經顱磁刺激導航系統及經顱磁刺激線圈定位方法

專利名稱：經顱磁刺激導航系統及經顱磁刺激線圈定位方法
技術領域：
本發明涉及醫療輔助器械領域，尤其涉及一種用于經顱磁刺激線圈定位的基于磁共振圖像和機器視覺系統的經顱磁刺激導 航系統及經顱磁刺激線圈定位方法。
背景技術：
經頡磁刺激(TranscranialMagnetic Stimulation, TMS)是一種皮層刺激方法，磁信號可以無衰減地透過顱骨而刺激到大腦神經，實際應用中并不局限于頭腦的刺激，夕卜周神經肌肉同樣可以進行刺激，因此現在都叫它為“磁刺激”。磁刺激是ー種物理刺激形式，它是利用時變電流流入經顱磁刺激線圈，產生高強度時變脈沖磁場，時變脈沖磁場在組織內產生感應電場和感生電流，感應電流使某些可興奮組織產生興奮的ー種刺激方法，具有無痛、無損傷、操作簡便、安全可靠等優點，在臨床醫學方面具有廣泛的應用。經顱磁刺激在實際應用中，最大難題的是如何精確地確定刺激靶點。最初，刺激靶點部位的選擇主要依靠操作者所具備的解剖學知識，根據人腦常規腦功能的分布進行大致確定。然而，這種大致上確定的刺激點與實際有效刺激的部位之間通常存在較大誤差。為解決上述問題，目前已有部分經顱磁刺激儀配有導航定位系統，包括機械定位系統和光學導航定位系統。其中，機械定位系統主要通過觸發病人運動誘發電位與機械定位工具配合使用來定位線圈，其存在的缺點是機械定位工具復雜，定位精度較差，且操作步驟繁瑣，一般操作者難于有效使用；光學導航定位系統的操作主要集中在導航定位軟件上，一般使用患者頭部的核磁共振掃描圖像來重建三維模型，然后利用光學導航系統實時跟蹤經顱磁刺激線圈的位置，從而實現經顱磁刺激定位，其存在的缺點主要是缺乏患者的頭皮形狀信息，難于對經顱磁刺激線圈作進ー步地精確定位，且目前的光學導航定位系統基本上不能對經顱磁刺激線圈進行實時可視地跟蹤定位。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供ー種經顱磁刺激導航系統，其用于經顱磁刺激線圈定位，所述經顱磁刺激導航系統包括經顱磁刺激線圈、經顱磁刺激定位帽、磁共振成像系統、機器視覺系統及導航模塊。所述經顱磁刺激定位帽具有多個無電極標記點；所述磁共振成像系統掃描獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部磁共振圖像，供醫生確定刺激靶點，所述磁共振成像系統檢測所述多個無電極標記點；所述機器視覺系統采集獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈；所述導航模塊連接于所述磁共振成像系統和所述機器視覺系統，所述導航模塊根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點構建第一坐標系，并根據所述攝像機圖像構建第二坐標系，所述導航模塊配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像，并確定所述第一坐標系和所述第二坐標系的相對位置關系，所述導航模塊根據刺激靶點在所述第一坐標系的位置確定所述經顱磁刺激線圈在所述第二坐標系的定位信息。本發明ー較佳實施方式中，所述經顱磁刺激線圈設置有“十”字標記，所述“十”字標記包括多個紅色標記點，且所述“十”字標記的中心點和所述經顱磁刺激線圈的治療焦點重合。本發明ー較佳實施方式中，所述經顱磁刺激線圈為具有兩個圓孔的“ 8”字形結構，其設置有橫向的7個所述紅色標記點及縱向的7個所述紅色標記點，橫向的7個所述紅色標記點和縱向的7個所述紅色標記點交叉于所述中心點，且橫向的7個所述紅色標記點的連線穿過所述兩個圓孔的中心，縱向的7個所述紅色標記點的連線和所述經顱磁刺激線圈的手柄的中心線相重合。本發明ー較佳實施方式中，所述導航模塊根據所述機器視覺系統檢測到的所述紅色標志點進行“十”字標記重建，并和預先保存的“十”字標記進行匹配檢測，以計算所述經顱磁刺激線圈的治療焦點的坐標。本發明ー較佳實施方式中，所述經顱磁刺激定位帽包括帽體及設置于所述帽體的松緊帶，所述帽體設置有多條經度線、多條緯度線以及所述多個無電極標記點，所述多條經度線和所述多條緯度線縱橫分布于所述帽體，所述多個無電極標記點根據10/20系統法分布于所述帽體。本發明ー較佳實施方式中，所述帽體為白色的具有弾性和硬度的網狀結構，其設置有8 128個紅色的所述無電極標記點。本發明ー較佳實施方式中，所述多個無電極標記點嵌設于所述帽體，每一所述無電極標記點均為直徑和厚度等于2 10_的圓柱體，且由在磁共振掃描中高亮顯示的材料制成。本發明ー較佳實施方式中，姆一所述無電極的標記點均為直徑和厚度都等于5_的圓柱體，制作材料為甘油，并由聚對苯ニ甲酸類塑料紅色薄膜包裹固定成型。本發明ー較佳實施方式中，所述多條經度線包括從鼻根點沿鼻梁中心線連接至枕外隆突的中心經度線，所述多條緯度線包括連接左側耳前、大腦頂點和右側耳前三點的中心緯度線。本發明一較佳實施方式中，所述帽體設置9條所述經度線、7條所述緯度線及64個所述無電極標記點。