个性化3D打印神经调控系统：实现家庭精准经颅电刺激与脑电同步监测新突破

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：A patient-specific, 3D printed neurostimulator enabling focal transcranial electrical stimulation and EEG at home

　　本研究针对传统经颅电刺激(tES)治疗中电极定位不准、个体差异大、家庭应用困难等挑战，开发了基于个体MRI的3D打印精准适配头帽系统。该系统集成34通道混合刷式电极，支持个性化靶向刺激和脑电(EEG)记录，临床验证显示其能显著提升刺激剂量一致性（目标电场强度0.290±0.005 V/m）和居家使用舒适度（7/8受试者认可），为神经退行性疾病家庭治疗提供了创新解决方案。

　　

当我们谈论用微弱电流调节大脑功能时，经颅电刺激(tES)技术正展现出巨大的治疗潜力。从抑郁症到阿尔茨海默病，这种非侵入性脑刺激方法为众多神经系统疾病患者带来了新希望。然而理想很丰满，现实却很骨感——传统的电刺激设备面临着一个棘手的困境：要么选择简单易用但缺乏精准度的通用型头帽，导致不同个体间的刺激效果差异巨大；要么采用精准定位的复杂系统，却需要专业人员操作，完全不适合家庭使用。

更令人困扰的是，即便是最精确的计算机模拟治疗方案，在实际操作中也常常“走样”。由于每个人头骨形状、大脑结构的独特性，标准尺寸的头帽很难与每个人的头部完美贴合，导致电极位置偏差。研究表明，仅15毫米的位移就可使电场分布相关性下降超过5%，不仅降低目标脑区的刺激效果，还可能意外激活不该刺激的区域。对于需要长期、重复治疗的患者来说，这种不确定性无疑会影响治疗效果。

面对这些挑战，由Joodaki等人组成的研究团队在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》上发表了一项创新研究，他们开发了一套完整的个性化神经调控解决方案。研究人员意识到，要真正实现精准、可重复的家庭tES治疗，必须从根本上解决电极定位的准确性和一致性难题。他们开创性地将医学影像、计算建模、3D打印和电子工程相结合，研制出名为Miamind?的神经刺激器/脑电记录一体化设备。

这项研究的核心突破在于建立了个性化定制管道：首先利用患者的结构性MRI数据构建个性化的多层头颈模型，然后通过计算机辅助设计(CAD)生成完全贴合个体头形的3D打印头帽，最后将优化后的电极布局精准集成到头帽设计中。这种设计不仅确保了电极位置的毫米级精度，还通过特殊的悬臂结构为电极施加约2N的恒定压力，保证电极与头皮的良好接触。

为了在头发覆盖区域也能获得稳定信号，团队专门开发了银/氯化银(Ag/AgCl)涂层的混合刷式电极。这种创新电极拥有36根5毫米长的刷毛，既能以“干模式”工作，也可通过中央通道注入导电凝胶转为“湿模式”，适应不同用户的需求。整个系统的控制电子设备集成在颈带中，通过平板电脑进行控制和供电，极大简化了操作流程。

关键技术方法方面，研究团队建立了从MRI数据采集到最终设备交付的完整技术链条。他们基于10名健康受试者的高分辨率T1/T2加权MRI数据，使用SimNIBS工具箱构建个性化9组织头模型；通过有限元法(FEM)模拟进行电场优化，确保目标脑区（如左角回）获得0.3V/m的精确电场强度；采用多射流熔融(MJF)3D打印技术制造聚酰胺12材质的个性化头帽；开发的Ag/AgCl涂层刷式电极通过ISO 10993-5生物相容性测试，并集成于可进行多步tES和EEG记录的便携式设备中。

In silico proof-of-concept for positional accuracy

计算机模拟概念验证揭示了精准电极定位的重要性。研究人员比较了标准化高清(HD)蒙太奇与个性化优化蒙太奇在十个不同个体头模型上的电场分布差异。当以左角回为目标区域时，标准化HD蒙太奇虽然在所有情况下都能产生局灶性电场分布（面积小于1760mm2），但目标区域内的平均电场强度(|E|ROI)在不同个体间存在显著差异（0.113±0.028 V/m），且未能达到0.3V/m的目标强度。相比之下，个性化优化蒙太奇不仅实现了更一致的目标电场强度（0.290±0.005 V/m），而且方差显著降低（Levene检验，p=0.00275），同时保持了与目标区域的良好相关性（0.5±0.06）。这表明个性化电极布置能有效减少个体间差异，确保治疗剂量的准确性。

Pipeline for design of custom tES/EEG cap

个性化定制管道的设计体现了系统工程思维。该管道包含五个关键步骤：个性化多层头颈模型生成、电极定位系统创建、基于治疗需求的蒙太奇选择、电极位置与头帽壳体的CAD集成、以及最终设计特征的添加。研究人员在头皮表面定义了一个比头帽轮廓内缩10毫米的电极定位区域，防止电极与头帽边缘碰撞。当前硬件支持每步最多8个激活电极，总电极数不超过34个（包括参考和接地电极），电极间最小间距为26.5毫米以避免短路。这种设计既保证了灵活性，又确保了安全性。

