Summary
Presentato qui è un protocollo per ottenere una maggiore precisione nella determinazione della posizione di stimolazione che combina un digitalizzatore 3D con stimolazione ad alta definizione della corrente diretta transcranica.
Abstract
L'abbondanza di dati di neuroimaging e il rapido sviluppo dell'apprendimento automatico hanno reso possibile l'analisi dei modelli di attivazione del cervello. Tuttavia, prova causale di attivazione dell'area cerebrale che porta a un comportamento è spesso lasciato mancante. La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS), che può alterare temporaneamente l'eccitabilità e l'attività corticale del cervello, è uno strumento neurofisiologico non invasivo utilizzato per studiare le relazioni causali nel cervello umano. La stimolazione a corrente diretta transcranica ad alta definizione (HD-tDCS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva (NIBS) che produce una corrente più focale rispetto al tDCS convenzionale. Tradizionalmente, la posizione di stimolazione è stata determinata approssimativamente attraverso il sistema EEG 10-20, perché determinare punti di stimolazione precisi può essere difficile. Questo protocollo utilizza un digitalizzatore 3D con HD-tDCS per aumentare la precisione nella determinazione dei punti di stimolazione. Il metodo è dimostrato utilizzando un digitalizzatore 3D per una localizzazione più accurata dei punti di stimolazione nella giunzione temporo-parietale destra (rTPJ).
Introduction
La stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) è una tecnica non invasiva che modula l'eccitabilità corticale con deboli correnti dirette sul cuoio capelluto. Ha lo scopo di stabilire la causalità tra eccitabilità neurale e comportamento in esseri umani sani1,2,3. Inoltre, come strumento di neuroriabilitazione motoria, tDCS è ampiamente utilizzato nel trattamento del morbo di Parkinson, ictus, e paralisi cerebrale4. Le evidenze esistenti suggeriscono che il tDCS tradizionale basato su pad produce un flusso di corrente attraverso una regione cerebrale relativamente più grande5,6,7. Stimolazione a corrente diretta transcranica ad alta definizione (HD-tDCS), con l'elettrodo dell'anello centrale seduto su una regione corticale bersaglio circondata da quattro elettrodi di ritorno8,9, aumenta la focalità circoscrivendo quattro aree ad anello5,10. Inoltre, i cambiamenti nell'eccitabilità del cervello indotti dalla MH-tDCS hanno dimensioni significativamente maggiori e durate più lunghe rispetto a quelle generate dai tradizionali tDCS7,11. Pertanto, HD-tDCS è ampiamente utilizzato nella ricerca7,11.
La stimolazione cerebrale non invasiva (NIBS) richiede metodi specializzati per garantire la presenza di un sito di stimolazione nei sistemi MNI e Talairach standard12. La neuronavigazione è una tecnica che consente di mappare le interazioni tra gli stimoli transcranici e il cervello umano. La sua visualizzazione e i dati immagine 3D vengono utilizzati per una stimolazione precisa. Sia in tDCS che in HD-tDCS, una valutazione comune dei siti di stimolazione sul cuoio capelluto è in genere il sistema EEG 10-2013,14. Questa misura è ampiamente utilizzata per posizionare i tamponi tDCS e i supporti optode per la spettroscopia funzionale vicino all'infrarosso (fNIRS) nella fase iniziale13,14,15.
Determinare i punti di stimolazione precisi quando si utilizza il sistema 10-20 può essere difficile (ad esempio, nella giunzione temporo-parietale [TPJ]). Il modo migliore per risolvere questo problema è quello di ottenere immagini strutturali dai partecipanti utilizzando la risonanza magnetica (MRI), quindi ottenere l'esatta posizione della sonda abbinando i punti di destinazione alle loro immagini strutturali utilizzando prodotti di digitalizzazione15. La RM fornisce una buona risoluzione spaziale, ma è costoso da usare15,16,17. Inoltre, alcuni partecipanti (ad esempio, quelli con impianti metallici, persone claustrofobiche, donne incinte, ecc.) non possono essere sottoposti a scanner MRI. Pertanto, c'è una forte necessità di un modo conveniente ed efficiente per superare i limiti di cui sopra e aumentare la precisione nel determinare i punti di stimolazione.