本發明ー較佳實施方式中，所述機器視覺系統包括兩個攝像機，所述兩個攝像機同時從不同角度獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部圖像以構建所述攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈。本發明ー較佳實施方式中，所述導航模塊包括磁共振圖像處理單元和導航計算單元，所述磁共振圖像處理單元和所述導航計算單元相連接，所述磁共振圖像處理單元根據所述患者頭部磁共振圖像進行數據處理，所述導航計算單元根據所述磁共振圖像處理單元的數據處理結果進行計算。本發明ー較佳實施方式中，所述經顱磁刺激導航系統進一歩包括圖形用戶界面模塊，所述圖形用戶界面模塊雙向交互連接于所述磁共振成像系統及所述導航模塊。本發明另外提供一種采用上述經顱磁刺激導航系統的經顱磁刺激線圈定位方法，所述經顱磁刺激線圈定位方法包括如下步驟SI :所述磁共振成像系統掃描獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部磁共振圖像，并檢測所述經顱磁刺激定位帽的多個無電極標志點；
S2:所述機器視覺系統采集獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部攝像機圖像；S3:所述導航模塊根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點構建所述第一坐標系，根據所述攝像機圖像構建所述第二坐標系，并配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像；S4 :所述導航模塊計算刺激靶點在所述第一坐標系中的第一坐標，并計算所述第ー坐標在所述第二坐標系中的第二坐標；及S5 :所述導航模塊根據所述第二坐標，并結合所述機器視覺系統對所述經顱磁刺激線圈的實時可視地跟蹤定位，確定經顱磁刺激線圈的定位信息。本發明ー較佳實施方式中，所述經顱磁刺激線圈的定位信息包括放置經顱磁刺激線圈的位置和角度。 本發明ー較佳實施方式中，上述SI步驟中，檢測所述多個無電極標記點時，進ー步包括以下步驟S11、采用三維“高帽”算法對所述磁共振圖像的表面頂部區域進行標記點搜索，并保存所有滿足預定條件的標記點的鄰域；S12、采用基于判據的排除算法篩選獲得的所述標記點，并根據所述無電極標記點的已知幾何形狀、相對位置關系和紋理特征對所述標記點進行過濾刪除；S13、根據所述無電極標記點的已知三維形狀，使用條件膨脹法進行標記點的鄰域恢復；及S14、計算所述無電極標記點的中心坐標，輸出所述無電極標記點的中心坐標并疊加顯示于三維磁共振圖像。本發明ー較佳實施方式中，所述標記點包括神經解剖學標記點和所述多個無電極標記點。本發明ー較佳實施方式中，上述Sll步驟中共獲得128個標記點的鄰域。本發明ー較佳實施方式中，上述S12步驟中所述預定條件包括標記點的灰度值、標記點的所在區域及標記點的分布方式。本發明ー較佳實施方式中，上述S12步驟中最終得到標示64個所述無電極標記點的圖像。本發明ー較佳實施方式中，上述S3步驟中，所述導航模塊根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點構建所述第一坐標系時，進一歩包括以下步驟S31、根據灰度值差異檢測所述多個無電極標記點的邊界；S32、將所述多個無電極標記點的坐標轉換到三維空間；S33、根據設定的所述無電極標記點的半徑和相對位置關系，得到每一所述無電極標記點的中心坐標；及S34、篩選出真正的無電極標記點，并經過層問輪廓線的生成和三維表面重建，構建對應患者頭皮三維數字模型的所述第一坐標系。相較于現有技術，本發明提供的經顱磁刺激導航系統利用磁共振成像系統獲取的患者頭部磁共振圖像和經顱磁刺激定位帽中多個無電極標記點，由導航模塊構建第一坐標系(對應患者內部腦結構和腦功能區域及頭皮外形)，同時利用機器視覺系統獲取攝像機圖像并實時可視地跟蹤定位經顱磁刺激線圈，由導航模塊構建第二坐標系(對應患者頭部外形真實模型)，同時利用導航模塊對磁共振圖像和攝像機圖像進行配準，確定所述第一坐標系和所述第二坐標系的相對位置關系，再由導航模塊根據刺激靶點在第一坐標系的位置確定經顱磁刺激線圈在第二坐標系的定位信息，由此，可以充分整合患者頭皮外形、腦解剖結構和腦功能區域的信息，并結合醫生的判斷，精確可視地對經顱磁刺激線圈進行定位。同時，所述經顱磁刺激導航系統易于實現，且操作簡單，可有效降低整體成本。此外，本發明提供的采用所述經顱磁刺激導航系統的經顱磁刺激線圈定位方法的步驟簡單，易于醫生掌握、并有效地實現操作。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉實施例，并配合附圖，詳細說明如下。



