CN101912668B - 一种导航经颅磁刺激治疗系统 - Google Patents

Abstract

一种导航经颅磁刺激治疗系统，主要由一小型核磁共振成像系统、一光学定位导航系统和一经颅磁刺激仪组成；其中：小型核磁共振成像系统与经颅磁刺激治疗系统的微机连接，小型核磁共振成像系统扫描得到扫描成像数据传输至该微机数据库中；经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统调取该成像数据进行三维模型重建，重建后配准刺激线圈，指导线圈固定位置，使得线圈刺激焦点与指定刺激点重合；经颅磁刺激仪的高压脉冲发生器作用于线圈；经颅磁刺激仪与光学定位导航系统均连接在导航经颅磁刺激治疗系统的微机上，工作时分屏独立显示。本发明操作方便，定位准确，刺激有针对性，功能强大，可广泛用于精神科、神经科及康复科。

Description

一种导航经颅磁刺激治疗系统

技术领域

本发明涉及一种导航经颅磁刺激治疗系统，具体地说，包括导航经颅磁刺激专用小型磁共振系统、光学定位导航系统及基于labview开发平台的经颅磁刺激仪的导航经颅磁刺激治疗系统。

本发明还涉及上述导航经颅磁刺激治疗系统中光学定位导航系统的定位方法。

背景技术

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation TMS)是Barker等于1985年首先创立的一种皮层刺激方法，具有无痛、无损伤、操作简便、安全可靠等优点，很快得到临床应用。所谓“经颅”是说明磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑皮质，实际应用中并不局限于头脑的刺激，外周神经肌肉同样可以刺激，所以简单称作“磁刺激”也可以。

磁刺激是一种物理刺激形式，它是利用时变电流流入线圈，产生高强度时变脉冲磁场，时变脉冲磁场在组织内产生感应电场和感生电流，感应电流使某些可兴奋组织产生兴奋的一种刺激方法。目前常用磁刺激的方法是通过电容器储存电能，再通过线圈放电，脉冲大电流通过线圈时形成强脉冲磁场，进而产生感生电场，从而达到刺激的目的。

目前公知的经颅磁刺激仪，大部分都未有配套的导航定位系统指导其精确刺激，使用时往往依靠医生的经验，在“大概”的部位进行刺激，刺激不精确，治疗效果大打折扣，同时会误导医生的判断，否定可能是正确的治疗方案。小部分的仪器配有导航定位系统，目前主要有两种情况，一是机械定位，通过触发病人运动诱发电位与机械定位工具配合使用来定位线圈，其缺点是机械定位工具复杂，操作步骤繁琐，一般操作者不会使用或用的不好；另一种是光学导航定位，操作主要集中在导航定位软件上，但其为了重建病人头部的三维模型，往往需要跨科室配合，病人各科室奔波，才能得到病人核磁共振(MRI)头部扫描图片，操作可实现性差。现在的医院大型MRI系统，因为可以对全身多部位成像，场强、均匀区指标要求高，所以磁体都较大，如常规永磁0.35T核磁共振系统，其磁体重量为16吨左右，磁体尺寸1.3*3*2m，超导则体型更庞大，只能置于医院的最底层，而且为了屏蔽外界对人体和线圈的产生的干扰信号，需要建立屏蔽间，这些都无法灵活的配合导航经颅磁刺激仪使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导航经颅磁刺激治疗系统，以克服公知技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供的导航经颅磁刺激治疗系统，主要由一小型核磁共振成像系统(MRI)、一光学定位导航系统和一经颅磁刺激仪组成；其中：

小型核磁共振成像系统与经颅磁刺激治疗系统的微机连接，小型核磁共振成像系统扫描得到扫描成像数据传输至该微机数据库中；

经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统调取该成像数据进行三维模型重建，重建后配准刺激线圈，指导刺激线圈固定位置，使得刺激线圈刺激焦点与指定刺激点重合；

经颅磁刺激仪的高压脉冲发生器作用于刺激线圈；

经颅磁刺激仪与光学定位导航系统均连接在导航经颅磁刺激治疗系统的微机上，工作时分屏独立显示。

所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，经颅磁刺激仪主要包括：

一高压脉冲电源、一肌电采集装置和一温度测量装置，以及负责控制高压脉冲电源、采集肌电信号和采集温度信号的基于Labview图形化编译平台的经颅磁刺激控制软件；所述的高压脉冲电源、肌电采集装置和一温度测量装置分别连接至一数据采集卡；该数据采集卡连接至所述微机；高压脉冲电源与剌激线圈连接；

