Neuronavigation-guidede Repetitive Transcranial magnetisk stimulation for Afasi

Abstract

Repetitive transkraniel magnetisk stimulation (rTMS) er meget brugt til adskillige neurologiske tilstande, som den har fået anerkendelse for dets potentielle terapeutiske virkninger. Brain uro er ikke-invasivt moduleres af rTMS, og rTMS til sprogområder har bevist sine potentielle virkninger på behandling af afasi. I vores protokol, vi sigter mod at kunstigt fremkalde virtuelle afasi hos raske forsøgspersoner ved at hæmme Brodmann område 44 og 45 ved hjælp neuronavigational TMS (NTM), og F3 i den internationale 10-20 EEG-system til konventionel TMS (CTMS). For at måle graden af ​​afasi, indregnes ændringer i reaktionstid til et billede navngivning opgave før og efter stimulation målt og sammenligne den forsinkede reaktionstid mellem NTM og CTMS. Nøjagtigheden af ​​de to TMS stimuleringsfremgangsmåder sammenlignes som gennemsnittet af Talairach-koordinater for målet og den faktiske stimulation. Sammenhæng af stimulation demonstreres af fejlområde fra målet. Formålet med denne STUdy er at demonstrere brugen af ​​NTM og beskrive fordele og begrænsninger af NTM sammenlignet med dem af CTMS.

Introduction

Gentagne transkraniel magnetisk stimulation (rTMS) ikke-invasivt aktiverer neuronale kredsløb i det centrale og perifere nervesystem. ¹ rTMS modulerer hjerneexcitabilitet ² og har potentielle terapeutiske virkninger i flere psykiatriske og neurologiske tilstande, såsom motorisk svækkelse, afasi, vanrøgt, og smerte . ³ de målwebsteder for andre end den motoriske hjernebark konventionelt identificeres ved hjælp af internationale 10-20 EEG-system rTMS eller ved at måle afstande fra visse eksterne vartegn.

Imidlertid ikke taget inter-individuelle forskelle i størrelse, anatomi, og morfologi af hjernen cortex i betragtning, hvilket gør optimal target lokalisering udfordrende. ³ Et andet kritisk spørgsmål for rTMS applikationer er uoverensstemmelse mellem placering af den magnetiske spole og den kortikale region af bestemt stimulering.

Optisk spores navigations neurokirurgi har expanded it-applikationer til at omfatte kognitiv neurovidenskab område, herunder rTMS for vejledning af den magnetiske spole. Det neuronavigational Systemet hjælper med at identificere de optimale mål strukturer for rTMS. ^4,5 sådan divergens i coil positionering på målområdet ofte sker med den konventionelle metode vedtagelse af 10-20 EEG-system, og det forventes at blive overvundet af neuronavigation.

Denne undersøgelse protokol viser en metode til at inducere virtuelle afasi hos raske forsøgspersoner ved neuronavigational rTMS målrettet Brocas område, ved hjælp af individuelle anatomiske kortlægning. Graden af ​​virtuelle afasi i form af ændringer i reaktionstid på billedet navngivning måles og sammenlignes med dem fra den konventionelle stimulation metode. Den neuronavigation-guidet metode har højere nøjagtighed for at levere magnetiske impulser til hjernen, og forventes således at vise større klinisk ændring end den konventionelle metode. Målet med denne study var at indføre en mere præcis og effektiv metode til stimulering for patienter med afasi i kliniske omgivelser.

Protocol

Etik erklæring: Denne undersøgelse blev godkendt af den institutionelle gennemgang bestyrelsen for en blindet hospital.

