przedstawiamy również dowody potwierdzające zastosowanie tego nagłowia do zdalnej stymulacji prądem stałym ME-przezczaszkowym (ME-tDCS) u osób starszych w całym spektrum demencji. Razem nasze wyniki silnie wspierają korzyści płynące z personalizowanego nakrycia głowy i dają nadzieję na inne formy neuromodulacji oraz metody oceny neurofizjologii.

Protokół

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

Poniższe sekcje odnoszą się do a) członków zespołu badawczego, którzy są wykwalifikowaną kadrą badawczą, zazwyczaj z tytułem licencjata, nadzorowanych przez licencjonowanego psychologa klinicznego posiadającego certyfikat z neuropsychologii klinicznej, oraz b) partnerów badawczych, którzy zazwyczaj są małżonkami lub dorosłymi dziećmi uczestników, z których żaden nie miał wcześniejszego doświadczenia z tES. Obecnie nie ma jasno określonych kryteriów dla osób nadzorujących tES, choć posiadanie zaawansowanego stopnia (np. Ph.D., M.D.) oraz odpowiednie szkolenie metodologiczne i dobra wiedza o bezpieczeństwie i tolerancji są rozsądnymi wymaganiami i zgodnymi z osobami prowadzącymi badania w tej dziedzinie.

We wszystkich sesjach (zarówno w biurze, jak i zdalnie) członkowie zespołu badawczego przeprowadzali standardowy kwestionariusz tolerancji15 na koniec każdej sesji. Członkowie zespołu badawczego monitorowali także wszystkie sesje pod kątem zagrożeń związanych z bezpieczeństwem i rozpoczynali każdą sesję, pytając o zmiany zdrowotne lub leki od poprzedniej sesji.

1. Tworzenie nakryć głowy (Rysunek 1)

figure-protocol-1
Rysunek 1: Proces tworzenia spersonalizowanego nakrycia głowy i dostarczania wieloelektrodowej stymulacji elektrycznej przezczaszkowej w domu. Skróty: ME-tES = wieloelektrodowa przezczaszkowa stymulacja elektryczna; MRI = obrazowanie rezonansem magnetycznym. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