圖I為本發明第一實施例提供的經顱磁刺激導航系統的組成示意圖。圖2為圖I所示經顱磁刺激導航系統的經顱磁刺激線圈的示意圖。圖3為圖I所示經顱磁刺激導航系統的經顱磁刺激定位帽的示意圖。圖4為圖3所示經顱磁刺激定位帽的俯視圖。圖5為圖3所示經顱磁刺激定位帽設置9條經度線、7條緯度線及64個無電極標記點的示意圖。圖6為本發明第二實施例提供的經顱磁刺激導航系統的組成示意圖。圖7為本發明第三實施例提供的采用圖I所示經顱磁刺激導航系統的經顱磁刺激線圈定位方法。圖8為圖7所示經顱磁刺激線圈定位方法中步驟SI檢測所述多個無電極的標記點的具體工作流程圖。圖9為圖7所示經顱磁刺激線圈定位方法中步驟S3構建外部坐標系的具體工作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例對本發明作進ー步詳細的說明。請參閱圖1，本發明第一實施例提供ー種經顱磁刺激導航系統1，其用于經顱磁刺激線圈定位，所述經顱磁刺激導航系統I包括經顱磁刺激線圈10、經顱磁刺激定位帽20、磁共振成像系統30、機器視覺系統40及導航模塊50。所述經顱磁刺激線圈10用于通電產生高強度時變脈沖磁場。所述經顱磁刺激定位帽20用于輔助定位，由患者佩戴于頭部，并貼附于患者頭皮。所述磁共振成像系統30用于獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者的頭部磁共振圖像，并檢測所述經顱磁刺激定位帽20的無電極標記點。所述機器視覺系統40用于獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者的頭部攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈10。所述導航模塊50連接于所述磁共振成像系統30和所述機器視覺系統40，用于根據所述磁共振成像系統30和機器視覺系統40獲得的相關圖像進行處理并確定所述經顱磁刺激線圈10的定位信息。
請參閱圖2，所述經顱磁刺激線圈10設置有“十”字標記11，所述“十”字標記11包括多個紅色標記點111，且所述“十”字標記11的中心點113和所述經顱磁刺激線圈10的治療焦點重合。本實施例中，所述經顱磁刺激線圈10為“8”字形結構，具有兩個圓孔13，其設置有橫向的7個所述紅色標記點111及縱向的7個所述紅色標記點111，橫向的7個所述紅色標記點111和縱向的7個所述紅色標記點111交叉于所述中心點113，且橫向的7個所述紅色標記點111的連線穿過所述兩個圓孔13的中心，縱向的7個所述紅色標記點111的連線和所述經顱磁刺激線圈10的手柄(圖未標示)的中心線相重合。可以理解的是，橫向的7個所述紅色標 記點111和縱向的7個所述紅色標記點111中，重復的ー個所述紅色標記點111即為所述“十”字標記11的中心點113。請參閱圖3，所述經顱磁刺激定位帽20包括帽體21和設置于所述帽體21的松緊帶23。所述帽體21設置有多條經度線211、多條緯度線213以及多個無電極標記點215，所述多條經度線211和所述多條緯度線213縱橫分布于所述帽體21，所述多個無電極標記點215根據10/20系統法(即國際腦電圖學會標準電極放置法，ten-twenty electrodesystem)分布于所述帽體21。本實施例中，所述帽體21為白色的具有彈性和硬度的網狀結構，其設置有8 128個紅色的所述無電極標記點215，由此，便于在所述帽體21上突顯所述多個無電極標記點215。所述松緊帶23設置于帽體21的外邊緣，用于調節所述經顱磁刺激定位帽20的佩戴松緊度。所述多條經度線211間隔分布，所述多條緯度線213間隔分布；所述多條經度線211包括從鼻根點(Nasion)沿鼻梁中心線連接至枕外隆突(Inion)的中心經度線2110,所述多條緯度線213包括連接左側耳前、大腦頂點和右側耳前三點的中心緯度線2130。所述多個無電極標記點215嵌設于所述帽體21，每一所述無電極標記點215均為直徑和厚度等于2 IOmm的圓柱體，且由在磁共振掃描中高亮顯示的材料制成。本實施例中，每一所述無電極標記點215均為直徑和厚度都等于5_的圓柱體，制作材料為甘油，并由聚對苯ニ甲酸類塑料(Polyethylene terephthalate, PET)紅色薄膜包裹固定成型。可以理解的是，所述中心經度線2110和所述中心緯度線2130相交于一點，即對應于頭部中央點。請參閱圖4，具體地，根據10/20系統法，所述多個無電極標記點215的設置方式如下1、在所述中心經度線2110上，由鼻根點至枕外隆突分布五個所述無電極標記點215，依次對應頭部額極中點、額中點、中央點、頂點和枕點，其中，額極中點至鼻根點的距離和枕點至枕外隆突的距離各所述中心經度線2110全長的10%，其余各點均以所述中心經度線2110全長的20%相隔。2、在所述中心緯度線2130的左右兩側對稱分布四個所述無電極標記點215，依次對應頭部左顳中、右顳中、左中央和右中央，其中左顳中至左耳前點的距離和右顳中至右耳前點的距離各占所述中心緯度線2130全長的10%，其余各點(包括中央點)均以所述中心緯度線2130全長的20%相隔。3、從額極中點起分別通過左顳中和右顳中至枕點的兩條經度線211上，由額極中點至枕點對稱地標出左額極和右額極、左前顳和右前顳、左后顳和右后顳、左枕和右枕，其中左額極和右額極點至額極中點的距離與左枕和右枕至枕點的距離各占對應的所述經度線211全長的10%，其余各點(包括左顳中、右顳中)均以對應的所述經度線211全長的20%相隔。