1. Forberedelse Materialer (tabel 1)

1. Brug TMS udstyr med maksimal effekt på 3,0 Tesla og en strømforsyning på 200-240 Vac 50/60 Hz 5A ved en puls bredde på 350 mikrosekunder.
2. Anskaf hvile motor tærskel (RMT) i hvert emne ved elektromyografi (EMG) at bestemme motoren evoked potentiale (MEP) ved hjælp af TMS-systemet og den aktive elektrode (se trin 3.1 for detaljer). Indstil RMT individuelle intensitet for den faktiske TMS undersøgelsesprotokollen (figur 1).
   Bemærk: Det neuronavigational Systemet omfatter en computerskærm, subjektive tracker, spole tracker, pointer, kalibrering blok, kamera, og TMS stol siddepladser system. (Figur 2 - 4)
3. Brug Superlab program til at oprette billedet navngivning opgave og præsentere stimulus til de emner for at teste graden af ​​induceret Virtual afasi.
4. Optag reaktionstid for hvert billede under anvendelse af en stemme registreringssystem, beskrevet mere detaljeret i trin 4.
5. Analyser latens og varigheden af ​​billedet navngivning reaktion fra en stemme analysesystem, beskrevet mere detaljeret i trin 4.

2. Kontrol af Study Design

1. Brug rTMS at fremkalde Virtual Afasi.
   1. Stil emnet at udføre billedet navngivning opgave, beskrevet mere detaljeret i trin 4. Picture navngivning opgave.
   2. Påfør enten neuronavigation-guidede rTMS (NTM) eller konventionelle rTMS (CTMS) under billedet navngivning opgaven. Detaljerne for CTMs beskrevet i trin 5.3.2 og 5.5.
2. Mål reaktionstid og fejlrate for billedet navngivning og sammenligne resultaterne under begge betingelser, som beskrevet mere detaljeret i trin 4.

3. Forberedelse af TMS-protokollen

1. Bestem RMT
   1. Placer den aktive elektrode til venstre første dorsale iterosseous (FDI) muskler.
   2. Lever 10 på hinanden følgende stimuleringer til højre M1 område ad 4-6 sek interstimulus interval, kontrol sammentrækning af venstre FDI musklen.
   3. Bestem individs RMT anvendelse af den minimale TMS intensitet, hvor en peak-to-peak MEP amplitude større end 50 uV fremstilles mindst fem gange.
2. TMS Mapping
   1. Opnå en høj opløsning T1-vægtede magnetisk resonans (MR) anatomiske billeder via et 3-t MR-skanner af emnet for brug af neuronavigational system. Parametrene for MR-scanning er opsummeret i tabel 1.
      Bemærk: Overfør hjernen MR-billeder til neuronavigation programmet, som rekonstruerer hjernen krum og hud af hver person, der bruger anatomiske vejledning af den forreste commissure (AC) og posterior commissure (PC), som vist i figur 5.
      1. Rekonstruere hudens struktur
         1. Få filen i individets hjerne MRbillede i standard Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). format. Konverter MR billede ved at vælge "Konverter undersøgelsen". Indstil søgning bibliotek, hvorfra filen overføres til neuronavigation computer. Konvertere typen bør udvælges af DICOM type, der skal anvendes i neuronavigation programmet.
         2. Overfør DICOM-fil til computeren, hvor neuronavigation programmet er installeret. Gennemføre navigationsprogrammet. Standard ikon er "Anatomisk." For en ny patientjournal, vælge en af ​​DICOM billedfiler.