高压脉冲电源包括有充电电源、控制电路和放电开关三部分；

剌激线圈由铜线绕制，绕制的形状为圆形剌激线圈、8字型剌激线圈、蝶形剌激线圈或阵列剌激线圈；

温度测量装置由温度传感器、保护电路和增益放大电路组成。

所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，高压脉冲电源、肌电采集装置和温度测量装置分别通过一接线盒连接至数据采集卡，或直接与数据采集卡之间用数据线连接。

所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，肌电采集装置为双通道抗干扰的肌电信号采集装置。

所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，使用小型核磁共振成像系统，配套使用有柔性电磁屏蔽材料制成的屏蔽衣，屏蔽效果在70db以上。

所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，光学定位导航系统包含双目红外摄像机、光学定位工具及导航软件。

所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，光学定位导航系统中的光学定位工具为红外反射球。

本发明提供的导航经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统的定位方法，其操作步骤为：

A)调取经颅磁刺激治疗系统的微机数据库中核磁共振扫描成像数据；

B)对图像中的区域进行勾划；

C)对勾划的图像进行分割；

D)对分割后的图像进行三维重建；

E)固定刺激线圈，摄像机获取光学定位工具坐标系数据；

F)指针偏移，使摄像机得到该指针尖端数据；

G)用Pointer光学定位工具选取刺激线圈表面不共线的三个凹陷的点；

H)根据采集的数据，将三个凹陷的点在摄像机坐标系下的位置转换到局部坐标系；

I)通过三点共面求得其表面法向量；

J)根据刺激线圈焦点位置坐标和表面法向量，便可在三维空间中仿真出刺激线圈的位置和姿态；

K)选取三维图像空间中的标志点坐标；

L)用Pointer光学定位工具选取病人空间中对应标志点坐标；

M)利用迭代最近点方法对上述两个空间进行配准；

N)依据刺激线圈校准，图像空间和实际空间的配准得出结果，进行导航定位操作。

所述导航经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统的定位方法，其中，步骤E中的坐标系数据是光学定位工具定义的局部坐标系原点在摄像机坐标系下空间坐标。

所述导航经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统的定位方法，其中，步骤G中指针依次采点的顺序是固定的。

本发明优点是：

1)导航定位磁刺激治疗系统，磁刺激定位精确，与非导航刺激同等情况下提升了治疗效果。

2)小型MRI系统脑部图像病灶部位诊断，光学定位导航系统病灶准确定位，经颅磁刺激仪治疗部位刺激精确，小型MRI系统疗效评估。三者有机结合，三位一体，实现医疗改革创新。

3)一室实现多科室治疗，减少病人看病手续。

4)经颅磁刺激仪功能全面：通过Labview软件编程及参数定义控制高压脉冲电源对线圈充放电，实现了经颅磁刺激的单刺激、重复刺激、随机刺激、序列刺激等多种模式，同时拥有肌电信号采集功能，温度报警功能，序列倒计时功能，以及病人信息数据库管理，病人报告编辑和打印，远程控制和数据通信等多项附加功能

