《Brain and Behavior》：Reducing Cranial Morphology Error in F3 Scalp Localization: Comparison of Heuristic and Regression-Based Methods
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目的：准确定位F3头皮位置对于在无神经导航条件下重复经颅磁刺激（rTMS）靶向背外侧前额叶皮层至关重要。然而，基于头皮的简化启发式方法可能因颅骨形态的显著个体间差异而导致临床相关靶向误差。本研究评估了国际10-20系统中常用及新提出的基于头皮定位F3方法的几何
目的：准确定位F3头皮位置对于在无神经导航条件下重复经颅磁刺激（rTMS）靶向背外侧前额叶皮层至关重要。然而，基于头皮的简化启发式方法可能因颅骨形态的显著个体间差异而导致临床相关靶向误差。本研究评估了国际10-20系统中常用及新提出的基于头皮定位F3方法的几何精度，重点考察颅骨形态变异性对定位误差的影响，并评估个体化回归方法能否较传统启发式技术提高靶向精度。
方法：系统比较五种F3定位方法的内在几何精度：BeamF3、Adjusted BeamF3、头皮几何参数（SGP）法、NeurallyF3以及新开发的EPlacementF3。共分析250个解剖真实且形态多样的三维头部模型（125女，125男），由HumanShape平台生成。定位误差以每个估计F3位置与国际10-20系统参考坐标之间的欧几里得距离量化。
结果：BeamF3和Adjusted BeamF3的定位误差最高（平均值分别>5.5 mm和>8 mm），SGP法改善了精度（约2.4 mm）。相比之下，NeurallyF3和EPlacementF3在男女中均达到亚毫米误差。EPlacementF3总体表现最佳，平均误差最低（约0.2 mm），并在独立验证数据集中结果一致。这些发现突显了颅骨形态对启发式方法的强烈影响，以及个体化回归方法的优越稳健性。
结论：常用的启发式方法在不同颅骨形态中不能可靠恢复真实F3位置；而个体化回归方法大幅减少形态相关误差，为rTMS及其他非侵入性脑刺激提供更准确且可扩展的无MRI靶向方法。
非侵入性脑刺激（non-invasive brain stimulation, NIBS）的临床应用依赖于对特定颅骨标志的准确识别。左侧背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）是执行功能的关键脑区，也是重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS）治疗重性抑郁障碍的常用靶点。然而，人类颅骨形态存在显著个体差异，使得刺激位点的精确定位面临挑战。国际10-20系统（International 10–20 System, IS 10–20）以鼻根、枕外隆凸和左右耳屏前点四个通用标志为基准，定义了21个头皮位置，其中F3位置是靶向DLPFC时的线圈放置解剖参考。但标准手动定位F3需要多达19个测量步骤，耗时且易引入人为误差。为简化流程，临床广泛采用了BeamF3及其调整版等启发式方法，但已有研究显示这些方法的估计结果与标准IS 10–20位置存在偏差，可能导致DLPFC靶向不充分，这或许与rTMS对难治性抑郁症仅40%–50%的临床应答率有关。另一种基于头皮几何参数（Scalp Geometry-based Parameter, SGP）的方法虽提高了精度，但其依赖MNI坐标或平均化F3位置，且操作方式改变，临床医生应用较困难。此前比较BeamF3与SGP的研究所使用的头模型在头围和形态上变异性有限，不能充分代表真实人群的解剖多样性。为克服上述问题，研究人员所在团队先后开发了NeurallyF3和EPlacementF3两种新方法。NeurallyF3沿用BeamF3的测量步骤但改变了X和Y比例值；EPlacementF3则基于先前提出的EPlacement系统，采用不同几何方案，无需沿头围转移测量，可从鼻根直接测量，简化了临床操作，并保留了个体化几何精度。本研究在形态多样的解剖真实颅骨模型上，系统比较了五种基于头皮的方法定位F3的几何精度，旨在量化颅骨形态变异对误差的影响，并验证回归式个体化方法能否降低形态相关误差。研究结果表明，传统启发式方法误差较大，而基于回归的个体化方法可实现亚毫米级定位精度，为无MRI的rTMS靶向提供了更准确且可扩展的方案，具有重要临床应用价值。
