神经导航引导下重复经颅磁刺激的失语

Abstract

重复经颅磁刺激（磁刺激）被广泛用于多种神经系统疾病，因为它已经获得了确认其潜在的治疗效果。大脑兴奋是经颅磁刺激非侵入性调制，经颅磁刺激的语言领域已经证明了它的治疗失语的潜在影响。在我们的协议中，我们的目标是通过使用neuronavigational TMS（NTMS），以及国际10-20脑电图系统为常规的TMS（CTMS）的F3抑制布洛德曼区域44和45人工诱导健康受试者虚拟失语。为了测量失语的程度，在反应时间到画面命名任务前和刺激后的变化进行测量，并比较在NTMS和CTMS之间的反应时间的延迟。两个TMS刺激方法准确性通过平均目标和实际刺激塔莱拉什坐标进行比较。刺激的一致性是通过从目标的误差范围内表现出来。这STU的目的DY是展示使用NTMS的，并描述相比，这些CTMS的NTMS的优点和局限性。

Introduction

重复经颅磁刺激（磁刺激）非侵入激活神经元回路中的中枢和外周神经系统^。1磁刺激调制大脑兴奋^2，并在几个精神病和神经性疾病的潜在治疗作用，如电机的弱点，失语，忽视，和疼痛³比运动皮层使用国际10-20脑电系统通常被确定的其他颅磁刺激，或通过测量特定外部的地标距离目标点。

然而，在尺寸，解剖学，和大脑皮质的形态学的个体间的差异不考虑，使得最佳目标定位有挑战性^。3为磁刺激应用的另一个关键问题是在磁性线圈的位置和皮质区之间的偏差预期刺激。

光学跟踪导航神经外科有EXP相与它的应用程序涵盖包括rTMS治疗的电磁线圈的指导认知神经科学领域。该neuronavigational系统协助查明rTMS治疗的最佳目标结构。在对目标区域定位线圈^4,5这样的分歧经常与采用脑电图10-20系统的传统方法时，这有望在神经导航克服。

这项研究办法表明诱导由neuronavigational的rTMS针对布罗卡区，采用个别解剖标测健康受试者虚拟失语的方法。虚拟失语在反应时间到图像命名变化方面的程度进行测量，并与从常规的刺激方法相比。神经导航引导方法具有用于递送磁脉冲到脑更高的精度，并且因此预计证明比传统方法更大的临床变化。此螺栓的目标y为引入刺激的更精确和有效的方法，患者的临床设置失语。

Protocol

伦理学声明：本研究​​通过盲医院的机构审查委员会。

1.准备材料（表1）

1. 使用TMS设备具有3.0特斯拉的最大输出和在350微秒的脉冲宽度200-240伏交流50/60赫兹5A的电源。
2. 获得在由肌电图（EMG），每个受试者休息运动阈值（RMT）使用TMS系统和有源电极（参见步骤3.1细节）来确定运动诱发电位（MEP）。设置RMT作为实际TMS研究方案（ 图1）单独强度。
   注：neuronavigational系统包括一个电脑屏幕，主观跟踪器，跟踪器线圈，指针校准模块，摄像头，TMS椅子座椅系统。 （ 图2 - 4）
3. 使用Superlab程序来设置图片命名任务，并提出了刺激的科目，以测试诱导VIRTU程度人失语。
4. 记录反应时间用于使用语音录音系统，更详细地，在步骤4中描述的每个图片。
5. 分析由语音分析系统，更详细地，在步骤4中描述的图像命名响应的等待时间和持续时间。

2.检查研究设计

1. 使用经颅磁刺激诱导到虚拟失语。
   1. 向受试者执行图片命名任务，更详细地，在步骤4图片命名任务说明。
   2. 在图片命名任务中应用神经导航或者引导颅磁刺激（非关税措施）或传统的经颅磁刺激（CTMS）。 CTMS的细节在步骤5.3.2和5.5中描述。
2. 测量反应时间和差错率为图片命名，结果这两个条件下，比较结果为在步骤4中更详细地描述。