         3. Klik på "Atlas rum". Dette trin er at indstille referencepunktet at rekonstruere hvert billede. Tryk på "ny" i dropbox og indstille referencen anatomiske struktur ved at klikke på "manuel (AC-PC boks)".
         4. Find patientens AC af corpus callosum, blot midterlinjen af ​​to halvkugler placeret foran søjlerne i fornix. Mark AC på MR-billedet og klik på "sæt AC".
         5. Find patientens pc, midterlinjen af ​​de to halvkugler i den dorsale aspekt af den øvre ende af den cerebrale akvædukt. Mark PC på MR-billedet og klik på "sæt PC".
         6. Klik på "Rekonstruktioner" at gøre huden struktur. Tryk på "ny" i dropbox for at vælge "Skin". Indstil intervallet for genopbygningen på MR-billeder. Sørg for at medtage hele kraniet med nasal tip og begge ører.
         7. Klik "beregne hud" i den nye struktur. Vent, indtil processen er færdig. Efter afslutning af huden konstruktion, bør hud morfologi blive vist.
      2. Vælg "Full hjerne krum" i afsnittet "Reconstruction" at rekonstruere hjernen krum følgende 3.2.1.1. Svarende til det forrige trin, skal du indstille intervallet for genopbygningen på MR-billeder, der indeholder nasal tip. Klik "beregne krum". Fuld hjerne krum skal vises efter opførelsen er afsluttet.
   2. Marker nasion, nasal tip, og begge tragus at registrere de anatomiske vartegn. Dette trin er at matche den anatomiske punkt mellem patienten og den rekonstruerede hudstruktur til konfiguration af den relative position af målet på hjernen cortex (figur 6).
      1. Klik på "Landmark" ikonet. For at konfigurere vartegn markere nasion (punkt mellem panden næse, ved krydset af den nasale knogler) på den beregnede hudens struktur. Registrer den ved at klikke "nye" og gemme det som "Landmark 1"
      2. Marker nasal tip efter registrering nasion som vartegn 1. Registrer nasal tip ved at klikke på "nye" og gemme det som "Landmark 2"
      3. Mærke hver tragus på huden struktur. Den tragus er den lille spidse eminence af det ydre øre, ligger foran concha. Registrer hver tragus efter mærkning og klikke på "nye" vartegn. Til denne protokol, den rigtige tragus er regstreret som "Landmark 3" og venstre er registreret som "Landmark 4".
   3. Sæt hovedet strop med den subjektive tracker på deltagerens hoved. Kalibrer spolen tracker med kalibrering blok af navigations sædesystem ved hver session for hvert emne. Sørg for navigations kameraet registrerer og viser alle af tracking system af emnet, stolen, spolen, og markøren på computerskærmen, før du fortsætter.
      1. Kalibrering af spole med siddepladser system.
         1. Kalibrer spolen tracker før hver NTM stimulation. På de vigtigste computer menuen, vælg "Window". Klik på "TMS coil kalibrering" i dropbox. Klik på "ny kalibrere". På det andet møde, vælge spolen navn, der anvendes første gang, og klik på "Re-kalibrering".
         2. Placer TMS tændspole på standard punkt bagende over kalibrering blok. Sørg spolen er vandret placeret. Kontroller, atkameraet detektere både kalibreringen blok og spole tracker (vist med grønt). Klik derefter på "Begin kalibrering nedtælling", og en 5 sek af nedtællingen starter. Hold spolen stadig under nedtællingen.

