Нейронавигация с дополненной реальностью: точное наведение для неинвазивной стимуляции мозга

Автор: Денис Аветисян

Новая система на базе компьютерного зрения и оптических маркеров обеспечивает точную и доступную навигацию для процедур транскраниальной магнитной стимуляции.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Оптическая система нейронавигации, использующая многокамерное отслеживание и дополненную реальность, повышает точность процедур транскраниальной магнитной стимуляции за счет отслеживания черно-белых оптических меток на катушке и пациенте в режиме реального времени, что позволяет осуществлять прецизионное позиционирование и идентификацию мишени посредством визуализации в Unity 3D.

Представлена недорогая и удобная система нейронавигации, использующая оптические маркеры, многокамерное отслеживание и дополненную реальность для неинвазивной стимуляции мозга.

Традиционные системы нейронавигации для неинвазивной стимуляции мозга часто сопряжены с высокой стоимостью и сложностью использования. В данной работе, посвященной разработке системы ‘A Multi-Camera Optical Tag Neuronavigation and AR Augmentation Framework for Non-Invasive Brain Stimulation’, предложен компьютерно-визуальный подход к отслеживанию положения пациента и оборудования для транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). Разработанная система, использующая оптические метки и несколько камер, обеспечивает точное позиционирование и визуализацию мишеней стимуляции в режиме реального времени с применением технологии дополненной реальности. Позволит ли данная технология повысить эффективность и удобство проведения процедур ТМС, а также расширить возможности персонализированной нейромодуляции?

Точность нацеливания: Фундаментальный вызов в стимуляции мозга

Традиционные методы нацеливания при стимуляции мозга зачастую основываются на анатомических ориентирах, что влечет за собой определенную неточность. В силу индивидуальных различий в строении мозга, полагаться исключительно на стандартные анатомические карты оказывается недостаточно для точного воздействия на желаемую область. Такая вариабельность в расположении мозговых структур у разных людей означает, что использование только анатомических меток может привести к отклонениям от запланированной цели, снижая эффективность терапии и повышая риск нежелательных побочных эффектов. Следовательно, возникает необходимость в более персонализированных и точных подходах к нацеливанию, учитывающих уникальные особенности каждого пациента.

Неточность при нацеливании стимуляции мозга, в частности, при использовании транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), может существенно снижать эффективность лечения таких состояний, как депрессия и хроническая боль. Традиционные методы, ориентирующиеся на анатомические ориентиры, не учитывают индивидуальные различия в структуре мозга, что приводит к тому, что магнитный импульс достигает не совсем той области, которая является ключевой для терапевтического эффекта. В результате, пациенты могут не испытывать достаточного облегчения симптомов, либо эффект проявляется лишь частично, что требует более высоких доз стимуляции и увеличивает риск побочных эффектов. Таким образом, повышение точности нацеливания является критически важной задачей для оптимизации лечения и улучшения качества жизни пациентов, страдающих от этих распространенных заболеваний.

Достижение субмиллиметровой точности в нацеливании на определенные области мозга имеет решающее значение для повышения эффективности терапевтических вмешательств и одновременного снижения нежелательных побочных эффектов. Традиционные методы часто страдают от недостаточной точности из-за индивидуальных анатомических различий, что приводит к стимуляции не только целевой, но и близлежащих областей. Разработанная система демонстрирует значительное улучшение в этой области, обеспечивая погрешность локализации менее 6 миллиметров. Такой уровень точности позволяет более целенаправленно воздействовать на нейронные цепи, что потенциально максимизирует терапевтический эффект при лечении таких состояний, как депрессия и хроническая боль, а также минимизирует риск нежелательных последствий, связанных с неточным воздействием.

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) обеспечивает высокоточную стимуляцию определенных нейронных цепей, например, контуров управления, для проведения клинической терапии или нейробиологических исследований.

Многокамерное отслеживание: Основа прецизионной навигации

Многокамерное отслеживание использует методы компьютерного зрения для определения трехмерных координат и ориентации инструментов, а также положения головы пациента с высокой точностью. Система анализирует изображения, полученные с нескольких камер, и применяет алгоритмы триангуляции и оптимизации для вычисления пространственных параметров объектов в реальном времени. Такой подход позволяет достичь субмиллиметровой точности позиционирования и отслеживания движений, что критически важно для широкого спектра применений, включая хирургическую навигацию и роботизированную хирургию. Высокая точность достигается за счет одновременной обработки данных с нескольких камер, что позволяет уменьшить влияние ошибок и повысить надежность системы.