優選地，除鼻根點、枕外隆突、左側耳前和右側耳前四個神經解剖學定位標記點以夕卜，所述帽體設置9條所述經度線211、7條所述緯度線213及64個所述無電極標記點，如圖5所示。本實施例中，所述帽體21的左右側分別設有ー個對應耳朵的耳孔217，以便于患者佩戴所述經顱磁刺激定位帽20，如圖3所示。所述磁共振成像系統30掃描獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者的頭部磁共振圖像，供醫生確定刺激點，所述磁共振成像系統檢測所述多個無電極標記點215。可以理解的是，所述磁共振圖像反映應的是患者的大腦內部信息，包括大腦的結構信息和功能信息，由于所述多個無電極標記點215由在磁共振掃描中高亮顯示的材料制成，因此，通過檢查所述磁共振圖像上的高亮點即可檢測到佩戴所述經顱磁刺激定位帽20 的患者的頭皮上的所述多個無電極標記點215，這些檢測到的所述多個無電極標記點215反映了患者的頭皮外形信息。本實施例中，所述磁共振成像系統30為I. 5T核磁共振成像系統，當然，并不局限于本實施例，所述磁共振成像系統30也可以為小型核磁共振成像系統或O. 35T核磁共振成像系統。所述機器視覺系統40采集獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者的頭部攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈10。可以理解的是，所述攝像機圖像是醫生通過眼睛(借助于所述機器視覺系統40)即可實時獲取的患者頭皮外形信息。同時，通過所述機器視覺系統40獲取所述“十”字標記11的多個紅色標記點111，即可實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈10。本實施例中，所述機器視覺系統40包括兩個攝像機(圖未示)，所述兩個攝像機同時從不同角度獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者的頭部圖像以構建所述攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈10。所述導航模塊50連接于所述磁共振成像系統30和所述機器視覺系統40，所述導航模塊50根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點115構建第一坐標系，井根據所述攝像機圖像構建第二坐標系；所述導航模塊50配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像，并確定所述第一坐標系和所述第二坐標系的相對位置關系；所述導航模塊50根據刺激靶點在所述第一坐標系的位置確定所述經顱磁刺激線圈10在所述第二坐標系的定位信息。由此，可將醫生根據所述磁共振圖像確定的刺激靶點反映到醫生通過眼睛(借助于所述機器視覺系統40的攝像機)實時獲取的患者頭皮外形上，便于醫生進行實時可視、且準確的操作。所述導航模塊50從所述磁共振成像系統30獲取所述磁共振圖像，并檢測識別出所述磁共振圖像中所述經顱磁刺激定位帽20的64個無電極標記點215的坐標，然后三維重建患者的頭部三維模型，即所述第一坐標系；同時，所述導航模塊50根據所述機器視覺系統40獲取的所述攝像機圖像重建患者的頭部外形模型，即構建所述第二坐標系。醫生根據自身的專業知識，依據所述磁共振圖像在所述患者的頭部三維模型(即所述第一坐標系)上確定所述經顱磁刺激線圈10的刺激靶點。所述導航模塊50計算所述刺激靶點在所述第一坐標系中的第一坐標，并根據所述導航模塊50配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像而確定的所述第一坐標和所述第二坐標系之間的關系，計算所述第一坐標在所述第二坐標系中的第二坐標，即獲得所述經顱磁刺激線圈10在所述患者頭部頭皮的實際刺激點。醫生根據所述導航模塊50計算獲得的信息提示及所述機器視覺系統40實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈10，即可快捷準確地對所述經顱磁刺激線圈10進行定位操作，并相應地進行后續的經顱磁刺激治療。具體地，所述導航模塊50的工作流程主要包括以下步驟首先，加載所述磁共振成像系統30所獲取的患者的頭部磁共振圖像并檢測識別出所述磁共振圖像中的多個無電極標記點215，對所述磁共振圖像中的腦部功能區域進行勾畫和分割，對分割的所述磁共振圖像進行三維重建，建立第一坐標系；同時，醫生根據所述患者的頭部磁共振圖像，在磁共振圖像T1加權圖像上確定經顱磁刺激的腦部功能區域，即確定刺激靶點。然后，根據所述機器視覺系統40獲取的所述攝像機圖像重建患者的頭部外形模型，即構建第二坐標系，獲得患者的頭部外形真實模型。 