4. Picture Navngivning Task

1. Indstil billedet navngivning program til at præsentere hver stimulus for 3000 ms før automatisk flytter ind på det næste billede.
2. Spørg deltageren at navngive den præsenterede billedet så præcist og hurtigt som muligt.
3. Mål reaktionstiden (latenstid fra pop op af stimulus på skærmen til den første lyd, som den deltager) for hvert billede ved at registrere lyden fra emnet via headsettet mikrofonen med freeware stemme analyseprogram.
   1. Fyrre billeder matchede i navn længde og segmenter af 02:58 fra billedet database af den koreanske version af Boston Naming Test (K-BNT) præsenteres på skærmenfør og efter stimulation, som i undersøgelsen af Kim et al., (2014).

5. TMS Mapping Protocol

1. Deliver1 Hz stimulation ved en intensitet på 90% af RMT i 10 minutter, med i alt 600 TMS pulser.
2. Hold figur-otte spole tangentielt til kraniet med spolen vinkelret orienteret mod målet.
3. TMS Mapping (figur 7)
   1. Identificer de anatomiske ringere frontal gyrus (IFG) baseret på overfladen af ​​den normaliserede hjerne, for NTM.
      1. Registrer IFG som NTM mål.
         1. Klik på "Target" og tryk "Konfigurer mål". Markér IFG på vinduet viser hjernen krum. Detaljeret mål indstilling opnås ved at målrette hver tværgående og sagittale MR-billeder. Gem det punkt som "Trajectory".
      2. Registrer vartegn med emner hovedbunden.
         1. Klik på "Sessions" til kortlægning. Skabeen ny session ved at vælge "Online session" i den nye dropbox. A "Session 1" vinduet er oprettet, inden for hvilken standard-ikon er "Mål". Vælg målet navn gemte i trin 3.2.2.2. (Vælg "Trajectory 1"). Klik på knappen "Tilføj", og gå videre til næste trin.
         2. Klik på "Registrering". Dette trin er at matche den rekonstruerede hjerne krum med emnet. Den registrerede milepæl i trin 3.2.2.1. anvendes til tilpasning den anatomiske punkt med den virkelige anatomiske struktur.
         3. Kontroller, at kameraet identificerer både markøren og emnet tracker, der vises i grøn farve. Peger på motivets nasion med markøren. Klik på "Sample% Gå til Næste Landmark". Peg på fagets nasal tip og prøve det. Gentag, indtil alle fire vartegn er matchet.
   2. Placer spolen på F3 af 10-20 internationale EEG-system ⁷ for CTMS.
4. Se på skærmen for at sikre spolen er på det ønskede mål og opretholdes i hele NTM-procedure. Skærmen bør vise individets hjerne overflade, tilsigtede mål, og spolen, samt fejlområde som spolen bevæger sig væk fra målet vist ved plet (figur 8). Med henvisning til skærmen, operatøren justerer spolen på målet, når det bevæges væk.
   1. Udfør NTM over registrerede mål
      1. Klik på "Udfør" på skærmen efter registrering fagets vartegn som beskrevet i trin 5.3.1.1. For at ændre standardindstillingen for kameraet at registrere markøren, vælge spolen navn gemt under trin 3.2.3.1. i bunden af ​​den "Driver" dropbox. Kontroller, at kameraet identificerer både motivet tracker og spole tracker.
      2. Kontroller, at skærmen viser den relative afstand og vinkel TMS spole fra den registrerede mål (IFG). Hvis spolen bevæger sig væk fra målet, denafstand er markeret med rødt, mens det er markeret med grøn, når spolen er inden for det tilsigtede målområdet. Forsøge at få vinklen mellem spolen og målet som en plet så meget som muligt.
5. Drej skærmen væk fra brugeren for CTMS procedure blindt levere TMS. Spolen opretholdes som den var i begyndelsen af ​​sessionen.

6. Topograhic datafangst

1. Optag spole placering pr stimulation ved at trykke på "record" knappen manuelt på fjernbetjeningen.
2. Ved at registrere hver stimulation, erhverver Taliarach koordinater i x, y, z for den udpegede mål og faktiske stimuleret område.
3. Skildrer koordinaterne på en enkelt normaliseret hjerne ved hjælp af freeware billedbehandling program (MRIcro, http://www.mccauslandcenter.sc.edu/mricro/mricro/index.html).
4. Anskaf tilsvarende anatomiske områder i hjernen, herunder Brodmann området, gyrus, lobe, og halvkugle region etiketter til Talairach koordinater ved brug et freeware mærkning program (Talairachclient, http://www.talairach.org/client.html).

Representative Results

Kim et al. Demonstrerede en mere overlegen effekt af TMS med neuronavigational styringssystem sammenlignet med den ikke-flyves konventionelle metode med mindre dispersion af stimulus og mere fokal stimulation til højre M1 området, ⁸ som vist i figur 9. Yderligere bevis til støtte indarbejde det neuronavigational systemet med TMS demonstreres ved et randomiseret crossover eksperiment for at fremkalde virtuelle afasi hos raske forsøgspersoner ved at målrette Brodmann område 44 og 45 for NTM og F3 i den internationale 10-20 EEG system til CTMS. ⁹

Kim et al sammenlignede CTMS og NTM i 16 raske forsøgspersoner ved at følge foranstaltninger.; reaktionstid for et billede navngivning opgave målt før og efter hver session af stimulering, de gennemsnitlige Talairach space koordinater lokalisering af stimulation, og fejlen rækkevidde i forhold til målet ( 12) Figur 10 viser kun NTM inducerede en betydelig forsinkelse i reaktionstid i forhold til baseline, og større sammenhæng i lokalisering af stimulation med målet i demonstreret i figur 11 Figur 12 viser en smallere fejl interval i forhold til. målet for de NTM sammenlignet med CTMS.