Для обеспечения высокой точности многокамерного трекинга необходима тщательная калибровка каждой камеры, включающая определение внутренних (Intrinsics) и внешних (Extrinsics) параметров. Внутренние параметры описывают характеристики камеры, такие как фокусное расстояние и искажения линз, а внешние параметры определяют положение и ориентацию камеры в глобальной системе координат. Процесс калибровки включает использование калиброчного объекта с известной геометрией и применение алгоритмов оптимизации для минимизации ошибки проекции и точного определения параметров каждой камеры. Точное определение как внутренних, так и внешних параметров критически важно для корректного преобразования координат между камерами и точного вычисления трехмерных координат отслеживаемых объектов.

Использование фидуциальных маркеров, таких как AprilTag, значительно повышает надежность и точность системы многокамерного трекинга. Эти маркеры служат четкими опорными точками, которые легко обнаруживаются алгоритмами компьютерного зрения на изображениях с каждой камеры. Это позволяет системе более эффективно решать задачу соответствия точек между разными камерами, особенно в сложных условиях освещения или при частичной окклюзии. Обнаружение маркеров AprilTag позволяет точно определить положение и ориентацию инструментов и головы пациента в трехмерном пространстве, что критически важно для обеспечения высокой точности трекинга.

Эффективность системы многокамерного отслеживания количественно оценивается посредством измерения ошибки репроекции, которая составляет менее 0.15 пикселей на диапазоне расстояний от 300 мм до 750 мм. Средняя скорость определения положения составляет 0.59 секунды, при этом 94% попыток завершаются менее чем за 0.8 секунды. Данные показатели демонстрируют высокую точность и оперативность системы в процессе отслеживания.

Преобразования между плоскостью изображения, системой координат камеры и системой координат мира, привязанной к пациенту через фидуциальный маркер, обеспечивают точную локализацию катушки ТМС в системе координат головы пациента для навигации и визуализации дополненной реальности в реальном времени.

Нейронавигация и расширенное руководство ТМС

Нейронавигация использует данные отслеживания, получаемые с помощью различных методов, таких как мульти-камерное отслеживание, оптическое отслеживание и электромагнитное отслеживание, для точного позиционирования инструментов во время хирургических и терапевтических процедур. Эти системы позволяют в режиме реального времени сопоставлять положение инструмента с предоперационными изображениями, такими как МРТ или КТ, создавая трехмерную карту мозга пациента. Данные отслеживания позволяют учитывать движения пациента и компенсировать анатомические вариации, обеспечивая повышенную точность и безопасность вмешательств.

Бескаркасная стереотаксия, широко применяемая в нейронавигации, позволяет отказаться от использования жестких фиксаторов головы пациента. Это значительно повышает комфорт пациента во время процедуры и обеспечивает большую гибкость при доступе к целевым областям мозга. Отсутствие необходимости в фиксации головы упрощает позиционирование пациента и сокращает время подготовки к операции, что особенно важно в длительных процедурах или при работе с пациентами, которым трудно сохранять неподвижность.

Интеграция дополненной реальности (AR) в системы нейронавигации позволяет накладывать критически важную анатомическую информацию непосредственно на изображение головы пациента в режиме реального времени. Это достигается путем визуального сопоставления предоперационных данных визуализации, таких как МРТ или КТ, с физическим изображением пациента, что обеспечивает хирургу улучшенную ориентацию и точность во время процедуры. AR-системы позволяют визуализировать целевые области, сосудистые структуры и другие важные анатомические ориентиры непосредственно в поле зрения хирурга, снижая потребность в постоянном обращении к данным визуализации и повышая эффективность навигации.

Система обеспечивает локализацию с погрешностью менее 6 мм, что сопоставимо с показателями современных методов. Точность определения расстояний составляет 0.07-0.09 мм, а угловая точность — 0.04-0.06°. Данные показатели позволяют использовать систему для высокоточного наведения инструментов и проведения процедур, требующих минимальной погрешности позиционирования.

Многокамерная система TMS-навигации, включающая катушку TMS, систему отслеживания и оптические маркеры, обеспечивает точное определение положения и ориентации отслеживаемых объектов в единой координатной системе.

Персонализированная ТМС: Расширение терапевтических горизонтов

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) нового поколения, благодаря точной навигации и трекингу, позволяет целенаправленно воздействовать на конкретные области мозга. В частности, при обсессивно-компульсивном расстройстве (ОКР) все больше внимания уделяется стимуляции кортико-стриато-таламико-кортикальной петли — ключевой нейронной цепи, вовлеченной в патогенез заболевания. Эта петля отвечает за планирование действий, мотивацию и контроль импульсов, и ее дисфункция тесно связана с проявлениями ОКР. Использование нейронавигации обеспечивает точное позиционирование катушки ТМС, позволяя воздействовать именно на те участки петли, которые нуждаются в коррекции, что потенциально повышает эффективность лечения и минимизирует нежелательные побочные эффекты.