其后，所述導航模塊50計算所述刺激靶點在所述第一坐標系中的第一坐標，并計算所述第一坐標映射于所述第二坐標系的第二坐標，以及相對于周圍無電極的定位標記點215、經度線211和緯度線213的位置。最后，所述導航模塊50計算所述經顱磁刺激線圈10的角度和作用深度，并進行導航定位操作。進ー步地，所述經頡磁刺激導航系統I包括圖形用戶界面(Graphical UserInterface,⑶I)模塊60，所述圖形用戶界面模塊60雙向交互連接于所述磁共振成像系統30及所述導航模塊50，即所述圖形用戶界面模塊60分別與所述磁共振成像系統30及所述導航模塊50實現雙向通訊連接，由此，操作者一方面可以通過所述圖形用戶界面模塊60獲取相關信息，另ー方面可以通過所述圖形用戶界面模塊60進行相應的輸入操作。可以理解的是，所述機器視覺系統40實時跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈10的圖像可以實時地通過所述圖形用戶界面模塊60顯示出來，供醫生進行判斷及操作。可以理解的是，所述圖形用戶界面模塊60可以包括顯示系統(如顯示屏或觸控屏)、鼠標和鍵盤等外部設備。請參閱圖6，本發明第二實施例提供ー種經顱磁刺激導航系統2，其與上述第一實施例中的經顱磁刺激導航系統I的區別在于，所述導航模塊50包括磁共振圖像處理單元51和導航計算單元53，所述磁共振圖像處理單元51和所述導航計算單元53相連接，所述磁共振圖像處理單元51根據所述患者頭部磁共振圖像進行圖像數據處理，主要包括磁共振圖像獲取、圖像分割、攝像機圖像重建、經顱磁刺激定位帽的無電極標記點215檢測、確定刺激靶點和構建三維模型等；所述導航計算單元53根據所述磁共振圖像處理單元51的數據處理結果進行計算，如計算神經解剖學定位標記點和所述無電極標記點215以構建所述第一坐標系。請參閱圖7，本發明第三實施例提供ー種采用所述經顱磁刺激導航系統I或2的經顱磁刺激線圈定位方法，所述經顱磁刺激線圈定位方法包括如下步驟SI :所述磁共振成像系統30掃描獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者的頭部磁共振圖像，并檢測所述經顱磁刺激定位帽20的多個無電極標記點215。佩戴所述經顱磁刺激定位帽20時，先確定患者頭部的鼻根點、枕外隆突、左側耳前和右側耳前四個神經解剖學定位標記點。
可以理解的是，患者佩戴所述經顱磁刺激定位帽20吋，需要調整所述帽體21的位置，并調節所述松緊帶23的松緊度，以使所述經顱磁刺激定位帽20的中心經度線2110與鼻根點至枕外隆突的連線重合，中心緯度線2130與雙側耳前連線重合。同時，佩戴所述經顱磁刺激定位帽20時，可以使所述帽體21盡量平滑地貼附于患者頭皮，即使所述多個無電極標記點215貼合患者頭皮，并盡量避免所述多條經度線211和所述多條緯度線213出現彎折，使所述多條經度線211之間距離均勻、所述多條緯度線213之間距離均勻。請參閱圖7，檢測所述多個無電極標記點215吋，進ー步包括以下步驟S11、對佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者進行頭部磁共振掃描，獲得并讀入所述患者的頭部磁共振圖像。S12、采用三維“高帽”(Top-Hat)算法對所述磁共振圖像的表面頂部區域進行標記點捜索，并保存所有滿足預定條件的標記點的鄰域。 本實施例中，共獲取128個標記點的鄰域。所述預定條件主要包括1)標記點的灰度值，可根據實際設置為某ー范圍，本實施例中，由甘油制作的所述無電極標記點215在所述磁共振成像系統30中進行磁共振掃描時，其灰度值為ー個確定的范圍；2)標記點的所在區域,本實施例中,標記點須處于患者頭部上部包含頭皮的區域內；3)標記點的分布方式，本實施例中，標記點須是離散有序排列的。采用三維“高帽”(Top-Hat)算法對所述患者的頭部磁共振圖像的表面頂部區域進行標記點捜索吋，只要所掃描的標記點滿足所述預定條件，即被獲取。所述標記點包括神經解剖學標記點，如鼻根點，枕外隆突、雙側耳前作為頭部神經解剖學定位標記點、前連合(Anterior Commissure, AC)、后連合(Posterior Commissure,PC),以及所述多個無電極標記點215。S13、采用基于判據的排除算法篩選獲得的所述標記點，并根據所述無電極標記點215的已知幾何形狀、相對位置關系和紋理特征對所述標記點進行過濾刪除。本實施例中，最終得到標示64個所述無電極標記點215的圖像。本實施例中，篩選所述標記點吋，主要依據1)相鄰標記點的相互距離，本實施例中，要求相鄰標記點的相互距離小于所述經顱磁刺激定位帽20上相鄰無電極標記點215的最大空間距離，而大于所述經顱磁刺激定位帽20上相鄰無電極標記點215的最小空間距離，其他不滿足要求的標記點則去除；2)標記點的分布方式,本實施例中，要求標記點是均勻離散有序分布的，由此，篩選保留的標記點與所述經顱磁刺激定位帽20上無電極標記點215的分布相接近。S14、根據所述無電極標記點215的已知三維形狀，使用條件膨脹法進行標記點的鄰域恢復。