Questo protocollo utilizza un digitalizzatore 3D per superare queste limitazioni. Rispetto alla risonanza magnetica, i principali vantaggi di un digitalizzatore 3D sono i costi bassi, la semplice applicazione e la portabilità. Combina cinque punti di riferimento (ad esempio, Cz, Fpz, Oz, punto preauricolare sinistro e punto preauricolare destro) di individui con informazioni sulla posizione dei punti di stimolazione bersaglio. Quindi, produce una posizione 3D di elettrodi sulla testa del soggetto e stima le loro posizioni corticali adattandosi ai vasti dati dell'immagine strutturale12,15. Questo metodo di registrazione probabilistica consente la presentazione dei dati di mappatura transcranica nel sistema di coordinate MNI senza registrare le immagini di risonanza magnetica di un soggetto. L'approccio genera etichette anatomiche automatiche e aree Brodmann11.
Il digitalizzatore 3D, utilizzato per contrassegnare le coordinate dello spazio in base ai dati delle immagini strutturali, è stato utilizzato per la prima volta per determinare la posizione delle optodi nella ricerca fNIRS18. Per coloro che utilizzano HD-tDCS, un digitalizzatore 3D rompe i punti di stimolazione finiti del sistema EEG 10-20. La distanza dei quattro elettrodi di ritorno e dell'elettrodo centrale è flessibile e può essere regolata in base alle esigenze. Quando si utilizza il digitalizzatore 3D con questo protocollo, sono state ottenute le coordinate del rTPJ, che è oltre il sistema 10-20. Sono mostrate anche le procedure per indirizzare e stimolare la giusta giunzione temporo-parietale (rTPJ) del cervello umano.
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Protocol
Il protocollo soddisfa le linee guida dell'Institutional Review Board della Southwest University.
1. Determinazione della posizione della stimolazione
- Rivedere la letteratura e confermare la posizione di stimolazione (qui, il rTPJ)19,20,21.
2. Preparazione dell'elettrodo Holding Cap
NOTA: nella Figura 1sono riportati i passaggi seguenti.
- Assicurarsi che tutti i materiali necessari siano prontamente disponibili: il digitalizzatore 3D (Figura 2), il nastro di misurazione standard, una penna di marcatura, la forma della testa e una cuffia.
- Posizionare il tappo sulla testata e contrassegnare i punti sul tappo.
- Localizzare il vertice (Cz). A tale scopo, contrassegnare innanzitutto il punto medio della distanza tra la nasion e l'inion utilizzando unmarcatoredi pelle 13,14,22. Quindi, misurare la distanza tra i punti pre-auricolari e segnare il punto medio. Il punto in cui entrambi i punti si intersecano è il Cz.
- Controllare la posizione dell'elettrodo centrale e gli elettrodi di ritorno. Qui, la stimolazione è stata applicata su rTPJ. Il rTPJ corrisponde approssimativamente al punto medio tra CP6 e P6 nel sistema 10-10 EEG19,20,21.
- Trova CP6 e P622,23,24,25. Secondo i requisiti proporzionali del sistema 10-10, individuare la posizione approssimativa del rTPJ sul cuoio capelluto e contrassegnarlo sul tappo.
- Regolare il raggio dei quattro elettrodi di ritorno in base agli obiettivi11,14,26. Dopo questa decisione, contrassegnare l'elettrodo centrale e restituire le posizioni degli elettrodi sul tappo.
3. Misurazione del Digitalizzatore 3D
- Eseguire la scansione con lo scanner metallico per garantire che l'ambiente per il digitalizzatore 3D sia privo di metalli.
- Posizionamento del tappo sulla testa del soggetto
- Assicurarsi che i riferimenti (Cz, Fpz, Oz, punto preauricolare sinistro e punto preauricolare destro) sul tappo si allineino con il sistema internazionale 10-10 per la posizione del cuoio capelluto22. Ad esempio, localizzare il vertice (Cz) sul cuoio capelluto e posizionare il cappuccio sulla testa del soggetto, allineando Cz del cappuccio ai soggetti.
