[논문 리뷰] Open-source neuronavigation for multimodal non-invasive brain stimulation using 3D Slicer

Frank Preiswerk, Spencer T. Brinker외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 26.

Neurological disorders and treatments인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 3D Slicer와 Plus Toolkit를 사용하여 다중 모odal 비침습적 뇌 자극을 위한 오픈소스로 사용자 정의가 가능한 뉴런내비게이션 시스템을 제시한다. 이 시스템은 환자별 MRI에 대해 실시간으로 트랜스듀서와 스타일러스 위치를 추적할 수 있으며, 등방성 공간 정확도 0.93 mm를 달성한다. 또한, 조기 도입과 임상 및 연구 환경에서의 재현 가능성을 보장하기 위해 사전 설정된 시나리오 파일과 상세한 매뉴얼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 연구 분야에서 접근 가능하고 재현 가능하며 사용자 정의가 가능한 뉴런내비게이션 시스템의 부족을 해소하기 위해.
• 특히 새로운 모달리티인 경두개 집중 초음파(tFUS)와 같은 분야에서 연구자들이 맞춤형 NIBS 시스템을 개발할 때 기술적 및 학습적 장벽을 줄이기 위해.
• 특허나 자체 제작된 시스템을 잘 문서화된 오픈소스 소프트웨어 컴포넌트로 대체함으로써 재현 가능한 과학을 촉진하기 위해.
• 사전 설정된 3D Slicer 시나리오와 체계적인 단계별 매뉴얼을 통해 뉴런내비게이션 시스템의 신속한 구현을 가능하게 하기 위해.
• 임상 및 실험적 신경조절에 적합한 저비용 오픈소스 내비게이션 설정의 공간 정확도를 검증하기 위해.

제안 방법

• 이 시스템은 3D Slicer(v4.8.0)를 영상 시각화 및 처리의 중심 소프트웨어 프레임워크로 통합하고, Plus Toolkit(v2.6.0)를 통해 다중 도구의 실시간 광학 추적을 수행한다.
• 광학 추적는 환자의 머리, 트랜스듀서 어플라이언스, 포인터 스타일러스에 부착된 피드유얼 마커의 위치를 실시간으로 모니터링하기 위해 NDI Polaris Vicra 카메라를 사용한다.
• 피드유얼 기반 정렬을 통해 환자의 머리가 사전 확보한 MRI 볼륨과 정렬되며, 재스캔 없이도 재정렬이 가능하다.
• 3D Slicer 내의 변환 계층은 OpenIGTLink 통신을 통해 물리적 도구의 위치를 RAS(우측-전방-상측) 좌표계로 매핑한다.
• 검증을 위해 맞춤형 기준 마커와 스타일러스를 제작하였으며, 모든 시스템 구성 요소는 오픈소스로 문서화된 소프트웨어를 사용하여 설정되었다.
• 트랜스듀서의 공간 최대 강도 위치(SPIL)를 MRI 볼륨 위에 실시간으로 렌더링함으로써 다중 모달 자극을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존에 잘 유지 관리되는 소프트웨어 도구를 사용하여 비침습적 뇌 자극 연구를 지원하는 모듈식 오픈소스 뉴런내비게이션 시스템을 구축할 수 있는가?
• RQ2 맞춤형 피드유얼 마커와 광학 추적을 사용하는 저비용 오픈소스 내비게이션 시스템의 공간 정확도는 얼마인가?
• RQ3 사전 설정된 시나리오 파일과 상세한 문서화 자료가 뉴런조절 실험의 설정 시간을 얼마나 줄이고 재현 가능성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 상용 대안 대비 정확도와 사용성 측면에서 맞춤형으로 제작된 오픈소스 시스템의 성능은 어떠한가?
• RQ5 이 시스템은 경두개 집중 초음파(tFUS)와 같은 새로운 비침습적 자극 모달리티에 효과적으로 적응될 수 있는가?

주요 결과

• 로봇 위치 조절 시스템을 사용한 검증 결과, 시스템은 20 x 20 x 20 mm 큐브에서 공간 정확도 0.93 mm(SD 0.74 mm)를 달성하였다.
• 검증 결과, 맞춤형 제작된 피드유얼 마커와 추적 도구가 tFUS를 포함한 일반적인 비침습적 뇌 자극 절차에 충분히 정확한 것으로 확인되었다.
• 사전 설정된 3D Slicer 시나리오와 Plus Toolkit 설정 파일은 GitHub에 공개되어 있어, 최소한의 기술적 숙련도로도 빠른 배포가 가능하다.
• 상세한 매뉴얼은 모든 피드유얼 정렬 단계를 안내하여 신규 사용자의 학습 곡선을 크게 줄였다.
• 시스템은 환자별 MRI 위에 트랜스듀서의 공간 최대 강도 위치(SPIL)를 실시간으로 시각화함으로써 정밀한 타겟팅을 지원한다.
• 오픈소스 컴포넌트의 사용은 장기적인 유지보수성, 기술 이전 가능성, 연구 팀 간의 재현 가능성을 보장한다.