  1. Uzyskiwanie pomiarów głowy:
    UWAGA: Spersonalizowany nakryć głowy obecnie wymaga badania rezonansu magnetycznego (MRI), ponieważ zapewnia on bardzo dokładne, trójwymiarowe pomiary głowy każdej osoby.
    1. Uzyskaj skan strukturalny (tj. T1) z wykorzystaniem parametrów zgodnych z kilkoma krajowymi badaniami (np. SCAN, ADNI). Zbieranie obrazu anatomicznego o wysokiej rozdzielczości w całej głowie, o wysokiej rozdzielczości T1, używając akwizycji z uszkodzonym gradientem (SPGR) w obrazowaniu stacjonarnym (TR/TE = 6,95/2,92 ms, kąt odwrócenia = 8°, pole widzenia = 256 × 256 mm2, rozmiar macierzy = 256 x 256; grubość przekroju = 1 mm; 208 plastów strzałkowych; rozmiar woksela = 1 x 1 mm3).
      1. Jeśli nie ma powszechnego dostępu do takich wysokorozdzielczych badań MRI oraz o innych (czasem niższych) rozdzielczościach, należy stosować kliniczne badania T1 MRI o różnych rozmiarach wokseli (np. 0,98 mm3; 0,94 × 0,94 × 3,00 mm3). Używaj klinicznej sekwencji FLAIR, gdy T1 jest niewystarczającej jakości.
      2. W przypadkach słabej segmentacji tkanek i . Błędy przy tworzeniu pliku STL – użyj oprogramowania do sieci neuronowej splotowej (np. SynthSR) lub podobnego oprogramowania, aby przekształcić skany w syntetyczne, korygowane z korektą polaryzacji 1 mm izotropowy MP-RAGE T116,17. Spróbuj tego kroku, gdy grubość plastów klinicznego T1 przekracza parametry potrzebne do stworzenia precyzyjnego nakrycia głowy.
        UWAGA: Opracowywane są alternatywne metody pozyskiwania niezbędnych 3D pomiarów głowy (np. skanowanie głowy 3D), które zostaną wdrożone, gdy tylko będą dostępne.
  2. Wykonaj modelowanie obliczeniowe oparte na MRI (opcjonalnie):
    1. Wykorzystaj oprogramowanie do modelowania obliczeniowego (np. ROAST18) do opracowania spersonalizowanego modelu obliczeniowego przepływu prądu elektrycznego za pomocą skanu MRI T1. Upewnij się, że ustawienia elektrod są zgodne ze standardowym systemem 10-10 lub 10-5.
  3. Rozwój nagłowia
    1. Prześlij badanie MRI T1 uczestnika na bezpieczny serwer do segmentacji skóry głowy i ostatecznego przygotowania nakryć głowy.
    2. Określ liczbę i lokalizację uchwytów na elektrody, stosując standardowy system 10-10 (lub 10-5), aby upewnić się, że nagłowica odpowiada modelowaniu "ground truth". Poczekaj, aż oprogramowanie automatycznie umieści poprzeczki łączące uchwyty elektrod, tworząc sztywną powłokę pozwalającą użytkownikowi na przestawianie włosów wokół prętów nośnych oraz b) identyfikację punktów anatomicznych (np. nos, inion, uszny), aby umieścić "zakładki orientacyjne", które nakładają się na te obszary i pozwalają użytkownikowi szybko założyć nagłowie.
      UWAGA: Większość skanów nie wymagała ręcznej korekty. Deformacje tkanek miękkich można zaobserwować wokół uszu, twarzy i szyi, które znajdują się poniżej powłoki nakrycia głowy, a drobne różnice (kilka milimetrów) można wyjaśnić dzięki dystansowym i subtelnej elastyczności nylonowej ramy. W niektórych wyjątkowych przypadkach (np. nieprawidłowo ustawione pozycje obiektu lub niskorozdzielcze, hałaśliwe anizotropowe MRI) korekcja może być zastosowana w postaci ręcznie oszacowanej macierzy rotacyjnej i/lub superrozdzielczości do zwiększania rozdzielczości.
  4. Druk 3D:
    1. Prześlij plik modelu 3D (np. ". STL") do odpowiedniej drukarki 3D (np. drukarki selektywnej laserowej spiekującej (SLS) z drukarkami nylonu medycznego klasy 12 (PA12) lub stereolitografii (SLA) z żywicą).
    2. Po wydruku upewnij się, że szorstkie krawędzie są wygładzone papierem ściernym, gdy to konieczne.
  5. Zakładanie nakrycia głowy:
    1. Umieść zakładki orientujące w odpowiednich miejscach na głowie.
    2. Zabezpiecz nakrycie głowy za pomocą pasków z hakiem i pętlą pod brodą dla obustronnych nakryć lub wokół głowy dla jednostronnych nakryć.
    3. W razie potrzeby stosuj miękkie dystansy, aby zrekompensować drobne szczeliny między uchwytami na elektrody a skórą głowy. Sprawdź, czy wszystkie pozostałe uchwyty na elektrody pozostają w kontakcie ze skórą głowy po dodaniu dystansów.
    4. Napełnij uchwyty na elektrody żelem przewodzącym.
    5. Umieść elektrodę w uchwycie, zapewniając kontakt z żelem. Przyłóż nakrętkę, aby zabezpieczyć elektrodę.

figure-protocol-2
Rysunek 2: Personalizacja nakrycia głowy ME-tES. (A) Dodatkowe przykłady spersonalizowanych nakryć głowy ME-tES, które pokazują elastyczność podejścia. (B) Stosuje się pięć rozmiarów elastycznych dystansów, aby zapewnić równy kontakt ze skórą głowy. (C) Przykład dystansu umieszczonego na końcu uchwytu elektrody. Skrót: ME-tES = wieloelektrodowa stymulacja elektryczna przezczaszkowa. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