为开展研究，研究人员使用了HumanShape头型模型平台。该平台基于对100名女性和80名男性高分辨率激光扫描的统计分析，通过58个参考点生成解剖一致的3D网格。研究生成两个独立数据集：开发数据集由250个头模型（125女、125男）构成，采用实验设计（DOE）方法，系统改变头围（HC）、颅宽长比和耳屏顶距三个关键人体测量参数，覆盖第5、25、50、75、95百分位；独立验证数据集由128个头模型（64女、64男）构成，使用第15、37、63、85百分位中间值，确保形态不重复。EPlacementF3模型的开发基于250个训练头模型，先逐个计算Cz至C3′的百分比距离以及鼻根至F3的百分比距离，然后以鼻根–枕外隆凸距离（Ns–In）、耳屏间距离（Tr–Tr）和头围为预测变量建立多元线性回归模型。所有定位过程通过Python脚本在FreeCAD中自动实现，定位误差以估计F3与真实F3（按IS 10–20定义）之间的欧几里得距离量化。
3.1 定位误差分析
对250个训练头模型进行人体测量后，多变量方差分析（MANOVA）显示性别间颅骨形态差异具有统计学显著性（p = 6.23 × 10
?23），因此分性别评估。结果显示，BeamF3平均误差在女性为5.59 ± 1.23 mm、男性为6.09 ± 1.51 mm；Adjusted BeamF3误差更高，女性8.12 ± 1.96 mm、男性8.96 ± 2.16 mm；SGP方法平均误差约2.39 mm，变异明显减小；NeurallyF3和EPlacementF3均达到亚毫米精度，其中EPlacementF3在女性平均误差0.20 ± 0.16 mm，男性0.20 ± 0.14 mm。在128个独立验证头模型上，EPlacementF3仍保持最低误差（女性0.16 ± 0.12 mm，男性0.18 ± 0.11 mm），NeurallyF3次之（女性0.19 ± 0.11 mm，男性0.23 ± 0.14 mm），而其他方法的误差与训练集趋势一致。直方图与条形图进一步显示误差分布，验证集因未包含极端形态而误差范围略窄。
3.2 EPlacementF3方法随颅骨形态的变异性
多元线性回归图显示，对于鼻根至F3百分比（%Ns to F3），头围较大而Ns–In距离较小时百分比值增高；Tr–Tr距离影响较弱，且随Tr–Tr增大百分比略有降低。对于Cz至C3′百分比（%Cz to C3′），头围和Ns–In具有类似效应，但头围斜率较缓，且头围对男性的影响强于女性；Tr–Tr参数影响较小，但百分比随Tr–Tr增大略有上升。这些结果证明各解剖变量对定位比例的贡献不同，支持采用个性化估计而非固定平均值。
讨论部分总结：本研究的误差来源于数字仿真，可视为理论下界；实际应用中操作者差异、头动、毛发等会额外增加误差，但不会改变方法间的相对优劣。BeamF3固定比例假设无法适应颅骨形态变异，Adjusted BeamF3因以MRI衍生DLPFC靶点为设计目标，其与标准F3的几何距离并非靶向误差，但超过8 mm的平均距离表明二者差异显著。SGP方法精度优于Beam类，但仍存在毫米级残余误差。NeurallyF3和EPlacementF3因整合多个独立解剖变量（HC、Ns–In、Tr–Tr），误差降至亚毫米。EPlacementF3还有望推广至10–20和10–10系统其他电极位置，为设备集成和自动化线圈定位提供了基础。目前NIBS的挑战之一是没有公认的DLPFC最优靶点定义，但提高所选头皮参考点的可重复性和解剖一致性是标准化靶向的必要步骤。研究局限包括仅基于成人模型、未考虑儿童及临床操作误差，且以10–20 F3为“真实”参考，其不一定等同于DLPFC精确神经解剖位置。
结论：本研究凸显了传统启发式方法在定位F3方面的局限：BeamF3在女性平均误差为5.59 ± 1.23 mm（范围3.33–8.16 mm），男性为6.09 ± 1.51 mm（范围3.53–9.43 mm）；调整版本在女性为8.12 ± 1.96 mm，男性为8.96 ± 2.16 mm。常用的启发式方法无法在解剖结构多样的个体中实现真实F3点的精确位置。SGP方法精度较好，男女平均误差均为2.39 mm，变异性明显降低。相比之下，NeurallyF3在验证数据集中的平均误差仅为女性0.19 ± 0.11 mm（范围0.01–0.59 mm）、男性0.23 ± 0.14 mm（范围0.03–0.64 mm）；EPlacementF3表现更优，女性0.16 ± 0.12 mm（范围0.01–0.59 mm）、男性0.18 ± 0.11 mm（范围0.03–0.47 mm）。应用多元线性回归模型并考虑颅骨形态变异性后，新方法提供的F3定位误差始终低于1 mm。这些结果标志着在定位F3以及其他10–20位置方面取得了显著进展，解决了削弱现有启发式方法的解剖变异性问题。EPlacementF3方法尤其作为一种精确、可扩展且无创的MRI引导靶向替代方案，为rTMS及其他NIBS应用中的刺激位点定位开辟了新的可能。未来工作应集中于临床转化，将这些模型集成到易于使用的工具或设备中，并在现实操作条件下验证其性能。