3. TMS协议的制备

1. 确定RMT
   1. 放置活性电极上的左第一背terosseous（FDI）的肌肉。
   2. 递送连续10刺激向右M1区域在一个4-6秒的刺激间隔，检查左侧FDI肌肉的收缩。
   3. 利用在其中一个峰 - 峰值的MEP振幅大于50紫外更大产生至少五倍的最小TMS强度确定受验者的RMT。
2. TMS映射
   1. 使用用于使用neuronavigational系统的对象的3-T MR扫描仪获得高分辨率T1加权磁共振（MR）解剖图像。对于MRI扫描的参数概括于表1中 。
      注意：转移大脑MR图像的神经导航程序，该重建使用前连合（AC）和后连合（PC）的解剖指导每个人的大脑曲线和皮肤， 如图5。
      1. 重建皮肤结构
         1. 获取对象的脑部MR的文件图像中的标准数字成像和通信医学（DICOM）。格式。通过选择“转换研究”转换的MR图像。设置从哪个文件传送到神经导航计算机的搜索目录。转换类型应该由DICOM类型来选择在神经导航程序中使用。
         2. 的DICOM文件传输到在其中安装所述神经导航程序的计算机。实施导航程序。默认图标是“解剖”。对于新的病人记录，选择DICOM图像文件之一。
         3. 点击“阿特拉斯空间”。这一步是设置参考点来重构各个图像。按下Dropbox的“新”，并通过单击设置参考解剖结构“手册（AC-PC盒）”。
         4. 找到胼胝体的患者的交流，安置在穹窿的列的前两个半球的只是中线。马克AC在MR图像上，点击“设置AC”。
         5. 发现患者的个人计算机，中脑导水管的上端的背侧两个半球的中线。马克PC的MR图像上，点击“设置PC”。
         6. 点击“重建”，使皮肤结构。按“新”，在保管箱，选择“皮肤”。设置在MR图像重建的范围内。一定要包括与鼻尖和两个耳朵，整个头骨。
         7. 在新的结构中，点击“计算皮”。等到该过程完成。皮肤施工完成后，应显示皮肤的形态。
      2. “重构”一节中，选择“满脑曲线”重建大脑曲线以下3.2.1.1。类似于前面的步骤中，设置的范围为在含有鼻尖的MR图像重建。点击“计算曲线”。施工完毕后，应显示满脑的曲线。
   2. 马克鼻根，鼻尖，都耳屏注册解剖标志。这一步是匹配患者和用于对大脑皮质的靶的相对位置的结构的重建的皮肤结构（ 图6）之间的解剖点。
      1. 点击“地标”图标。要配置具有里程碑意义，标志着对计算皮肤结构鼻根（点额头鼻子之间，在鼻骨交界处）。通过点击“新”注册它并将其存储为“里程碑1”
      2. 标记鼻尖注册鼻根作为里程碑式1通过点击“新”注册鼻尖，并将其存储为“标2”之后
      3. 马克对皮肤结构中的每个耳屏。耳屏是外耳的小尖隆起，位于外耳的前面。标记，然后点击“新”地标注册后每耳屏。对于这个协议，右侧耳屏是章istered为“标3”和左侧被登记为“标4”。
   3. 把头带与参与者的头部主观跟踪。在每个学科每个会话校准与导航座椅系统的校准块线圈跟踪器。确保导航相机侦测并显示所有的主题，椅子，线圈，并在继续之前在电脑屏幕上的指针的跟踪系统。
      1. 校准用座椅系统的线圈。
         1. 每个非关税措施刺激前校准线圈跟踪器。在主计算机菜单，选择“窗口”。点击“TMS线圈校准”，在保管箱。点击“新校准”。在第二届会议上，选择线圈的名字第一次使用，并单击“重新校准”。
         2. 广场上的校准块的标准点后的TMS线圈。确保线圈水平放置。检查摄像头检测两个校准模块和线圈跟踪器（显示为绿色）。然后，单击“开始倒计时校准”，和一个5秒倒计时开始。在倒计时过程中按住线圈依然。

4.图片命名任务

1. 将图片命名程序会自动移动到下一个画面之前提出每个刺激3000毫秒。
2. 请参与者尽可能准确和尽快命名呈现的画面。
3. 通过检测由通过耳机麦克风使用免费语音分析程序的主体发出的声音测量反应时间为每个图象（在屏幕上的刺激弹出到由参与者提出的第一声音延迟）。
   1. 从波士顿命名测试（K-BNT）韩版的图片数据库名的长度和两段匹配到3点40照片显示在屏幕上前后的刺激，如在研究由Kim 等人 ，（2014）。