5)由于经颅磁刺激仪是基于Labview编程，在不改变硬件的情况下，仅通过改变软件，即可根据用户新的需要实现新的功能，非常方便灵活，是相当于软件即硬件。

附图说明

图1是本发明的整体组成结构及其操作流程示意图

图2是本发明光学定位导航系统软件操作界面

图3是本发明光学定位导航系统软件操作流程图

图4是本发明经颅磁刺激仪的结构示意图。

图5是本发明经颅磁刺激仪中高压脉冲电源结构示意图。

图6是本发明的经颅磁刺激仪中高压脉冲电源电原理图。

图7是本发明的经颅磁刺激仪中高压脉冲电源EMI滤波和整流的电路原理图。

图8是本发明的经颅磁刺激仪中高压脉冲电源全桥逆变模块电路原理图。

图9是本发明的经颅磁刺激仪中高压脉冲电源控制电路原理图。

图10是本发明的经颅磁刺激仪中肌电采集装置的结构图。

图11是图10中信号放大部分的功能框图。

图12是本发明的经颅磁刺激仪中肌电采集装置的电原理图。

图13是本发明所涉及的基于Labview的经颅磁刺激仪的软件操作界面

图14是本发明所涉及的基于Labview的经颅磁刺激仪的软件操作流程图

图15是本发明的经颅磁刺激仪中温度测量装置结构图。

图16是本发明的经颅磁刺激仪中温度测量装置电原理图。

具体实施方式

本发明的导航经颅磁刺激治疗系统，采用了小型化专用MRI，只对头部成像，体积为1.1×0.9×1.4(米)，重量仅3吨左右，可置于高层，同时设计了屏蔽衣代替屏蔽间，节省了空间，从而实现了将MRI系统、光学定位导航系统及经颅磁刺激仪置于一个治疗室内，共同配合，导航定位刺激的治疗方法。

本发明的导航经颅磁刺激治疗系统，包括：一专用小型MRI系统、一光学定位导航系统和一经颅磁刺激仪，由于专用小型MRI系统的体积小，因而可以和光学定位导航系统与经颅磁刺激仪置于同一房间内。

本发明采用的专用小型MRI系统是仅限于头部磁共振成像的系统，为一公知设备，包括专用小型磁体、头部射频线圈、梯度线圈、谱仪、电动床、及成像软件等部分，其各部分之间的连接关系和以及使用状态与常规大型MRI系统相同，以上的专用小型MRI系统均购自北京博伦特医疗科技有限公司。

经颅磁刺激仪labview控制软件与光学定位导航系统控制软件均安装在经颅磁刺激仪微机上，工作时分屏独立显示，专用小型MRI系统扫描软件与经颅磁刺激微机通过网络连接，传输数据。

治疗流程为：病人先进行小型MRI头部扫描，得到头部扫描成像图片，该图片通过网络传输到经颅磁刺激仪微机数据库内；再由安装在经颅磁刺激仪微机系统中的光学导航软件调取该图像，对病人头部三维模型重建，重建后配准刺激线圈，配准重建图像与病人空间位置，从而指导线圈固定位置，使得线圈刺激焦点与指定刺激点重合；经颅磁刺激仪再通过labview软件控制高压脉冲发生器作用于线圈，实现磁刺激治疗；刺激结束后再对病人进行磁共振扫描，从而对病人治疗效果进行评估。

本发明提供的专用小型MRI系统，包含专用小型磁体、头部线圈、梯度线圈、谱仪、电动床、屏蔽衣及成像软件几部分。

屏蔽衣选材标准为：材料为柔性电磁屏蔽材料，屏蔽效果在70db以上的非磁性材料；

屏蔽衣的结构为：型如“旅行袋”，由柔性屏蔽材料和“拉链”组成。包裹前屏蔽衣展开平铺于电动床上，病人躺在柔性屏蔽材料上，头部置于头部发射线圈内，柔性屏蔽材料绕过固定头部的支架的底部，这样用于包裹头部的屏蔽材料与包裹体部的屏蔽材料就连成一体，将屏蔽材料收起，拉上拉链，这样病人整个身体同头部发射线圈就一同被无缝包裹在屏蔽衣里。

屏蔽衣的“拉链”为非磁材料制成。

头部射频发射和接收线通过专用的小型波导板上的BNC接头进入屏蔽体，保证屏蔽性能的地线也可以考虑在此时一并连接。

屏蔽衣本身具有透气性(本发明选用的紫铜密织屏蔽网材质和网状结构保证了透气性)，但如果使用者呼吸困难，本发明可以将用于呼吸的软管在病人脚部通过专用的波导管进入。

本发明提中的光学定位导航系统，包含双目红外摄像机、光学定位工具及导航软件。其中光学定位工具为红外反射球。

本发明的经颅磁刺激装仪，主要包括：

一高压脉冲电源、一肌电采集装置和一温度测量装置，以及负责控制高压脉冲电源、采集肌电信号和采集温度信号的基于Labview图形化编译平台的经颅磁刺激控制软件；所述的高压脉冲电源、肌电采集装置和一温度测量装置分别连接至一数据采集卡；该数据采集卡连接至一微机；

经颅磁刺激控制软件包含单刺激、重复刺激、随机刺激和序列模式，肌电信号采集窗口以及温度采集模块；单刺激、重复刺激、随机刺激和序列模式设计原理相通，都是通过各自界面设定参数，控制NI PCI-6221板卡输出数字脉冲信号，包括脉冲信号的频率和幅值。利用NI PCI-6221板卡的Counter 0通道控制放电脉冲信号的输出。