- Disposizione dell'apparecchiatura del digitalizzatore 3D
- Collegare il digitalizzatore 3D al computer utilizzando l'interfaccia USB (Universal Serial Bus) e assicurarsi che il software del digitalizzatore sia disponibile e pronto27.
- Mettere la sorgente davanti al soggetto e fissare la corda elastica del sensore intorno alla testa. È importante sottolineare che né la sorgente né il sensore si muovano durante la misurazione del digitalizzatore 3D.
NOTA: La sorgente è un trasmettitore magnetico che emette un campo elettromagnetico del dipolo. Il sensore è un ricevitore che rileva il campo. - Aprire il software del digitalizzatore sul computer e assicurarsi che il sistema di digitalizzatore 3D comunichi con il software.
- Verificare l'accuratezza dello stilo. Trova una lunghezza di 10 cm sul righello e registra la graduazione zero e la dieci, rispettivamente, utilizzando lo stilo.
NOTA: La distanza di misurazione tra i due punti di registrazione del digitalizzatore 3D deve essere catturata. Confrontare l'errore con la lettura dal tracker 3D. - Selezionare l'icona Nuovo e creare un nuovo file dell'oggetto. Selezionare la casella Sessioni, quindi Riferimento.
NOTA: Utilizzando lo stilo del digitalizzatore 3D, i dati sulla posizione di riferimento (Cz, inion, nasion, left ear, right ear) del soggetto vengono raccolti in base ai prompt del software. - Per soddisfare i requisiti degli esperimenti fNIRS, utilizzare le opzioni Trasmettitore, Rilevatore e Canale. Raccogliere i dati di posizione dell'elettrodo centrale e quattro elettrodi di ritorno 3x per il trasmettitore, il rilevatore e il canale, al fine di ridurre l'errore. Assicurarsi che cinque elettrodi siano numerati e localizzare a turno.
- Salvare i tre file generati.
4. Conversione dei dati e registrazione spaziale
- Selezionare i tre file nel NIRS-SPM per ottenere la registrazione delle coordinate reali nello spazio MNI28. Affine trasformano i punti di riferimento e cinque punti di elettrodo nei partecipanti ai punti corrispondenti in ogni voce in base al database MRI nello spazio MNI.
- Registrare i dati nelle etichette automatiche anatomiche e nelle aree Brodmann e registrare le informazioni spaziali dei cinque punti di elettrodo in entrambi questi elementi.
- Confrontare le coordinate della stimolazione nella ricerca precedente con le coordinate ottenute20,29.
- Fare un piccolo taglio allineato ai cinque punti segnati sul tappo, in modo che l'involucro di plastica sia incorporato comodamente nel tappo.
5. Stimolazione
- Assicurarsi che il partecipante non abbia controindicazioni (cioè storia di disturbi neurologici o psichiatrici) per la MH-tDCS1,3 e che abbia fornito il consenso informato scritto prima dello studio (compresa la stimolazione HD-tDCS).
- Per l'installazione dei dispositivi, assicurarsi che tutti i materiali necessari siano disponibili (Figura 3). Installare il dispositivo come descritto nella letteratura pubblicata14. Di seguito è riportata una breve descrizione.
- Installare le batterie e verificare che siano caricate.
- Collegare il tradizionale tDCS e l'adattatore di stimolazione 4x1.
- Collegare i cavi di cinque elettrodi ad anello sinterizzati Ag/AgCI ai ricevitori corrispondenti sul cavo di uscita dell'adattatore 4x1.
- Verificare che tutti i materiali siano collegati correttamente.
- Misurare la testa del partecipante e posizionare il tappo sulla testa.
- Incorporare i cinque involucri HD di plastica nella cuffia.
- Localizzare Cz, Fpz e Oz del soggetto13,14. Regolare il riferimento sul tappo per allinearlo con il sistema internazionale 10-10 per le posizioni del cuoio capelluto22. Una volta che il tappo è in posizione, assicurarsi che non si muova.
- Raccogliere i dati di posizione delle aree cerebrali stimolate utilizzando il digitalizzatore 3D. Apportare le regolazioni corrispondenti in base ai dati generati.