Disse betydelige forskelle i NTM-gruppe blev induceret af den høje præcision af TMS puls levering til det tilsigtede mål ved at indsnævre afstanden mellem målet og spolen, når styret af neuronavigation, hvorved der produceres mere signifikante resultater sammenlignet med de for den konventionelle metode. Nøjagtige placering af spolen på målet er helt afgørende for at producere klinisk effektive resultater. Ovenstående resultater understøtter brug af neuronavigational vejledning, når de anvender rTMS.

Figur 1: Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) System og elektromyografi (EMG) Maskine at erhverve Resting Motor Threshold (RMT)
Right M1 område stimuleres med den aktive elektrode til venstre første dorsale interosseous muskler til at bestemme RMT Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2:.. Udstyr Indstilling for navigationssystemet Transkraniel magnetisk stimulation (TMS) stol, mobil kamera, og computerskærm med TMS-udstyr er inkluderet Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3:.. Forberedelse Materialer Billede af coil tracker, pointer, og subjektiv tracker Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4:. Kalibrering Block med Coil Tracker Dette tillader at programmet kan finde den relative position af transkraniel magnetisk stimulation (TMS) spole. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: Genopbygning ted Brain kurvelineært af Neuronavigation Program. Når hjernen magnetisk resonans MR-billeder overføres til neuronavigation program, er hjernen krum og hud rekonstrueret ved hjælp af anterior commissure (AC) og posterior commissure (PC). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6:.. Anatomiske Seværdigheder til Navigation Transcranial magnetisk stimulation (TMS) Anatomiske vartegn, nasion, nasal tip, og begge tragus er markeret ved hjælp af en pointer Klik her for at se en større version af dette tal.

45 / 53345fig7.jpg "/>
Figur 7:.. Transcranial magnetisk stimulation (TMS) Kortlægning ringere frontal gyrus for navigationen-guidede TMS (til venstre) og F3 for Den Internationale 10-20-systemet til konventionel TMS (til højre) er indstillet til at stimulere målet Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 8:. Neuronavigation Visning under Navigation-styrede Transcranial Magnetisk Stimulation (NTM) Screen viser individets hjerne overflade, tilsigtede mål, spole, og fejl rækkevidde. Klik her for at se en større version af dette tal.

ftp_upload / 53.345 / 53345fig9.jpg "/>
Figur 9:. Mindre Dispersion af Stimulus og mere Focal Stimulation med Navigation Sammenligning af ikke-navigeret konventionelle metode (til venstre) med navigations vejledning (til højre) viser mindre spredning af stimulus og mere omdrejningspunkt stimulation af retten M1 området ved hjælp af navigation -Guidede transkraniel magnetisk stimulation (NTM). Modificeret fra henvisning ^9. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10:. Sammenligning af evnen til at inducere Virtual Afasi mellem Navigation-vejledt Transcranial Magnetisk Stimulation (NTM) og konventionel TMS (CTMS) i 16 raske forsøgspersoner Mean billede navngivning tid (i ms) er signifikant forøget (p </em><0.001) med NTM mens ingen ændring er lavet med CTMS (p = 0,179) Bars repræsenterer gennemsnitlig reaktionstid med tilsvarende standardafvigelser. Modificeret fra henvisning ^9. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 11: Tegning af Mapping Area og Stimulation (n = 16). De områder stimuleret til den konventionelle metode (grøn) er mere udbredt med koordinaterne spredt mere opad i forhold til målet (rød) sammenlignet med dem af navigations metode (lilla). Modificeret fra henvisning ^9. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 12: Gennemsnitlig Error Ranges til Navigation-guided Transcranial Magnetisk Stimulation (NTM) og konventionel TMS (CTMS) (n = 16) Afstanden fra den faktiske stimulering stedet i forhold til målet er tættere med NTM end CTMS.. Fejlen interval er smallere for NTM end for CTMS. Søjler repræsenterer middelværdier og standardafvigelser. Modificeret fra henvisning ^9. Klik her for at se en større version af dette tal.