所述條件膨脹法即形態學的條件膨脹法(Conditional Dilation),也稱為形態領域恢復法(Morphological Reconstruction)。S15、計算所述無電極標記點215的中心坐標,輸出所述無電極標記點215的中心坐標并疊加顯示于三維磁共振圖像。由此，即完成所述無電極標記點215的檢測。S2 :所述機器視覺系統40采集獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽20的患者的頭部攝像機圖像。本實施例中，所述機器視覺系統40跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈10時，通過所述兩個攝像機跟蹤定位所述“十”字標記11。S3 :所述導航模塊50根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點215構建所述第一坐標系，根據所述攝像機圖像構建所述第二坐標系，并配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像。可以理解的是，所述導航模塊50利用反映患者大腦解剖結構和腦功能區域信息的磁共振圖像，并結合反映患者頭皮外形的所述多個無電極標記點215，構建患者的頭部三維模型，即所述第一坐標系。所述導航模塊50利用所述機器視覺系統40獲取的反映患者頭部外形的真實模型，構建患者頭部的外部三維模型，即所述第二坐標系。所述導航模塊50配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像，由此，可確定所述第一坐標系和所述第二坐標系 之間的位置關系。請參閱圖8，進ー步地，所述導航模塊50根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點215構建所述第一坐標系時，包括以下步驟S31、根據灰度值差異檢測所述多個無電極標記點215的邊界。在檢測獲得的磁共振圖像T1加權圖像上，所述多個無電極標記點215為高信號，呈聞売狀態。S32、將所述多個無電極標記點215的坐標轉換到三維空間。S33、根據設定的所述無電極標記點215的半徑和相對位置關系，得到每一所述無電極標記點215的中心坐標。S34、篩選出真正的無電極標記點215，并經過層間輪廓線的生成和三維表面重建，構建對應患者頭皮三維數字模型的所述第一坐標系。可以理解的是，所述第一坐標系直接反映了患者大腦解剖結構和腦功能區域信息及患者頭皮外形。S4 :所述導航模塊50計算刺激靶點在所述第一坐標系中的第一坐標，并計算所述第一坐標在所述第二坐標系中的第二坐標。所述導航模塊50依據操作者確定的對應著患者大腦解剖結構和腦功能區域信息及患者頭皮外形的刺激靶點，計算所述刺激靶點在所述第一坐標系中的第一坐標，可以理解，所述第一坐標即對應著患者頭部的大腦解剖結構和腦功能區域及患者頭皮外形。所述導航模塊50根據配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像后確定的所述第一坐標系和所述第二坐標系之間的相對位置關系，計算所述第一坐標映射到所述第二坐標系中的第二坐標，所述第二坐標即為對應著患者頭部的大腦解剖結構和腦功能區域及頭皮外形的刺激靶點對應于患者頭部外形真實模型的具體位置。S5 :所述導航模塊50根據所述第二坐標，并結合所述機器視覺系統40對所述經顱磁刺激線圈的實時可視地跟蹤定位，確定經頡磁刺激線圈10的定位信息。可以理解的是，所述經顱磁刺激線圈10的定位信息包括放置經顱磁刺激線圈10的位置和角度。具體地，所述導航模塊50根據所述機器視覺系統40檢測到的所述紅色標志點111進行“十”字標記重建，并和預先保存的“十”字標記進行匹配檢測，以計算并確認所述經顱磁刺激線圈10的治療焦點的坐標和所述第二坐標重合。由此，可使所述經顱磁刺激線圈10精確的定位于患者頭部的具體位置。相較于現有技木，本發明提供的經顱磁刺激導航系統I利用磁共振成像系統30獲取的患者頭部磁共振圖像和經顱磁刺激定位帽20中多個無電極標記點215，由導航模塊50構建第一坐標系(對應患者內部腦結構和腦功能區域及頭皮外形)，同時利用機器視覺系統40獲取攝像機圖像并實時可視地跟蹤定位經顱磁刺激線圈10，由導航模塊50構建第二坐標系(對應患者頭部外形真實模型)，同時利用導航模塊50對磁共振圖像和攝像機圖像進行配準，確定所述第一坐標系和所述第二坐標系的相對位置關系，再由導航模塊50根據刺激靶點在第一坐標系的位置確定經顱磁刺激線圈10在 第二坐標系的定位信息，由此，可以充分整合患者頭皮外形、腦解剖結構和腦功能區域的信息，并結合醫生的判斷，精確可視地對經顱磁刺激線圈進行定位。同時，所述經顱磁刺激導航系統I易于實現，且操作簡單，可有效降低整體成本。此外，本發明提供的采用所述經顱磁刺激導航系統I的經顱磁刺激線圈定位方法的步驟簡單，易于醫生掌握、并有效地實現操作。