5. TMS映射协议

1. Deliver1赫兹刺激在10分钟的的RMT的90％的强度，以总共600的TMS脉冲。
2. 持8字形线圈沿切线与垂直定向到目标线圈颅骨。
3. TMS映射（ 图7）
   1. 确定基于归一化的脑的表面上的解剖额下回（IFG），为NTMS。
      1. 注册IFG作为非关税措施的目标。
         1. 点击“目标”，然后按“配置指标”。标记显示脑曲线的窗口上的IFG。详细的目标设定是针对每个横向和矢状MR图像实现的。保存点的“轨迹”。
      2. 注册与受试者头皮标志性建筑。
         1. 点击“会话”的映射。创建通过在新的Dropbox选择“联机会议”一个新的会话。创建一个“会话1”窗口，在其中默认的图标是“目标”。选择保存在步骤3.2.2.2目标名称。 （选择“轨迹1”）。点击“添加”按钮，并移动到下一个步骤。
         2. 点击“注册”。这个步骤是，以配合该主题的重构脑曲线。注册的具有里程碑意义的步骤3.2.2.1。用于匹配与实际解剖结构的解剖点。
         3. 确保相机识别指针和主题跟踪，在绿色显示两者。指向对象的用指针鼻根。点击“样品％跳转到下一个里程碑”。指向对象的鼻尖和品尝它。重复，直到所有四个标志性建筑相匹配。
   2. 广场上的CTMS 10-20国际脑电系统⁷ F3线圈。
4. 看屏幕，以确保线圈上所需的目标，并保持整个NTMS过程。作为线圈从由靶心（ 图8）所示的目标移开屏幕上应显示被检者的脑表面，预定的目标，和线圈，以及误差范围。参照画面，因为它被移开的操作者调节目标上的线圈。
   1. 在注册目标进行非关税措施
      1. 点击按步骤5.3.1.1所述注册主体的地标后，屏幕上的“执行”。要改变摄像头检测到指针的默认设置中，选择一步3.2.3.1中保存的线圈名称。在“驱动程序”下拉框的底部。确保相机标识都受到跟踪和跟踪线圈。
      2. 检查屏幕显示从注册的目标（IFG）的TMS线圈的相对距离和角度。如果线圈从目标移开，该距离被标记为红色，而它被标记为绿色，当线圈是预期的目标范围内。尝试获得线圈和目标为靶心之间的角度尽可能地。
5. 从操作员打开屏幕的距离以便获得CTMS程序盲目交付TMS。线圈保持，因为它是在会议的开始。

6. Topograhic数据采集

1. 通过手动按下遥控器上的“录制”按钮，每刺激记录线圈位置。
2. 在记录每个刺激，获取Taliarach在X，Y，Z为指定的目标和实际的刺激区域坐标。
3. 说明使用免费的图像处理程序（MRIcro，http://www.mccauslandcenter.sc.edu/mricro/mricro/index.html）在一个标准化的大脑中的坐标。
4. 获得相应的解剖脑区，包括布罗德曼区的Gyrus，耳垂，半球区域标签的坐标塔莱拉什使用免费软件标签计划（Talairachclient，http://www.talairach.org/client.html）。

Representative Results

Kim等人证实TMS的相比于非导航的传统方法neuronavigational系统引导的更优异的效果通过刺激多焦刺激向右M1区域⁸的更少分散， 如图9，进一步的证据支持掺入用TMS的neuronavigational系统由随机交叉实验表明通过靶向布洛德曼区域44和45对NTMS和国际10-20脑电图系统CTMS的F3诱导健康受试者虚拟失语症⁹

Kim 等人相比，CTMS和下列措施16名健康受试者非关税措施。前和刺激的每个会话后刺激本地化的相对于目标的误差范围内（中，平均塔莱拉什空间坐标，并测量了图像命名任务反应时间12） 图10只示出了NTMS诱导反应时间显著延迟与基线，并与在图11中显示了目标刺激的本地化的更大的一致性比较窄误差相对于一范围图12示出。目标为NTMS与CTMS的比较。

该NTMS组中这些显著差异通过当由神经导航引导缩小靶与线圈之间的距离，从而产生更显著结果相比，这些常规方法的诱导高精度在TMS脉冲递送到预期的目标。目标上的线圈的确切位置是用于生产临床有效的结果是绝对关键的。上述结果支持使用neuronavigational指导应用颅磁刺激时。

图1：经颅磁刺激（TMS）系统和肌电图机收购休息运动阈值（RMT）
右M1区刺激与左边第一背侧骨间肌的活性电极，以确定RMT 请点击此处查看该图的放大版本。

图2：。设备设置为导航系统经颅磁刺激（TMS）主持，手机摄像头，并与TMS设备的电脑屏幕都包括请点击此处查看该图的放大版本。

图3：。准 ​​备材料线圈跟踪器，指针和主观跟踪器的图片，请点击此处查看该图的放大版本。

图4：校准块与线圈跟踪这使得程序检测到经颅磁刺激（TMS）线圈的相对位置。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5：Reconstruc泰德脑曲线通过神经导航计划，一旦脑部磁共振MR图像传送到神经导航程序，大脑曲线和皮肤使用前连合（AC）和后联合（PC）的重建。 请点击此处查看大图这一数字。

图6：。解剖标志用于导航经颅磁刺激（TMS）的解剖标志，鼻根，鼻尖和两个耳屏使用指针都标请点击此处查看该图的放大版本。

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图7：经颅磁刺激（TMS）的映射额下回的导航制导TMS（左）和国际10-20系统，用于常规TMS（右）被设置为刺激目标的F3 请点击这里查看一个更大的版本这个数字。