- Coprire la superficie del cuoio capelluto con gel conduttivo elettricamente. In primo luogo, separare con attenzione i capelli attraverso l'apertura dell'involucro di plastica utilizzando l'estremità di una siringa di plastica, fino a quando il cuoio capelluto è esposto. Quindi, coprire il cuoio capelluto esposto con il gel conduttivo elettricamente attraverso l'apertura dell'involucro di plastica sulla superficie del cuoio capelluto.
- Impostare i parametri del dispositivo tDCS: valore di qualità, durata dello stimolo, intensità e impostazione della condizione.
- Accendere l'adattatore di stimolazione multicanale 4x1.
- Assicurarsi che l'impostazione predefinita sia SCAN, che mostra l'impedimento di un elettrodo alla volta nella finestra del display scansionando gli elettrodi14,30,31. Qui, l'impedibile è descritto come "valore di qualità". I valori inferiori a 1,5 indicano una qualità sufficiente14,30,31. In questo caso, i valori erano inferiori a 1.
NOTA: Se il valore di impedimento supera i limiti richiesti, aprire il tappo dell'involucro di plastica con grande impedimento e regolare i capelli e l'elettrodo per ottenere il valore di impedimento desiderato. - Premere il pulsante "MODE SELECT" e passare da "SCAN" a "PASS", dopo che i valori di impedito sono accettabili.
- Selezionare il centro-anodo o il ctodo centrale premendo il pulsante "POLARITY". "CENTRAL ANODE" è l'impostazione predefinita.
- Regolare le impostazioni del dispositivo tDCS convenzionale per includere la durata dello stimolo (min), l'intensità (mA) e l'impostazione delle condizioni fittizie. In questo caso, la stimolazione attiva anodale era di 1,5 mA, e lo stimolo è durato 20 min. Quindi, spingere la leva "RELAX" per passare alla corrente piena.
- Una volta che tutto è impostato, avviare la stimolazione. Premere il pulsante "START", e l'intensità DC aumenterà fino a raggiungere la corrente di destinazione. Il timer mostrerà quindi il tempo rimanente.
NOTA: Alcuni partecipanti potrebbero sentirsi a disagio durante i periodi di maggiore intensità DC. In questi casi, la corrente può essere moderatamente ridotta leggermente per alcuni secondi tirando giù la leva "RELAX". Quindi, spingere la barra dolly a piena corrente, gradualmente, quando i partecipanti si sentono di nuovo a proprio agio.
6. Post-stimolazione
- Quando la stimolazione è finita, ruotare lentamente la leva per regolare la corrente a zero prima di spegnere l'alimentazione. In caso contrario, i partecipanti possono percepire sensazione di pungiglione o vertigini quando si spegne direttamente l'alimentazione.
- Dopo la stimolazione, aprire il tappo di plastica e rimuovere gli elettrodi ad anello sinterizzati Ag/AgCI dall'involucro.
- Rimuovere la cuffia e pulire i materiali. Fornire ai partecipanti gli strumenti per pulire i capelli.
- Chiedere ai partecipanti di compilare un questionario dopo ogni sessione di stimolazione, se necessario (ad esempio, per misurare gli effetti negativi dello screening in seguito all'HD-tDCS, la tolleranza dei partecipanti alla stimolazione cerebrale, ecc.; vedere File supplementare).
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Representative Results
Utilizzando i metodi presentati, sono state determinate le coordinate del rTPJ, che richiede punti di stimolazione oltre il sistema 10-20. In primo luogo, la circonferenza della testa dovrebbe essere simile alla testa effettiva. Qui, la lunghezza della nasion a inion della testa era di 36 cm, e la lunghezza tra il preapicolare bilaterale era di 37 cm.