以上所述，僅是本發明的實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述掲示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種經顱磁刺激導航系統，其用于經顱磁刺激線圈定位，其特征在于所述經顱磁刺激導航系統包括 經顱磁刺激線圈； 經顱磁刺激定位帽，其具有多個無電極標記點； 磁共振成像系統，所述磁共振成像系統掃描獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部磁共振圖像，供醫生確定刺激靶點，所述磁共振成像系統檢測所述多個無電極標記占. 機器視覺系統，所述機器視覺系統采集獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈 '及 導航模塊，所述導航模塊連接于所述磁共振成像系統和所述機器視覺系統，所述導航模塊根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點構建第一坐標系，并根據所述攝像機圖像構建第二坐標系，所述導航模塊配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像，并確定所述第一坐標系和所述第二坐標系的相對位置關系，所述導航模塊根據刺激靶點在所述第一坐標系的位置確定所述經顱磁刺激線圈在所述第二坐標系的定位信息。
2.如權利要求I所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述經顱磁刺激線圈設置有“十”字標記，所述“十”字標記包括多個紅色標記點，且所述“十”字標記的中心點和所述經顱磁刺激線圈的治療焦點重合。
3.如權利要求2所述經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述經顱磁刺激線圈為具有兩個圓孔的“8”字形結構，其設置有橫向的7個所述紅色標記點及縱向的7個所述紅色標記點，橫向的7個所述紅色標記點和縱向的7個所述紅色標記點交叉于所述中心點，且橫向的 個所述紅色標記點的連線穿過所述兩個圓孔的中心，縱向的7個所述紅色標記點的連線和所述經顱磁刺激線圈的手柄的中心線相重合。
4.如權利要求2所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述導航模塊根據所述機器視覺系統檢測到的所述紅色標志點進行“十”字標記重建，并和預先保存的“十”字標記進行匹配檢測，以計算所述經顱磁刺激線圈的治療焦點的坐標。
5.如權利要求I所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述經顱磁刺激定位帽包括帽體及設置于所述帽體的松緊帶，所述帽體設置有多條經度線、多條緯度線以及所述多個無電極標記點，所述多條經度線和所述多條緯度線縱橫分布于所述帽體，所述多個無電極標記點根據10/20系統法分布于所述帽體。
6.如權利要求5所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述帽體為白色的具有彈性和硬度的網狀結構，其設置有8 128個紅色的所述無電極標記點。
7.如權利要求5所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述多個無電極標記點嵌設于所述帽體，每一所述無電極標記點均為直徑和厚度等于2 IOmm的圓柱體，且由在磁共振掃描中高亮顯示的材料制成。
8.如權利要求7所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，每一所述無電極的標記點均為直徑和厚度都等于5mm的圓柱體，制作材料為甘油，并由聚對苯二甲酸類塑料紅色薄膜包裹固定成型。
9.如權利要求5所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述多條經度線包括從鼻根點沿鼻梁中心線連接至枕外隆突的中心經度線，所述多條緯度線包括連接左側耳前、大腦頂點和右側耳前三點的中心緯度線。
10.如權利要求6所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述帽體設置9條所述經度線、7條所述緯度線及64個所述無電極標記點。
11.如權利要求I所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述機器視覺系統包括兩個攝像機，所述兩個攝像機同時從不同角度獲取佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部圖像以構建所述攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位所述經顱磁刺激線圈。
12.如權利要求I所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述導航模塊包括磁共振圖像處理單元和導航計算單元，所述磁共振圖像處理單元和所述導航計算單元相連接，所述磁共振圖像處理單元根據所述患者頭部磁共振圖像進行數據處理，所述導航計算單元根據所述磁共振圖像處理單元的數據處理結果進行計算。