2. Walidacja nakryć głowy

UWAGA: Podawane są różne dane dotyczące pierwszych 63 uczestników, którzy ukończyli ME-tDCS z użyciem tego nakrycia głowy. Nie wszystkie dane były dostępne dla wszystkich uczestników z powodu zmian protokołu lub czynników pragmatycznych (np. pominięcie lub brak czasu na zdobycie opcjonalnych kwestionariuszy). Wszyscy uczestnicy ukończyli zaplanowaną liczbę sesji. Wszyscy ci uczestnicy zostali zdiagnozowani z urazami neurologicznymi lub chorobami, w tym demencją typu Alzheimera (n = 22), łagodnym amnestycznym zaburzeniem poznawczym (n = 13), pierwotną postępującą afazją (n = 12), zanikiem kory tylnej (n = 11), wariantową otępieniem czołowo-skroniowym behawioralnym (n = 2), urazem mózgu beztlenowym (n = 2) oraz otępieniem ciała Lewy'ego (n = 1). Średni wiek wynosił 68,9 lat, a 50,8% stanowiły kobiety.

  1. Weryfikacja dokładności pomiaru nakryć głowy:
    1. Zmierz ręcznie i zaznacz położenie każdej elektrody na głowie uczestnika.
    2. Załóż nakrycie głowy zgodnie z krokiem 1.5. Zaznacz położenie każdego uchwytu na elektrodę. Zdejmij nagłowie.
    3. Zmierz różnicę między miejscem ręcznie mierzonym a miejscem nagłowia (w milimetrach).

3. Szkolenia dla zdalnych ME-tES

UWAGA: Poniżej przedstawiono poniższy rygorystyczny program szkoleniowy dla partnerów badawczych oraz powiązane dane o skuteczności. Początkowo szkolenie trwało 5 dni, ale zostało zmodyfikowane, by uwzględnić podejście oparte na opanowaniu umiejętności, biorąc pod uwagę wysoki wskaźnik sukcesu u pierwszych kilku uczestników. Wypełnij standardowe kwestionariusze tolerancji po każdej sesji15.

