[論文レビュー] Open-source neuronavigation for multimodal non-invasive brain stimulation using 3D Slicer

Frank Preiswerk, Spencer T. Brinker+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2019

Neurological disorders and treatments被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、3D SlicerとPlus Toolkitを用いた、マルチモodal非侵襲的脳刺激のためのオープンソースでカスタマイズ可能なニューロナビゲーションシステムを提示する。このシステムは、患者特異のMRIに対するトランスデューサーおよびスタイラス位置のリアルタイム追跡を可能にし、空間的精度が0.93 mm（等方的）に達する。また、事前設定済みのシーンファイルと詳細なマニュアルを提供することで、臨床的および研究的現場での採用を促進し、再現性を確保する。

ABSTRACT

In recent years, non-invasive neuro-modulation methods such as Focused Ultrasound (FUS) have gained popularity. The aim of this work is to introduce the use of existing open-source technology for surgical navigation to the field of multimodal non-invasive brain stimulation. Unlike homegrown and commercial systems, the use of well-documented, well maintained, and freely available open-source components minimizes the learning curve, maximizes technology transfer outcome, and fosters reproducible science for complex, guided neuromodulation systems. The described system significantly lowers the entry bar to clinical research and experimentation in the field of non-invasive brain stimulation. Our contribution is two-fold. First, a high-level overview of the components of the descried system is given in this manuscript. Second, all files are made available online, with a comprehensive step-by-step manual, quickly allowing researchers to build a custom system. A spatial accuracy of 0.93 mm was found through validation using a robotic positioning system.

研究の動機と目的

• 研究分野における非侵襲的脳刺激（NIBS）のための、アクセス可能で再現可能かつカスタマイズ可能なニューロナビゲーションシステムの不足を解消すること。
• 特に、焦点を当てた超音波を用いた頭部刺激（tFUS）のような新興モダリティを対象とした、研究者が独自のNIBSシステムを開発する際の技術的・学習的障壁を低減すること。
• 特許権または自作システムに代わる、文書化が十分に行われたオープンソースのソフトウェアコンポONENTを採用することで、再現可能な科学を促進すること。
• 事前設定済みの3D Slicerシーンと包括的なステップバイステップマニュアルを用いることで、ニューロナビゲーションシステムの迅速な展開を可能にすること。
• 臨床的および実験的ニューロモデュレーションに適した低コストでオープンソースのナビゲーションセットアップの空間的精度を検証すること。

提案手法

• 本システムは、画像の可視化および処理の中心的なソフトウェアフレームワークとして3D Slicer（v4.8.0）を、複数のツールのリアルタイム光学追跡にPlus Toolkit（v2.6.0）を統合する。
• 光学追跡は、患者の頭部、トランスデューサーのアプライアンス、およびポインタースタイラスに取り付けられたフィドーシャルマーカーの位置をリアルタイムで監視するNDI Polaris Vicraカメラを用いて実施する。
• フィドーシャルベースの登録により、患者の頭部が事前に取得されたMRIボリュームと一致され、繰り返しMRIスキャンを実施せずに再登録が可能である。
• 3D Slicer内の変換階層は、OpenIGTLink通信を介して物理的ツールの位置をRAS（右前方上位）座標系にマッピングする。
• 検証用にカスタムリファレンスマーカーとスタイラスが製作され、すべてのシステムコンponentsはオープンソースで文書化されたソフトウェアを用いて構成されている。
• 本システムは、トランスデューサーの空間的ピーク強度位置（SPIL）をMRIボリューム上にリアルタイムでレンダリングすることで、マルチモーダル刺激をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存でメンテナンスが確立されたソフトウェアツールを用いて、非侵襲的脳刺激研究を支援するオープンソースでモジュラーなニューロナビゲーションシステムを構築可能か？
• RQ2 カスタムフィドーシャルマーカーと光学追跡を用いた低コストでオープンソースのナビゲーションセットアップの空間的精度はどの程度か？
• RQ3 事前設定済みのシーンファイルと詳細なドキュメンテーションは、ニューロモデュレーション実験におけるセットアップ時間の短縮と再現性の向上にどの程度寄与するか？
• RQ4 商用代替品と比較して、自作のオープンソースシステムの精度と使いやすさはどのように評価できるか？
• RQ5 本システムは、焦点を当てた超音波刺激（tFUS）のような新興の非侵襲的刺激モダリティに効果的に適応可能か？

主な発見

• ロボット位置決めシステムを用いた検証では、20 x 20 x 20 mmの立方体を対象に、空間的精度が0.93 mm（標準偏差0.74 mm）に達した。
• 検証結果は、カスタム製フィドーシャルマーカーおよび追跡ツールが、tFUSを含む一般的な非侵襲的脳刺激手技において十分に正確であることを確認した。
• 事前設定済みの3D SlicerシーンおよびPlus Toolkitの設定ファイルはGitHub上で公開されており、技術的熟練度が低い状態でも迅速な展開が可能である。
• 包括的なマニュアルにより、ユーザーはすべてのフィドーシャル登録手順をスムーズに実行でき、新規ユーザーの学習曲線が著しく低下した。
• 本システムは、患者特異のMRI上にトランスデューサーの空間的ピーク強度位置（SPIL）をリアルタイムで可視化することで、正確な標的定義を支援する。
• オープンソースコンポONENTの使用により、長期的な保守性、技術移転、研究チーム間での再現性が保証される。