Multi-step tES/EEG electrode placement

多步刺激与脑电记录的电极布置方案展现了系统的灵活性。根据治疗协议的不同，系统可以配置为仅包含刺激电极（如Cap A，针对三个目标区域各4个电极，共14个电极），也可以集成额外的EEG专用电极实现全头覆盖（如Cap B，32个记录通道）。这种灵活性使得同一设备既能满足精准刺激需求，又能进行高质量的脑电信号采集，为闭环神经调控奠定了基础。

The full neurostimulator tES/EEG system components

完整系统集成体现了设备的人体工程学设计。3D打印头帽通过电缆导向和应变消除系统与颈带中的控制电子设备连接，电极映射关系固定，避免了人为接线错误。平板电脑不仅作为电源，还提供用户界面用于监控治疗进度和阻抗状态。特殊的悬臂设计使电极在未佩戴时保持-10°角度，佩戴时被头皮推至0°位置，确保刷毛与头皮平行接触，优化信号质量并提升舒适度。

Validation of hybrid Ag/AgCl-coated brush electrodes

混合刷式电极的验证实验证实了其电学性能可靠性。电极本身阻抗为80±10Ω，在20Hz-3kHz频率范围内保持阻性特征。皮肤-电极界面阻抗(Zse)测试显示，在40Hz频率下，干模式平均阻抗约为15kΩ，湿模式则稳定在1-4kΩ之间。值得注意的是，阻抗差异主要源于皮肤类型而非头发密度或测量位置。脑电信号质量对比表明，干模式刷式电极与湿模式标准杯状电极在信号采集性能上高度一致：功率谱密度在alpha频段（约10Hz）显示相同特征；信号相干性在delta、theta、alpha、beta和gamma频段均相当；相邻电极信号相关性接近0.99。机械测试证实电极在1.5N力下经历30次负载循环（实时模拟）和3N力下500次循环（加速模拟）后仍保持结构完整。

Usability and performance of the miamind neurostimulator/EEG device

临床可用性研究验证了系统的实用性和安全性。在MindStim临床试验（NCT05999916）中，8名健康受试者完成了共32次一小时的电刺激会话，无严重不良设备效应报告。问卷结果显示，所有参与者认为设备使用舒适，7/8认可系统易用性，7/8对头帽和颈带设计表示满意，7/8愿意在家自行操作。特别值得注意的是，5/8参与者愿意接受超过一小时的延长治疗，这为长期家庭应用提供了重要依据。128次脑电记录中仅2次因肌肉伪迹无法去除而被排除，证明了系统信号质量的稳定性。

研究的讨论部分深入分析了该技术的多重意义。与传统设备相比，这种个性化定制系统是目前唯一根据欧盟医疗器械法规(EU-MDR)附件XIII注册的定制家用tACS设备。其创新价值不仅在于精准的电极定位，还在于成功解决了家庭神经调控设备的易用性难题。计算机模拟证实，增加电极密度（从32到86个候选位置）能进一步提升靶向 engagement 并减少脱靶暴露，而3D打印管道使高密度阵列的临床应用变得可行，且不会增加操作复杂性。

该系统特别适合阿尔茨海默病等需要长期治疗的神经退行性疾病，这些患者通常已有结构性MRI数据，可直接用于个性化设计。对于缺乏MRI数据的情况，研究人员建议可采用3D光学扫描结合标准脑图谱的替代方案，虽解剖精度稍逊，但仍能提供优于通用型设备的适配性和重复性。

电极技术的创新同样值得关注。刷式电极的混合设计兼顾了干模式的便捷性和湿模式的性能优化，用户可根据阻抗反馈实时选择模式。个性化头帽的CAD设计还允许根据头皮区域调整接触压力，在无发区提供更轻柔的接触，在毛发密集区则稍加压力，平衡信号质量与舒适度。

然而，研究也指出了当前管道的局限性。MRI图像质量和分割准确性直接影响个性化模型的精度，特别是对于存在解剖变异的患者群体。未来集成基于深度学习的分割算法有望提升处理异质性临床数据的能力。此外，当前优化算法在固定电极位置范围内运行，限制了蒙太奇配置的完全自由化，开发适应参数约束的动态优化算法将是重要方向。

从临床转化视角看，这种个性化方案在长期家庭治疗场景中具有明显成本效益优势，但对于短期研究或参数需要灵活调整的探索性试验，其经济性可能较低。未来研究需要在实际患者群体中进行长期评估，并探索与自适应神经调控策略的结合可能性。

这项研究标志着个性化神经调控治疗的重要进展，通过融合计算建模、3D打印和电极技术创新，成功解决了tES临床应用中的关键障碍。该系统为实现可靠、可重复的家庭神经调控治疗提供了完整解决方案，不仅有望提升现有神经精神疾病的治疗效果，也为未来闭环神经调控系统和精准医学在神经科学领域的应用奠定了技术基础。随着进一步优化和验证，这种个性化方法有望推动神经调控从研究工具向广泛应用的临床和家庭治疗解决方案转变。