  1. Dzień 1: Doświadczony członek zespołu badawczego wyjaśni elementy nakrycia głowy (np. zakładki orientacyjne; uchwyty na elektrody) i pokaże partnerowi prawidłowe ustawienie.
    1. Niech członek zespołu zadba, by każdy uchwyt na elektrody był równo z skórą głowy, tak aby nie było szczelin, które mogłyby umożliwić przeciek żelu. Jeśli występują przerwy, poproś członka zespołu o przyłożenie elastycznych dystansów na dno uchwytu elektrody (rysunek 2C) i ponowne sprawdzenie pozostałych uchwytów elektrod, dodając dodatkowe w razie potrzeby.
    2. Niech członek zespołu zaprezentuje najlepsze praktyki, takie jak przesuwanie włosów spod uchwytów na elektrody, prawidłowe napełnianie uchwytu żelem (czyli unikanie/usuwanie pęcherzyków powietrza), zakładanie elektrod oraz zakładanie odpowiedniej nakrętki na uchwyt.
    3. Niech członek zespołu pokaże, jak obsługuje urządzenie ME-tES, sprawdzi naładowanie baterii i oceni impedancję elektrody. Podaj przykłady potencjalnych problemów i sposobów ich rozwiązywania problemów.
    4. Przeprowadz sesję zgodnie z potrzebą badania.
    5. Niech członek zespołu zademonstruje prawidłowe obroty, metody usuwania, mycia i suszenia (pielęgnacja elektrod patrz19).
      UWAGA: Dane dotyczące pewności są prezentowane przez podgrupę partnerów badawczych (n=33) i uczestników (n = 34) dotyczące ich zdolności do przygotowania i przeprowadzenia stymulacji za pomocą zakotwiczonej skali Likerta po tym, jak obserwowali członka zespołu badawczego podczas pierwszej sesji (Tabela 1).
  2. Dzień 2: Niech partner do nauki wykona wszystkie procedury pod nadzorem członka zespołu badawczego.
    1. Niech partner badawczy zaznaczy nos i oba punkty uszne, aby upewnić się, że zakładki orientujące nakrycie są prawidłowo umieszczone na głowie uczestnika.
    2. Niech członek zespołu badawczego zaznaczy miejsce każdego uchwytu na elektrody i zdejmie nagłowienie.
    3. Niech członek zespołu badawczego wymieni nakrycie głowy i zaznaczy położenie każdego uchwytu na elektrody, aby ocenić dokładność partnera w stosunku do członka zespołu (Rysunek 3B). Zanotuj różnice i udzielaj korektywnej informacji zwrotnej w razie potrzeby.
    4. Niech partner badawczy wykona cały zestaw (tj. zapewni dopasowanie do skóry głowy, napełni uchwyt żelem, umieści elektrodę), aktywuje urządzenie, oceni impedancje i ostatecznie wyczyści sprzęt; wszystko pod nadzorem członka zespołu.
  3. Dni 3-5: Użyj standaryzowanej listy kontrolnej, aby członek zespołu badawczego monitorował partnera podczas każdego etapu procesu przygotowawczego. Udzielaj korekty i wskazówki w razie potrzeby, aż partner do nauki opanuje cały proces przygotowania i sprzątania.
    UWAGA: W ostatnim dniu ponownie zebrano dane o dokładności, aby określić dokładność ustawienia nakrycia głowy partnera badania w porównaniu do członka zespołu badawczego (Rysunek 3B).
    1. Na koniec sesji zapewnij partnerowi do nauki etui z wszystkimi niezbędnymi materiałami (np. nakrycie głowy, żel, strzykawki, elektrody), odpowiednią obsługę i konserwację oraz drugi etui z urządzeniem ME-tES na koniec sesji.
      UWAGA: Partnerzy badawczy (n = 31) oraz uczestnicy (n = 30) przedstawili oceny zaufania na koniec ostatniej sesji szkoleniowej (Tabela 1).
  4. Zdalne (w domu) ME-tES:
    1. Na każdą zaplanowaną sesję poproś partnera do nauki zalogować się na bezpieczną rozmowę wideo z członkiem zespołu naukowego, a następnie wykonać wszystkie czynności przygotowawcze.
    2. Niech partner badawczy zgłosi impedancje. Gdy będzie to zaakceptowane, poproś członka zespołu badawczego o kod, który partner może wpisać do jednostki ME-tDCS.
      UWAGA: Wiele urządzeń ME-tDCS wymaga jednorazowego kodu do rozpoczęcia stymulacji, co zapobiega nieplanowanym sesjom stymulacyjnym i optymalizuje bezpieczeństwo uczestników.
    3. Niech członek zespołu badawczego wykonuje wymagane czynności sesyjne za pośrednictwem wideorozmowy, w tym raportowanie bezpieczeństwa i tolerancji (np. skutków ubocznych).
    4. Po zakończeniu sesji poproś partnera do nauki przestrzegać listy kontrolnej opieki i utrzymania oraz naładować baterie stymulatora.
      UWAGA: Partnerzy badawczy (n = 24) oraz uczestnicy (n = 24) przedstawili oceny zaufania po określonej liczbie sesji zdalnych.

