Brain Stimulation | 朱朝喆团队基于曲面几何提出可快速手动测量的TMS线圈定位坐标系统，解决了临床精准定位难题
2022年6月9日，《Brain Stimulation》在线发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室朱朝喆课题组在经颅磁刺激（TMS）方面的最新研究成果。
经颅磁刺激（TMS）是目前脑功能障碍物理干预最重要的手段之一。TMS线圈放置的位置决定了哪块皮层受到刺激，因此对疗效的影响巨大。基于头颅表测量的方法，是临床上应用最为广泛的TMS线圈定位方法。比如，美国FDA批准的用来治疗抑郁症的5-cm定位方法。但5-cm定位方法没有考虑头部大小的个体间差异，从而引起实际刺激脑区的较大差异。因此，借助国际10-20系统辅助定位，逐渐被临床广泛采用。例如在F3放置线圈来治疗抑郁症，在T3P3连线中点治疗精分幻听等。然而，国际10-20系统只包含若干个稀疏分布的地标点位置，无法刻画线圈在个体颅表的任意可能位置（理论上这个数量是无穷的）。此外，国际10-20系统本身也缺乏对线圈朝向的描述能力。在临床应用时，若依据国际10-20系统原始的测量规则和顺序来严格手动测量定位，那么时间消耗不能满足临床需求。因此，临床亟需一个描述线圈位置与朝向的坐标系统。既能准确描述线圈在个体颅表上的任意可能放置的位置与朝向，又能通过手动的方式，快速而准确地测量每一个可能的线圈放置位置与朝向的对应坐标。
SGP位置定义：
SGP朝向θ定义：蓝色向量为零度方向。
为解决这个基础性问题，我们提出了一套全新的基于颅表几何参数的坐标空间（SGP坐标空间）。SGP坐标空间使用一对位置坐标（pNZ, pAL）来描述线圈位置s，用一个角度坐标θ来描述线圈朝向（如上图所示）。第一个坐标 0<pnz<1 代表前-后方向，值越小线圈位置越靠近鼻根。第二个坐标0<pal<1代表了左-右方向，值越小，代表线圈越靠近左耳前点。角度-180°<θ≤180°="" 定义为在切平面内，线圈手柄朝向与一个预设零方向之间的夹角。为临床方便测量和操作出发，零度朝向定义为切平面内，与中失面平行且指向后方的朝向。
由SGP坐标的定义可知，SGP坐标空间具有以下几个好的性质。（1）一一映射。当线圈放置在切平面内，中心接触头皮时（以确保能量衰减较小且易于放置），任意可能的线圈放置位置和朝向与SGP坐标空间构成一一映射。即，任意放置的线圈位置与朝向都可用三个数（pNZ, pAL,θ）来表示；反之，任意一组（pNZ, pAL,θ）都可以表达一个线圈放置结果。（2）可手动测量性。可手动测量是SGP坐标空间的一个独特优势。这使得任意放置的线圈位置与朝向坐标（pNZ, pAL,θ）都可以由手动测量而快速获得；而任意给定一个坐标（pNZ, pAL,θ），都能通过手动测量的方式，在个体颅表快速标记出来，以便实现这个坐标对应的线圈放置。我们的实验表明，对任意一个线圈位置坐标（pNZ, pAL）的手动测量约4.4分钟，测量误差为4.1mm，主试间和主试内的重测信度分别约为3.53mm 和4.72mm。测量一个朝向坐标θ，需要约0.63分钟，测量误差约为4.24°。（3）个体间一致性。SGP坐标空间的另一项优势是个体间的自然对应性。换句话说，同一个坐标 (pNZ, pAL, θ)所描述的线圈放置结果，在不同个体的具有对应性。这个优势源于SGP坐标空间的定义方式。
SGP参数(pNZ = 0.27, pAL = 0.26, θ = −45°)的手动测量流程（SGP颅表坐标系统手动测量教学视频：https://www.bilibili.com/video/BV173411u7Sn/）
上述优势使得SGP坐标空间在临床应用中存在极大的潜力。下面是我们正在开展的几项应用性研究：（1）在缺乏导航系统的情况下，实现个体化靶点的快速手动精准靶向。具体地，我们可以将个体化靶点（例如，个体fMRI激活峰值，个体静息态fMRI功能连接）对应的最近邻颅表点的（pNZ, pAL）坐标，在个体MRI图像上计算出来。此时我们便可以通过手动测量在个体颅表标记出该点作为线圈放置目标位置。（2）在缺乏个体结构MRI像以及神经导航系统的条件下，对以往脑成像研究得到的重要皮层靶点，实现快速手动精准靶向。例如，对于抑郁症治疗，DLPFC中与SGC负连接最强的位置（MNI坐标[-42，44，30]），是一个很有潜力的靶点。我们利用前期建立的群体颅-脑映射关系，可得到该MNI空间坐标对应的颅表坐标(pNZ=0.26, pAL=0.3)，从而可以通过手动测量在个体颅表标记出该坐标点作为线圈放置目标位置。（3）个体间的对应性使得我们在日常的临床TMS治疗中，不借助与导航系统，便可以通过手动测量并记录下实际治疗的线圈实际放置坐标(pNZ, pAL, θ)及其对应疗效，通过多中心、大病例数据的汇总，可得到TMS治疗图谱，用于获得最佳疗效线圈位置与朝向坐标。作为例子，下表给出了全部10-20点对应的SGP位置坐标（左）；以及几个最新研究中报道的基于脑网络方法得到的抑郁症左侧DLPFC靶点对应的SGP位置坐标（右）。
论文第一作者为课题组博士研究生蒋依涵，课题组陈缘缘、韦俐江、张宗等在研究中做出了贡献。国家重点实验室杜博琪老师和李征老师提供了宝贵的技术支持。实验室其他成员也参与了部分工作。该研究工作得到了国家自然科学基金(82071999和 61431002 )的支持。
论文链接：
Jiang, Y., Du, B., Chen, Y., Wei, L., Zhang, Z., Cao, Z., Xie, C., Li, Q., Cai, Z., Li, Z., & Zhu, C. (2022). A scalp-measurement based parameter space: Towards locating TMS coils in a clinically-friendly way. Brain Stimulation. https://doi.org/10.1016/j.brs.2022.06.001
颅表坐标手动测量教学视频：https://www.bilibili.com/video/BV173411u7Sn/
前期相关论文：
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2. Y Jiang, Z Li, Y Zhao, X Xiao, W Zhang, P Sun, Y Yang, C Zhu, Targeting brain functions from the scalp: Transcranial brain atlas based on large-scale fMRI data synthesis, NeuroImage 210, 116550,2020
3. Z Zhang, Z Li, X Xiao, Y Zhao, XN Zuo, C Zhu,Transcranial brain atlas for school-aged children and adolescents, Brain Stimulation 14 (4), 895-905,2021
4. Y Zhao, X Xiao, YH Jiang, PP Sun, Z Zhang, YL Gong, Z Li, CZ Zhu, Transcranial brain atlas‐based optimization for functional near‐infrared spectroscopy optode arrangement: Theory, algorithm, and application, Human brain mapping 42 (6), 1657-1669,2021
5. X Hou, Z Zhang, C Zhao, L Duan, Y Gong, Z Li, C Zhu, NIRS-KIT: a MATLAB toolbox for both resting-state and task fNIRS data analysis, Neurophotonics 8 (1), 010802,2021