图8：导航引导下经颅磁刺激（非关税措施）屏幕显示拍摄对象的脑表面， 在神经导航显示的预定目标，线圈和误差范围内。 请点击此处查看该图的放大版本。

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图9：在刺激与多个协调刺激与非导航的传统方法（左）（右） 导航比较与导航指引的色散系数较小演示的刺激少的分散性和使用的导航右M1面积的焦点刺激引导下经颅磁刺激（非关税措施）。从参考⁹修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

图10：在能够引起16名健康人群导航引导下经颅磁刺激（非关税措施）和常规TMS（CTMS）之间的虚拟性失语比较平均图片命名时间（毫秒）被显著增加（P </em><0.001）与非关税措施，而没有任何变化与CTMS制成（P = 0.179）酒吧代表平均反应时间与相应的标准误差。从参考⁹修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

图11：映射区和刺激组 （n = 16） 的绘图 。刺激常规方法（绿色）的区域被更广泛地使用相比，这些导航方法（紫色）的相对于目标（红色）更向上散射坐标分布。从参考⁹修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

图12：平均误差范围为导航引导下经颅磁刺激（非关税措施）和常规TMS（CTMS）（N = 16）的刺激位置相对实际目标的距离与非关税措施比CTMS接近。误差范围为NTMS比为CTMS窄。条表示均值和标准误差。从参考⁹修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

表1：本研究三维T1加权磁共振成像（MRI）的参数

Discussion

TMS无论是在临床实践和基础研究被广泛使用^。10有价值的治疗作用是由磁刺激的生理影响，包括皮质兴奋与低频磁刺激治疗失语症的抑制神经调节作用所提供。神经处理或虚拟的¹¹瞬态中断通过磁刺激诱 ​​导损毁可以改变行为表现^。12然而，磁刺激的期望的效果，可以稀释或甚至不具有错位的目标上的线圈发生。误瞄准原本预定目标和实际的刺激皮层区域之间可以发生由于线圈的位置和方向的细微差别;因此，显著影响大脑产生的磁场^。7因此，可变性的这些来源应该最小化施加TMS时，准确地向所希望的皮层区输送磁脉冲是强制性的，以提供最大的临床磁刺激EFFECT。

解决问题的线圈放置的这一关键问题上的目标皮层区域，采用使用neuronavigational系统光学跟踪磁刺激优化线圈的稳定性^。13神经导航程序利用个体的MR图像，从而提供该线圈定位线上视觉反馈相对于所述目标区，从而使在线圈位置实时调整通过校正方向错误的线圈头的关系^。13所述的一系列几毫米内聚焦磁场刺激由于高精度神经导航来实现，使更多的强磁刺激脉冲以达到特定的解剖结构。

这个协议测试中的反应时间方面对语言功能神经导航引导的TMS的影响，以图象通过诱导健康受试者虚拟失语症和比较从使用E常规TMS方法获得的那些结果的命名EG地标，以及与由每个方法大脑的实际刺激区域的结果。

因为一旦使用导航系统的决定目标的精确刺激保证精确的目标的决心是非常关键的。在这个协议中，为IFG刺激目标被注册的基于个人大脑皮质的表面的解剖映射，这可以从10-20脑电图系统的F3的不同，对应于布洛德曼区域44和^45，6，其中F3为更后侧和相对IFG优异，刺激IFG产生显著虚拟失语，而F3的盲刺激没有⁹刺激对特定脑区域的一致性被最大化与导航系统。因而，提高磁刺激的生理效果。这些结果由TMS诱发的性能由于在刺激位置的微小变化的急剧转变¹⁴支撑。

，Kim等人 （2014年）中使用的非关税措施协议的结果和解释有局限性。它表明在健康受试者中有较大的抑制作用是通过诱导显著虚拟损毁，但是否有失语症患者相同的效果促进尚未测试。这可以通过在实际的失语症患者，例如那些具有中风后失语症执行该协议的确认。语音功能被人为压制在我们的协议正常人，而它必须与失语症患者在其中的语音功能已经被抑制不同的频率提供便利。此外，认识到在解剖学基础脑表面上IFG可以像位置相当具有挑战性和轮廓可以科目不同而有差异。

光学跟踪系统neuronavigational引起更深刻的虚拟性病变比传统的非neuronavigated方法。此协议演示nstrates，使用非关税措施，相比CTMS，可生产布罗卡区是治疗中风后失语症患者的批评更强大的神经调节。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Medtronic MagPro X100	MagVenture	9016E0711
MCF-B65 Butterfly coil	MagVenture	9016E042
Brainsight TMS Navigation	Rogue Research	KITBSF1003