Wyniki

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

Parametry stymulacji i całkowita liczba sesji:
Udało nam się zrealizować 100% prób nakryć głowy (63/63), demonstrując niezawodny i efektywny proces pozyskiwania spersonalizowanych nakryć. Każde nakrycie głowy zawierało od 5 do 22 elektrod, w zależności od uczestnika i badania (zauważamy, że możliwe jest także mniej lub więcej lokalizacji elektrod). Dostarczaliśmy amplitudy na kanał o wartości 4 mA lub mniej, a całkowity prąd na skalpach na wszystkich elektrodach poniżej 16 mA. Łącznie przeprowadziliśmy 1 449 sesji z tym nakryciem.

Wyniki walidacji:
Średnio różnica między miejscami elektrod nazębnych i ręcznym pomiarem tych samych miejsc na pierwszych 54 nazębiach wynosiła 8,6 mm (rysunek 3A). Ta różnica (np. <1 cm) mieści się w oczekiwanym marginesie błędu wynikającym z pomiaru ręki, ponieważ 1) pomiar ręki jest z natury zmienny, zwłaszcza w zależności od dni i gdy jest wykonywany przez różnych członków zespołu badawczego, 2) umiejętności pomiarowe/doświadczenie mogą się różnić w zależności od członków zespołu badawczego, 3) indywidualne różnice w rozmiarze/kształcie głowy i włosach powodują błąd pomiaru, 4) złożone montaże współdziałają z #1-3, tworząc zmienność i wymagając długich czasów przygotowań. W rzeczywistości ten proces doprowadził nas do identyfikacji i skorygowania dryfu w procesie pomiarowym zespołu badawczego (czyli nakrycie głowy dostarczało obiektywnej prawdy na miejscu). Sztywny charakter nagłowia (choć materiał został zoptymalizowany tak, by zrównoważyć komfort, elastyczność i sztywność) oraz zakładki orientacyjne (np. nasion) zasadniczo eliminują błędy w lokalizacji elektrud, a jak wspomniano powyżej, ich położenie opiera się na tym samym procesie co oprogramowanie do modelowania obliczeniowego. Zakładanie nakrycia głowy zajmuje <1 minutę; Łączny czas przygotowania przy użyciu 20 elektrod wynosi ~10 minut (wliczając napełnianie uchwytów, umieszczenie elektrody, pomiar impedancji); to znaczna redukcja w porównaniu do pomiaru ręcznego (zazwyczaj ~45 minut, w zależności od lokalizacji elektrod).

figure-results-1
Rysunek 3: Trening do nakrycia głowy ME-tES. (A) Średnia różnica między wymiarem dłoni a nakryciem głowy (w mm). UWAGA: Zidentyfikowaliśmy kilka nieścisłości związanych z pomiarem ręki podczas procesu porównawczego, które doprowadziły do modyfikacji proceduralnych (np. umiejscowienie taśmy pomiarowej, punkty uszne). (B) Średnia różnica między nakryciem głowy umieszczonym przez partnera do nauki a wyszkolonym członkiem zespołu badawczego w pierwszym i ostatnim dniu szkolenia. Czarne kółka reprezentują ogólną średnią grupową; Szare kółka reprezentują poszczególnych uczestników. Skrót: ME-tES = wieloelektrodowa stymulacja elektryczna przezczaszkowa. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Wyniki treningów:
Partnerzy badawczy prawidłowo założyli nakrycie głowy za pierwszym razem, co potwierdza średnia różnica zaledwie 3 mm względem miejsca, w którym nasz zespół badawczy ją umieścił. Różnica ta wyniosła 1,74 mm w ostatnim dniu szkolenia (rysunek 3B). Co ważne, 100% informatorów pomyślnie ukończyło szkolenie w ciągu dostępnych 5 dni.

