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医海探弋,经颅磁刺激(TMS)定位技术的发展分析
专栏:应用研究
发布日期:2020-06-12
阅读量:477
作者:尧利书
经颅磁刺激技术(TMS)发展趋势:个体化、精准化、智能化...


随着经颅磁刺激技术(TMS)的快速发展,TMS治疗指南[1][2]、TMS安全指南[3]、TMS专家共识[4][5][6]等权威文件的发布,TMS的应用越来越规范化和标准化,但在临床和科研应用过程中,大家会发现,个体化、精准化、智能化也是TMS技术的发展趋势。


首先,人的大脑形态各异,受损的大脑更是千奇百怪,如何实现个体化的解剖定位一直是临床和科研的关注点;其次,在实施TMS过程中,一直困恼我们的问题有:TMS线圈首次难以精准定位、治疗过程中由于患者头部移动刺激容易脱靶,二次治疗难以重复第一次的刺激部位,这不但会对治疗效果产生直接影响,更关系到科研数据的客观性和可信度。


所以,今天就与大家分析一下TMS定位技术的发展,期待能为大家选择TMS定位方法提供一点参考。


为了方便理解,先上总图:



认识TMS1.0时代!


“TMS1.0时代”,顾名思义,属于TMS定位技术发展的初始阶段,在此时期,TMS定位方法处于一种粗放定位、人工操作状态。


> 脑功能区定位

业内人都知道,TMS技术的诞生标志是:1985年英国Barker教授在国际知名杂志《柳叶刀》上发表的一篇用TMS设备刺激原始运动皮层(M1区)引出运动诱发电位(MEP)的文章[7]


图1.1 Barker教授演示TMS设备


从流传的图片可以看到,Barker教授手持刺激线圈,在没有定位辅助工具的情况下进行了TMS治疗演示,猜测采用的可能为脑功能区定位法。


功能区定位是对功能明确、易于检测到靶区刺激效果的刺激部位进行定位,刺激M1区,在上下肢、面部很容易看到靶肌的抽动或者在靶肌上记录到MEP,还有在视觉区刺激出现光幻觉,刺激Broca区出现语言停顿等。


这种方法容易实现个体化,但对刺激反应不明显的脑区,如情绪、记忆的额叶刺激就不适用,因为情绪无法通过单次刺激来做出明显改变。


解剖学定位

大脑的结构是所有一切脑科学的基础,历年来研究的人也很多。TMS利用解剖学定位是根据大脑的常模确定大概的解剖结构及位置,常见的方法有国际脑电10-20系统定位和布罗德曼分区,这依赖操作者对大脑解剖知识的熟练掌握,是一种非个体化的定位方法。


而目前临床上TMS定位应用最多的是脑电10-20系统定位,这是借鉴脑电图的定位方法,该法简单易学易用[8],尤其是基于这种定位方法各TMS设备生产商都研制出了TMS定位帽,深受临床初学者的喜爱。


测量阈值主要是在红色区域(M1区)主管手部活动的运动皮质区域C3进行,其他相关疾病的治疗位点如图所示。


图1.2 依瑞德2012年根据脑电10-20系统研发的TMS定位帽


脑功能区+解剖学定位

前额叶背外侧区(DLPFC)是精神科治疗许多疾病的常选刺激部位,临床上常用手指(拇短展肌)M1区向前移动5cm来定位DLPFC,也可以用脑电10-20系统里的F3和F4分别定位左/右DLPFC。但每个人头颅大小不同,也没有考虑每个人解剖和功能变异的因素,不算个体化的刺激定位。


红外光学导航定位

无论是基于脑功能区定位确定一个部位,然后在此基础上寻找其他刺激部位,还是通过解剖学知识直接定位,实际上谁都无法保证刺激位置是准确的,因为整个刺激过程是一种“盲态”,无法看到到底刺激的是哪一处大脑皮层。