13.如權利要求I所述的經顱磁刺激導航系統，其特征在于，所述經顱磁刺激導航系統進一步包括圖形用戶界面模塊，所述圖形用戶界面模塊雙向交互連接于所述磁共振成像系統及所述導航模塊。
14.一種采用如權利要求I 13任一項所述的經顱磁刺激導航系統的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于所述經顱磁刺激線圈定位方法包括如下步驟 SI :所述磁共振成像系統掃描獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部磁共振圖像，并檢測所述經顱磁刺激定位帽的多個無電極標志點； S2:所述機器視覺系統采集獲得佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者的頭部攝像機圖像； ·53:所述導航模塊根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點構建所述第一坐標系，根據所述攝像機圖像構建所述第二坐標系，并配準所述磁共振圖像和所述攝像機圖像； ·54:所述導航模塊計算刺激靶點在所述第一坐標系中的第一坐標，并計算所述第一坐標在所述第二坐標系中的第二坐標；及 ·55:所述導航模塊根據所述第二坐標，并結合所述機器視覺系統對所述經顱磁刺激線圈的實時可視地跟蹤定位，確定經顱磁刺激線圈的定位信息。
15.如權利要求14所述的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于，所述經顱磁刺激線圈的定位信息包括放置經顱磁刺激線圈的位置和角度。
16.如權利要求14所述的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于，SI步驟中，檢測所述多個無電極標記點時，進一步包括以下步驟 ·511、對佩戴所述經顱磁刺激定位帽的患者進行頭部磁共振掃描，獲得并讀入所述患者的頭部磁共振圖像。
·512、采用三維“高帽”算法對所述磁共振圖像的表面頂部區域進行標記點搜索，并保存所有滿足預定條件的標記點的鄰域； ·513、采用基于判據的排除算法篩選獲得的所述標記點，并根據所述無電極標記點的已知幾何形狀、相對位置關系和紋理特征對所述標記點進行過濾刪除； ·514、根據所述無電極標記點的已知三維形狀，使用條件膨脹法進行標記點的鄰域恢復；及 ·515、計算所述無電極標記點的中心坐標，輸出所述無電極標記點的中心坐標并疊加顯示于三維磁共振圖像。
17.如權利要求16所述的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于，所述標記點包括神經解剖學標記點和所述多個無電極標記點。
18.如權利要求16所述的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于，Sll步驟中共獲得128個標記點的鄰域。
19.如權利要求16所述的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于，S12步驟中所述預定條件包括標記點的灰度值、標記點的所在區域及標記點的分布方式。
20.如權利要求16所述的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于，S12步驟中最終得到標示64個所述無電極標記點的圖像。
21.如權利要求14所述的經顱磁刺激線圈定位方法，其特征在于，S3步驟中，所述導航模塊根據所述磁共振圖像和所述多個無電極標記點構建所述第一坐標系時，進一步包括以下步驟 S31、根據灰度值差異檢測所述多個無電極標記點的邊界； S32、將所述多個無電極標記點的坐標轉換到三維空間； S33、根據設定的所述無電極標記點的半徑和相對位置關系，得到每一所述無電極標記點的中心坐標；及 S34、篩選出真正的無電極標記點，并經過層間輪廓線的生成和三維表面重建，構建對應患者頭皮三維數字模型的所述第一坐標系。
全文摘要
本發明提出一種經顱磁刺激導航系統，其用于經顱磁刺激線圈定位，包括經顱磁刺激線圈、經顱磁刺激定位帽、磁共振成像系統、機器視覺系統及導航模塊。定位帽具有多個無電極標記點；磁共振成像系統掃描獲取頭部磁共振圖像供醫生確定刺激靶點，并檢測所述多個無電極標記點；機器視覺系統采集獲得頭部攝像機圖像，并實時可視地跟蹤定位經顱磁刺激線圈；導航模塊連接于磁共振成像系統和機器視覺系統，其根據磁共振圖像和無電極標記點構建第一坐標系，根據攝像機圖像構建第二坐標系，配準磁共振圖像和攝像機圖像，確定第一、第二坐標系的相對位置關系，并確定經顱磁刺激線圈在第二坐標系的定位信息。本發明另外提供一種經顱磁刺激線圈定位方法。
文檔編號A61B5/055GK102814002SQ20121028150
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者王輝, 秋云海, 劉小武 申請人:深圳先進技術研究院