I passaggi per la produzione del tappo dell'elettrodo guidano le posizioni di misurazione del sistema 10-20. Qui sono stati determinati Nz, Iz, Cz, Fpz, Oz, Pz, T8, T7, C4, P8, O2, P4, C6, P6 e CP6. La posizione approssimativa del RTPJ (circa il punto medio tra CP6 e P6) è stata trovata sul cuoio capelluto. La distanza tra gli elettrodi centrali e periferici deve essere regolata in base a obiettivi sperimentali. Ricerche precedenti hanno ottenuto valori di raggio che vanno da 3,5 a 7,5 cm11,14,30. Con diversi valori di raggio, l'intensità e la durata della stimolazione DC possono generare diversi punti di forza del campo elettrico. In questo protocollo, la distanza tra tutti gli elettrodi di ritorno e l'elettrodo attivo centrale è stata fissata a 3,5 cm.
Sono stati mantenuti diversi punti di riferimento importanti sulla cuffia, tra cui Fpz, Cz, Oz, T8 e C4. Il vertice sul cuoio capelluto si trovava prima della stimolazione, ed è fondamentale che il punto Cz sul cappuccio si allinei esattamente con il vertice. Una volta che il tappo è in posizione, il tappo non deve muoversi. Sono stati ottenuti un file .mat e due file .csv dopo la digitalizzazione (cioè sub01_origin.csv, che includeva le informazioni sulle coordinate del riferimento [con il numero soggetto 01]), mentre sub01_others.csv includevano le informazioni sulle coordinate dei cinque punti [con oggetto numero 01)].
Tre file .txt sono stati ottenuti dopo la conversione dei dati e la registrazione spaziale. Nel software digitalizzatore, ci sono trasmettitore, rilevatore (ricevitore) e opzioni di canale per soddisfare i requisiti degli esperimenti fNIRS. I dati delle coordinate del trasmettitore, del rilevatore o del canale devono essere gli stessi. Tuttavia, possono verificarsi piccoli errori di funzionamento, a causa delle abilità del personale di laboratorio, del gesto di tenuta della penna, ecc.
Utilizzando la funzione di registrazione autonoma NIRS-SPM, la funzione di registrazione spaziale genera le coordinate MNI. I numeri nella prima riga della tabella 1 rappresentano l'ordine nel digitalizzatore. In questo protocollo, i dati del numero cinque sono le informazioni di posizione sull'elettrodo centrale. Nelle aree di Brodmann (BA), l'etichetta anatomica e il suo numero sono stati ottenuti. Il numero dopo ogni riga indica la percentuale di sovrapposizione. Nelle etichette anatomiche automatiche (AAL), sono state ottenute l'etichetta anatomica e la percentuale di sovrapposizione. Per ridurre gli errori di misurazione, è stato calcolato il valore medio di tre punti dati dalle coordinate MNI finali dei cinque elettrodi. Per quanto riguarda AAL e BA, il valore rappresenta una percentuale di sovrapposizione con la corteccia cerebrale. Tutte le possibilità sono state combinate in dati finali (Tabella 1).
In base ai dati delle coordinate MNI, AAL e BA, se la differenza tra il valore e il valore di destinazione è troppo grande, la cuffia deve essere regolata in base alla posizione relativa dei valori effettivi di X, Y, , e del valore di destinazione, come spiegato nelle sezioni 2–411,14,30,31.
Figura 1: Passi per la creazione del tappo dell'elettrodo di tenuta. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: digitalizzatore 3D. Il digitalizzatore 3D è una soluzione conveniente per la digitalizzazione 3D. Si tratta di un tracker di movimento a doppio sensore. La sorgente è un trasmettitore magnetico che emette un campo elettromagnetico del dipolo. Il sensore è un ricevitore che rileva il campo. Lo stilo consente di individuare con precisione i punti dati X, Y e . La casella di controllo si connette al computer e trasferisce i dati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Materiali necessari per la stimolazione. Questi materiali includono un dispositivo tDCS, un adattatore di stimolazione multicanale 4x1, quattro batterie da 9 V, cinque elettrodi ad anello di sodio Ag/AgCI, cinque involucri in plastica HD e le rispettive tappi, gel conduttivo elettricamente, una siringa, un metro a nastro standard e una cuffia da bagno. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1: Localizzazione delle stimolazioni nell'area del cervello. Fare clic qui per visualizzare questa tabella (fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare).
File supplementare. Fare clic qui per visualizzare questo file (fare clic con il pulsante destro del mouse per scaricare).