为了解决“盲态”问题,很早期就诞生了一种“可视化”的大脑皮层定位装置,这种装置初期是用于外科手术,后来引入TMS领域,该装置可以导入个体的MRI数据,重建3D头模,再采用红外光学摄像头和导光装置,通过人工操作将现实脑和3D头模进行匹配,将现实脑的空间位置转换到“可视化”的3D头模软件上,这样就实现了TMS首次精准定位的需求,并且对刺激线圈与头皮的距离和角度有了严格控制,定位准确性得以大幅提升[8],类似红外光学导航的还有一种磁导航产品(这里不详述,感兴趣可以网上查询)


但这种方法全程需要手持刺激线圈,而且每次使用都需重新标定,过程繁琐耗时。如果想实现精准治疗,需要在20分钟(每个TMS治疗方案不一样,可能时长也不一,暂且以平均的20分钟举例)的刺激时间里手持刺激线圈一动不动的站在受试者旁边,就问操作者你累不累?崩溃不崩溃?如果受试者头部移动,我想操作者更奔溃,因为需要中断治疗,重新手动调整定位。


基于上述情况,这种定位方法是不适用于临床治疗的,所以仅在科研文章里见到过,应该说这种方法无法解决治疗过程中头部移动脱靶这个难题。


随动支架

办法总比困难多,为了解决过程中不脱靶的难题,依瑞德公司早在2015年就在已有纯机械式线圈支架(用于在重复刺激时固定刺激线圈的装置)的基础上研发出了一款随动支架。


图1.3  2015年依瑞德研发的随动支架


随动支架的特点如下:

①三轴一体化的机械臂,可实现180°全方位定位;

②感应支架可随头部移动,始终刺激到相应靶点;

③可调节式座椅,提高患者舒适度。


随动支架在某种意义上解决了患者在治疗过程中头部移动及舒适性问题,貌似可以解决红外光学导航治疗过程中不能跟随的问题。


但是,经过临床应用发现,如果头部稍微偏移或者活动幅度较小,支架很难识别这种微小变化而无法进行跟随,由于敏感性不够,只能解决治疗过程中粗略的靶点跟随。


随动支架的基础定位方法还是前面提到的脑功能区或解剖学定位,无法从根本上满足精准定位的需求,也无法保证二次定位的重复性,因此随动支架并不能满足TMS精准定位的需求,临床上实用性不强,也没有大力推广。


基于TMS1.0时代的局限,我们迫切的需要一种更为成熟和先进的定位技术的出现——


迎来TMS2.0时代!


代替人工的是机械,目前被称为“机器人”,只要确定规则,机器就会精细化的执行命令,大大提高了定位的精准度和智能度,机器的精准关键因素在标定环节。在精准智能的TMS2.0时代,目前具有代表性的技术路线有两种。


一是在TMS1.0时代光学导航产品的基础上,增加智能机械臂,用机械臂代替人握持刺激线圈,可以实现治疗过程中智能跟随[8]


但这种基于红外光学引导的技术路线,由于首次定位仍需人工选择,对操作者专业要求高;重建的3D头模与现实脑的匹配都需要很繁琐的操作流程,大大降低了工作效率,使其在临床与科研方面使用严重受限。


图2.1需要重新标定的红外光学导航机器人


另一种是2019年武汉依瑞德联合资联虹康推出的阿米磁刺激智能机器人系统(后称“阿米机器人”),这是一款全球首创的,基于机器视觉识别的TMS专用定位系统,完美且高效地实现了首次定位精准性、过程中智能跟随和二次精准重复功能,完成了TMS定位史上一次质的飞跃,完全有潜力引领临床和科研TMS应用从粗放定位的1.0时代跨入精准智能定位的2.0时代。


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图2.2  2019年依瑞德&资联虹康企业管理集团推出的阿米机器人


- 高效 -

阿米机器人通过多维度机械臂握持刺激线圈和位置传感器,省去了手持线圈定位的繁琐,解放了操作者的双手,全程智能化的快速识别和执行能力,大大提升了工作效率,为临床和科研的同时应用创造了先天条件。


- 精准 -

阿米机器人可导入患者的MRI数据,系统自动建立患者的个体化3D头模,通过机器视觉识别系统,将现实脑和3D头模之间的进行快速智能匹配,精准且高效,将有颅骨和头发覆盖的大脑皮层“可视化”为个体的3D头模,真正实现个体化、可视化操作,快速实现首次精准定位。