Przeszkoleni partnerzy przeprowadzili 929 sesji w domu uczestnika (zakres od 5 do 61 sesji na uczestnika). Nie było żadnych problemów z bezpieczeństwem. Tolerancja była oceniana za pomocą standardowych kwestionariuszy, ale nie jest tu podawana ze względu na wcześniejsze ustalenia porównywalnych doświadczeń sensorycznych między aktywnym a pozorowanym ME-tDCS 3,15. Tabela 1 pokazuje, że uczestnicy i partnerzy badania zgłaszali wysoki poziom pewności siebie po pierwszej sesji, który po ostatniej sesji treningowej wzrósł do poziomu bliskiego sufitu. Ponadto uczestnicy i partnerzy badania zgłaszali niemal sufitowe poziomy satysfakcji z doświadczenia ME-tDCS po ostatniej sesji.

Tabela 1: Doświadczenia partnerów i uczestników badań z używaniem nakrycia głowy oraz wykonywaniem i odbieraniem zdalnego ME-tDCS. Miary uzyskane po pierwszej sesji, ostatniej sesji szkoleniowej (~5.) oraz ostatniej sesji ME-tDCS. Skrót: ME-tDCS = wieloelektrodowa przeczaszkowa stymulacja prądem stałym. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Dyskusja

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

Nasze spersonalizowane nakrycia głowy zapewniają przyjazną dla użytkownika metodę zdalnego dostarczania ME-tES, nawet u osób starszych z urazami i chorobami neurologicznymi. Nasze dane pokazują, że automatyczne rozmieszczenie elektrod na nakryciu głowy było porównywalne z pomiarami ręcznymi. Co ważne, wspólne rozmieszczenie elektrod oparte na MRI oznacza, że tES dostarczał z wykorzystaniem luster nagłowia, które pokazano na modelach obliczeniowych. Spersonalizowane zakładki orientacyjne zapewniają prawidłowe umieszczenie, a konstrukcja poprzeczna pozwala użytkownikowi (lub użytkownikom) na dostęp do lokalizacji elektrod i minimalizację potencjalnych zakłóceń, zwłaszcza w kontekście przesuwania włosów, aby zapewnić łatwy dostęp do skóry głowy. Te zalety są istotnymi w porównaniu z istniejącymi metodami (np. nasadki neoprenowe; ręcznie mierzone siatki na głowę), które mogą być wolniejsze, mniej dokładne i podatne na słaby kontakt z powodu włosów, zwłaszcza w odległych warunkach (np. w domu).

Nasz zdalny program szkoleniowy okazał się niezwykle skuteczny w szkoleniu partnerów do przeprowadzania ME-tDCS, ponieważ wszyscy, którzy wyrazili zainteresowanie, spełniali kryteria wydajności. Konkretnie, partnerzy badawczy precyzyjnie zakładali nakrycie głowy po jednej obserwacji (różnica 3 mm; różnica 1,74 mm po wielu sesjach) i szybko nauczyli się wykonywać wszystkie czynności związane z montażem i czyszczeniem. Partnerzy i uczestnicy badania zgłaszali bardzo wysoką pewność nawet po jednym dniu szkolenia i zgłaszali poziom pewności bliski sufitowi do ostatniego dnia szkolenia. Zarówno uczestnicy badania, jak i uczestnicy byli bardzo zadowoleni z ogólnych doświadczeń i wyrazili zainteresowanie dodatkowymi badaniami tES (Tabela 1). W ten sposób nasza nakrycia głowy wypełniają kluczową lukę translacyjną, udostępniając ME-tES poza biurem. Należy zauważyć, że wnioski te opierają się na powyższych krokach, które są kluczowe dla użytkowników. Jednak zespoły badawcze mogą być potrzebne dostosować podejście treningowe do innych populacji.