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Discussion
Rispetto al tDCS tradizionale, HD-tDCS aumenta la focalità della stimolazione. I tipici siti di stimolazione sono spesso basati sul sistema EEG 10-20. Tuttavia, determinare i punti di stimolazione precisi al di là di questo sistema può essere difficile. Questo documento combina un digitalizzatore 3D con HD-tDCS per determinare i punti di stimolazione oltre il sistema 10-20. È importante definire chiaramente i passi e le precauzioni per la realizzazione e l'utilizzo del tappo dell'elettrodo in tali casi.
In generale, la posizione delle aree di stimolazione bersaglio è derivata dai risultati di precedenti studi di imaging cerebrale e la posizione delle aree di stimolazione su 10-20 coordinate internazionali o MNI possono essere ottenute. I passaggi per la creazione della guida del tappo dell'elettrodo per misurare le posizioni del sistema 10-20 sono fondamentali. È fondamentale che il riferimento sul tappo si allinei con il sistema internazionale 10-20 per le posizioni del cuoio capelluto quando si posiziona il tappo sulla testa. Una volta che il digitalizzatore 3D inizia a funzionare, la sorgente e il sensore non dovrebbero muoversi, o causerà la deviazione dei dati.
Nel software, i punti di riferimento sono sul cuoio capelluto e non sul tappo, a meno che tutti i punti di riferimento del cuoio capelluto e del cappuccio siano corrispondenti. Se l'errore tra i risultati misurati e i valori di destinazione non è compreso nell'intervallo accettabile, la posizione dei punti contrassegnati deve essere leggermente regolata. Dopo la regolazione, le misurazioni devono essere effettuate di nuovo. Una volta che gli utenti premono il pulsante "MODE SELECT" e passano da "SCAN" a "PASS", la corrente inizierà a passare dal dispositivo tDCS convenzionale attraverso gli elettrodi nell'adattatore di stimolazione multicanale 4x1.
Il tappo di registrazione dell'elettroencefalogramma modulare fornisce posizioni fisse delle sonde. Tuttavia, determinare i punti di stimolazione precisi al di là di questo sistema può essere difficile. Le posizioni degli elettrodi oltre il sistema 10-20 possono essere determinate utilizzando il protocollo descritto, così come le coordinate dei punti di stimolazione. L'impostazione del raggio dovrebbe essere basata sugli obiettivi sperimentali. Utilizzando il metodo qui descritto, il raggio dei quattro elettrodi di ritorno e dell'elettrodo centrale può essere regolato in modo flessibile.
Ci sono molti pacchetti software digitalizzatori (ad esempio, il software Brainstorm per un compito fNIRS; qui, il software Vpen è stato utilizzato)15. Diversi pacchetti software di raccolta dati enfatizzano diverse funzioni e dovrebbero essere selezionati in base alla domanda di ricerca. La circonferenza della testa varia tra gli individui; quindi, utilizzando lo stesso tappo può produrre errori. Tuttavia, anche il tappo di registrazione dell'elettroencefalogramma modulare soffre di questo problema.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo studio è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China (31972906), Entrepreneurship and Innovation Program for Chongqing Overseas Returned Scholars (cx2017049), National Research Funds for Central Universities (SWU1809003), Open Research Fund of the Key Laboratory of Mental Health, Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences (KLMH2019K05), Research Innovation Projects of Graduate Student in Chongqing (CYS19117) e i Fondi del Programma di Ricerca dell'Innovazione Collaborativa Centro di valutazione per la qualità dell'istruzione di base presso l'Università Normale di Pechino (2016-06-014-B-K01, SCSM-2016A2-15003 e JCXQ-C-LA-1). Ringraziamo il professor Ofir Turel per i suoi suggerimenti sulla prima bozza di questo manoscritto.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1X1 Low Intensity transcranial DC Stimulator | Soterix Medical | 1300A | |
| 3-dimensional Polhemus-Patriot Digitizer | POLHEMUS | 1A0453-001 | PATRIOT system component |
| 4X1 Multi-Channel Stimulation Interface | Soterix Medical | 4X1-C3 | |
| Dell desktop computer | Dell | CRFC4J2 | Master computer to run 3D digitizer application |
References
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