Индивидуальные анатомические особенности мозга оказывают значительное влияние на эффективность транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). Традиционные протоколы ТМС, разработанные на основе усредненных данных, часто не учитывают различия в расположении и структуре ключевых мозговых областей у конкретного пациента. Современные методы нейронавигации и визуализации позволяют точно картировать анатомию мозга каждого индивидуума, что дает возможность адаптировать параметры стимуляции — интенсивность, частоту и местоположение — для достижения максимального терапевтического эффекта. Такой персонализированный подход не только повышает вероятность положительного ответа на лечение, но и существенно снижает риск возникновения нежелательных побочных эффектов, обеспечивая более безопасную и эффективную терапию для широкого спектра неврологических и психиатрических расстройств.

Технология транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), благодаря возможности индивидуальной настройки и точного нацеливания, открывает новые перспективы в лечении широкого спектра неврологических и психиатрических заболеваний. Исследования показывают, что персонализированная ТМС может значительно улучшить результаты терапии при депрессии, обсессивно-компульсивном расстройстве, хронической боли и даже при последствиях инсульта. Преимущество заключается в возможности воздействия непосредственно на пораженные области мозга, минимизируя влияние на здоровые ткани и, следовательно, снижая вероятность побочных эффектов. Ученые полагают, что дальнейшее развитие данной технологии позволит создавать более эффективные и безопасные методы лечения, адаптированные к индивидуальным особенностям каждого пациента, что в конечном итоге приведет к улучшению качества жизни миллионов людей.

Перспективные разработки в области транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) направлены на создание систем с обратной связью в реальном времени. Эти системы смогут анализировать мозговую активность пациента во время процедуры и, основываясь на полученных данных, динамически корректировать параметры стимуляции — интенсивность, частоту и местоположение. Такой адаптивный подход позволяет значительно повысить эффективность лечения, поскольку стимуляция будет оптимально настроена под индивидуальные особенности мозга и текущее состояние пациента. Представьте себе ТМС, которая не просто посылает стандартный импульс, а «слушает» мозг и мгновенно реагирует на его ответ, обеспечивая максимально точное и эффективное воздействие на целевые нейронные цепи. Внедрение таких систем открывает новые горизонты в лечении широкого спектра неврологических и психиатрических расстройств, позволяя персонализировать терапию и достигать лучших клинических результатов.

Система нейронавигации обеспечивает визуализацию точки транскраниальной магнитной стимуляции (TMS) в реальном времени, интегрируя её с цифровой моделью мозга в Unity и накладывая на изображение головы пациента в режиме дополненной реальности.

Представленная работа демонстрирует стремление к созданию надежной и масштабируемой системы нейронавигации, что находит отклик в словах Винтона Серфа: «Если мы хотим, чтобы сети были устойчивыми, мы должны строить их на принципах, которые не зависят от конкретных технологий.». Использование оптических маркеров и многокамерной системы позволяет добиться точности позиционирования, необходимой для неинвазивной стимуляции мозга. Ключевым аспектом является стремление к снижению стоимости и упрощению использования системы, что делает ее доступной для более широкого круга исследователей. Пусть N стремится к бесконечности — что останется устойчивым? В данном случае, это фундаментальный принцип точного и надежного позиционирования, реализованный с помощью простых, но эффективных средств.

Куда же дальше?

Представленная система, несмотря на свою элегантность и относительную простоту, лишь частично решает проблему детерминированной навигации в нейростимуляции. Точность, зависящая от качества оптических маркеров и калибровки камер, остаётся критическим параметром. Неизбежно возникает вопрос: насколько надежно можно полагаться на систему, чья производительность подвержена влиянию внешних факторов и несовершенству оптических сенсоров? Доказательство корректности алгоритма, а не просто демонстрация его работоспособности на тестовых данных, представляется необходимым условием для клинического применения.

Перспективным направлением видится разработка алгоритмов, устойчивых к окклюзиям и изменениям освещения. Более того, интеграция с системами активного отслеживания положения головы, основанными на иных физических принципах, могла бы обеспечить дополнительную степень надежности и снизить зависимость от визуальных маркеров. Истинная элегантность заключается в отказе от избыточности, но в данном случае, резервирование системы представляется не прихотью, а необходимостью.

В конечном счете, необходимо переосмыслить сам подход к навигации. Вместо стремления к абсолютной точности позиционирования, возможно, более эффективным окажется разработка алгоритмов, компенсирующих погрешности и адаптирующихся к индивидуальным особенностям мозга пациента. Иначе говоря, вместо поиска «идеальной» системы навигации, следует стремиться к созданию системы, способной «прощать» ошибки.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.20663.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-29 10:57