Tabel 1: Tre-dimensionelle T1-vægtet Magnetic Resonance Imaging (MRI) Parametre for denne undersøgelse

Discussion

TMS er meget udbredt både i klinisk praksis og grundforskning. ¹⁰ Værdifulde terapeutiske virkninger udbydes af fysiologisk påvirkning af rTMS, herunder en hæmmende neuromodulatory effekt på kortikal ophidselse med lavfrekvente rTMS til behandling af afasi. ¹¹ Forbigående forstyrrelse af neurale behandling eller virtuel læsionsdannelsen induceret af rTMS kan ændre adfærdsmæssige ydeevne. ¹² kan imidlertid ønskede effekt af rTMS fortyndes eller endda ikke forekomme med spolen malplaceret på målet. Mis-targeting mellem den oprindeligt tilsigtede mål og den faktiske stimuleret kortikale område kan opstår på grund af mindre forskelle i spole placering og orientering; dermed væsentlig påvirkning af magnetfeltet skabt i hjernen. ⁷ Derfor er sådanne kilder til variabilitet bør minimeres ved anvendelsen TMS, og levere magnetiske pulser nøjagtigt til den ønskede kortikale område er obligatorisk at levere den maksimale kliniske rTMS effect.

For at løse dette kritiske spørgsmål om problematisk spole placering på målet kortikale område, vedtage optisk spores rTMS ved hjælp af en neuronavigational system optimerer spole stabilitet. ¹³ neuronavigation program udnytter enkelte MR-billeder, og derved giver online visuel feedback af spolen positionering i forhold til målet område, hvilket tillader realtid justeringer i spolen position ved at korrigere den fejladresserede coil-head forhold. ^13. et fokuseret magnetfelt stimulation inden for en afstand af flere millimeter opnås på grund af den høje præcision af neuronavigation, muliggør mere stærke rTMS impulser at nå specifikke anatomiske strukturer.

Denne protokol tester effekten af ​​neuronavigation-guidede TMS på sproget funktion i form af reaktionstid til billedet navngivning ved at inducere virtuel afasi hos raske forsøgspersoner og sammenligne resultaterne med dem, der opnås fra den konventionelle TMS metoden ved hjælp af EEG vartegn og relatere resultaterne med det faktiske stimuleret område af hjernen, som hver metode.

Præcis mål bestemmelse er kritisk, fordi præcis stimulation af målet er garanteret, når brugen af ​​navigations-systemet er besluttet. I denne protokol, er mål for stimulering af IFG registreret på grundlag af anatomiske kortlægning af individuelle hjerne kortikale overflader, og dette kan afvige fra den for F3 for 10-20 EEG-systemet, svarende til Brodmann område 44 og 45, ^6, hvor F3 er mere posterior og overlegen i forhold til IFG, og stimulere IFG producerede betydelige virtuelle afasi, mens blind stimulering af F3 ikke gjorde ⁹ konsistensen af stimulation af den specifikke område af hjernen er maksimeret med navigationssystemet.; dermed øge de fysiologiske virkninger af rTMS. Disse resultater understøttes af de dramatiske ændringer i TMS-induceret ydeevne på grund af små ændringer i stimuleringen placering. ¹⁴

et al. (2014) har begrænsninger. Det udviste større hæmmende virkning hos raske forsøgspersoner ved at inducere betydelig virtuel læsionsdannelsen, men om det har samme befordrende effekt hos patienter med afasi er ikke blevet testet. Dette kan bekræftes ved at udføre denne protokol i faktiske patienter med afasi, såsom dem med post-takts afasi. Tale funktion er kunstigt undertrykt i normale emner for vores protokol, det skal lettes med forskellige frekvenser for patienter med afasi i hvem tale funktion allerede undertrykt. Også i erkendelse af IFG på hjernen overflade på anatomiske baser kan være ganske udfordrende som placering og konturer kan variere blandt fag.

Optisk spores neuronavigational systemet fremkalder mere dybtgående virtuelle læsioner end for den konventionelle ikke-neuronavigated metode. Denne protokol demonstrates at bruger NTM, sammenlignet med CTMS, kan producere mere robust Neuromodulation af Brocas område, som er afgørende for behandling af post-takts afatiske patienter.

Materials

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