- 智能跟随 -

机器人具有靶点记忆和灵敏的位置识别系统,可以快速识别患者头部的位置变化,实现治疗过程中的靶点跟随保证不脱靶和二次精准重复,为精准智能化TMS的实现提供了可能,为科研成果的可信度和科学性提供了保障。


图2.3 阿米机器人的临床应用


阿米机器人超越红外光学导航和第一种技术路线的突出表现有:


①阿米机器人可以实现预先设置刺激点,无需操作者手动探索选靶点,降低了操作者对解剖知识的要求和探索选点的操作误差,而红外光学导航和第一种技术路线都需要人工选点,增加了人工误差。


②阿米机器人可以快速智能地将现实脑与3D头模之间进行匹配,高效且准确,而红外光学导航和第一种技术路线都需要人工匹配,容易造成操作误差。


③阿米机器人每次使用都是通过机器视觉识别快速标定,高效省时而且准确,而红外光学导航和第一种技术路线每次需要重新标定,操作繁琐,且容易引入新的误差。


④阿米机器人可以实现治疗中的靶点锁定,实现智能跟随,但红外光学导航不能实现智能跟随。


⑤阿米机器人具有靶点记忆功能,可以快速精准实现二次重复定位,而红外光学导航虽有靶点记忆,但需人工复位,很精准的参数需要人手复位,想想都很难做到。


总之,阿米机器人是充分整合个体的头面部信息、大脑头皮外形、患者个体化的MRI数据等三方面的定量信息,并结合刺激靶点与刺激线圈表面中心锁定的距离和角度,可一键式快速(仅需10s)精准重复定位;治疗过程中保证刺激线圈全程跟随靶点,确保治疗过程连续性,大大减少了操作的繁琐和误差,从理论和实践证实,阿米机器人的诞生是TMS定位技术跨时代的飞跃。


在安全性方面,阿米机器人拥有多重安全防护措施,如急停按钮,防碰撞检测传感器和智能算法,可确保治疗过程安全,无隐患,是当前TMS临床应用及科研必不可少的配套利器。


展望TMS 3.0时代!


我们看的更远,是因为我们站在巨人的肩膀上!在TMS 2.0时代的基础上,我们期待,未来的TMS通过扫描大脑即可发现病灶与功能障碍,同时智能匹配个体化的检测指标,快速确定最优的个体化治疗方案,以实现患者获得更受益的TMS治疗,让患者踏上康复的快车道!


  参考文献
[1] Jean-Pascal Lefaucheur, Nathalie André-Obadia,et al.Evidence-based guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS).Clinical Neurophysiology 125 (2014) 2150–2206.
[2] J.-P. Lefaucheur, A. Aleman, C. Baeken, et al. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS): An update (2014–2018). Clinical Neurophysiology,2019.
[3] Rossi S, Hallett M, Rossini PM, et al. Safety, ethical considerations and   application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research . Clin Neurophysiol, 2009, 120(12): 2008-2039.
[4] Perera Tarique,George Mark S,Grammer Geoffrey et al.The Clinical TMS Society Consensus Review and Treatment Recommendations for TMS Therapy for Major Depressive Disorder.[J] .Brain Stimul, 2016, 9:336-346.
[5] Mcclintock S M , Reti I M , Carpenter L L ,et al.Consensus Recommendations for the Clinical Application of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) in the Treatment of Depression.Journal of Clinical Psychiatry, 2017,79(1).
[6] 中国医师协会神经调控专业委员会电休克与神经刺激学组.重复经颅磁刺激治疗专家共识[J].转化医学杂志,2018,7(1):4-9.
[7] A T Barker , R Jalinous ,I L Freeston .Non-invasive Magnetic Stimulation of Human Motor Cortex.Lancet.1985,11;1(8437):1106-7.
[8] 王学义,陆林等.经颅磁刺激与神经精神疾病[M].北京大学医学出版社,2014,44-47.
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以上内容由依瑞德临床医学中心翻译整理,有不足之处请指正,转载请注明出处。



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