Aktywnie pracujemy nad przezwyciężeniem kilku potencjalnych ograniczeń. Na przykład obecne wymagania dotyczące MRI (np. woksele 1 mm3 ) mogą nie być dostępne dla wszystkich uczestników. Na szczęście nasze metody wydają się solidne, biorąc pod uwagę początkowy sukces przy użyciu klinicznych badań MRI (zarówno T1, jak i FLAIR) do opracowania nakrycia głowy. To wyzwanie może zostać dodatkowo złagodzone, gdy udoskonalimy metody 3D skanowania głowy, które ostatecznie mogą uczynić badania MRI zbędnymi. Stworzyliśmy także "uniwersalne" nakrycia głowy (np. o obwodzie 56 cm), które mogą stanowić kolejną opcję w porównaniu do miarki ręcznej lub neoprenowych czapek. Podobnie jak w przypadku takich podejść, fryzury mogą utrudniać dokładne ustawianie nakryć głowy i w takich przypadkach zespoły będą musiały albo współpracować z uczestnikami, aby zmienić fryzury, albo dostosować montaż. Jak w przypadku wszystkich urządzeń i interwencji, koszt może być istotnym czynnikiem, dlatego zachęcamy potencjalnych użytkowników do rozważenia swoich potrzeb w kontekście mocnych i ograniczonych stron wszystkich dostępnych podejść.

Spersonalizowany charakter i elastyczność nakrycia głowy sprawiają, że uchwyty na elektrody można łatwo modyfikować na różne sposoby. Na przykład mamy już szablony wspierające tradycyjne pady tES. Podobnie kilka nowych technik neuromodulacji integruje spersonalizowane modelowanie obliczeniowe, aby celować w określone obszary mózgu. Nasze wspólne pozycjonowanie elektrod przy takich podejściach modelujących sprawia, że nasz nakrycie głowy jest idealnie przystosowane do obsługi technik opartych na precyzji, takich jak stymulacja interferencji czasowej i ultrasonografia skoncentrowana przezczaszkowa, a także spersonalizowana przezczaszkowa stymulacja magnetyczna. Wreszcie, opracowaliśmy również modyfikacje umożliwiające elektroencefalogram i funkcjonalną spektroskopię bliską podczerwieni w izolacji, jak również z jednoczesną neuromodulacją. Podsumowując, nasza nakrycia głowy zapewniają bardzo elastyczną platformę, która zwiększa dostęp i zrównoważony rozwój, jednocześnie minimalizując obciążenie uczestników i zespołów badawczych.

Oświadczenia

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

Obecnie nakrycie głowy jest opatentowane w ramach Neuropsychologicznego i Neurologicznego Rehabilitacyjnego Urządzenia Ochronnego. Amerykański wniosek nr 17/188,437 Wynalazca, patent nr 11865328, zawiera modyfikacje dla innych wyżej wymienionych podejść neuromodulacji i neurofizjologii. Produkt jest licencjonowany przez Soterix Medical Inc., a główny autor (BMH), Uniwersytet Michigan oraz Departament ds. Weteranów mogą otrzymywać tantiemy ze sprzedaży. ARG, KM, JM i AD są pracownikami Soterix Medical Inc. W żadnej części tych prac nie użyto AI. Potencjalne konflikty zostały złagodzone poprzez zapewnienie, że wszystkie dane były zbierane przez członków zespołu badawczego, którzy nie byli związani z patentem, licencją ani Soterix Medical Inc. Żaden członek Soterix Medical, Inc. nie miał żadnej roli w planowaniu badań ani pozyskiwaniu danych, ani nie miał dostępu do surowych danych.

Podziękowania

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

Treść tego rękopisu nie odzwierciedla poglądów Departamentu ds. Weteranów ani rządu Stanów Zjednoczonych. Wsparcie grantowe od National Institute on Aging poprzez R35AG072262 i R01AG058724 [oba dla BMH] również zostało uznane.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Żel elektrodySignagelNie ma
Nakrycia głowySoterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/remote
PILOT MxN 10Soterix Medical Inc. https://soterixmedical.com/research/remote

Bibliografia

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

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Drukowane w 3D nak ady na g owwieloelektrodowa stymulacjapersonalizowane nak ady na g owmodelowanie komputerowerozmieszczenie elektrodobrazowanie rezonansem magnetycznymtechniki neuromodulacjizdalna stymulacja m zguimpedancja elektrod

Powiązane artykuły