单刺激为一次触发一个脉冲信号，重复刺激、随机刺激和序列模式为一次触发多个脉冲信号，重复刺激频率固定，随机刺激每单次触发一串脉冲信号的频率为用户设定的频率范围内随机产生，序列模式则为重复刺激的序列形式，即多个重复刺激的集合。

单刺激、重复刺激、随机刺激和序列模式通过设定放电强度参数，控制NI PCI-6221板卡输出基准电压模拟信号，利用PCI-6221板卡的AO 0通道控制基准电压信号输出。

高压脉冲电源与剌激线圈连接。

经颅磁刺激仪中的高压脉冲电源、肌电采集装置和温度测量装置分别通过一接线盒(比如屏蔽式I/O接线盒)连接至数据采集卡(比如PCI数据采集卡)，或直接与数据采集卡之间用数据线连接。

经颅磁刺激仪中的剌激线圈由铜线绕制，绕制的形状为圆形线圈、8字型线圈、蝶形线圈或阵列线圈。

经颅磁刺激仪中的肌电采集装置为双通道抗干扰的肌电信号采集装置。

经颅磁刺激仪中的温度测量装置由温度传感器、保护电路和增益放大电路组成；温度传感器为铂金属温度传感器，增益放大部分采用内部频率补偿的双运算放大器。

经颅磁刺激仪中的高压脉冲电源包括有充电电源、控制电路和放电开关三部分。

下面结合附图对本发明作详细介绍。

请参阅图1，本发明的基本构成是：专用小型MRI系统，光学定位导航系统和经颅磁刺激仪。小型MRI系统成像软件与经颅磁刺激仪的微机通过网络连接，可传输数据。

专用小型MRI系统、光学定位导航系统与经颅磁刺激仪置于同一房间内，经颅磁刺激仪labview控制软件与光学定位导航系统控制软件均安装在经颅磁刺激仪微机上，工作时分屏独立显示。

图1中展示了本发明的治疗操作流程为：病人先进行小型MRI头部扫描，得到头部扫描成像图片，该图片通过网络传输到经颅磁刺激仪微机数据库内；再由安装在经颅磁刺激仪微机系统中的光学导航软件调取该图像，对病人头部三维模型重建，重建后配准刺激线圈，配准重建图像与病人空间位置，从而指导线圈固定位置，使得线圈刺激焦点与指定刺激点重合；经颅磁刺激仪再通过labview软件控制高压脉冲发生器作用于线圈，实现磁刺激治疗；刺激结束后再对病人进行磁共振扫描，从而对病人治疗效果进行评估。

本发明中专用小型MRI系统是仅限于头部磁共振成像的系统，包括专用小型磁体、头部射频线圈、梯度线圈、谱仪、电动床、屏蔽衣及成像软件几部分，其各部分之间的连接关系和以及使用状态与常规大型MRI系统相同，除屏蔽衣以外均购自北京博伦特医疗科技有限公司。

MRI系统小型化，主要减小磁体的大小，其余部件配合设计。本发明采用由北京博伦特医疗科技有限公司提供的小型MRI系统，相关指标如下：

小型磁体：体积：1.1*0.9*1.4m，重量：3吨左右，场强：0.23T，均匀区：240mm，均匀度：20ppm，Gap(磁体上下间隙)：330mm。

头部射频线圈：10M头部射频线圈。

梯度强度：20mT/m，梯度切换率40mT/m/ms。

谱仪：10M以上。

电动床尺寸：1.9*0.6*0.65m。

本发明中专用小型MRI系统的屏蔽衣，其设计结构为：型如“旅行袋”，由柔性屏蔽材料和“拉链”组成。包裹前屏蔽衣展开平铺于电动床上，病人躺在柔性屏蔽材料上，头部置于头部发射线圈内，柔性屏蔽材料绕过固定头部的支架的底部，这样用于包裹头部的屏蔽材料与包裹体部的屏蔽材料就连成一体，将屏蔽材料收起，拉上拉链，这样病人整个身体同头部发射线圈就一同被无缝包裹在屏蔽衣里。屏蔽衣“拉链”为非磁材料制成。

屏蔽衣选材标准为：材料为柔性电磁屏蔽材料，屏蔽效果在70db以上的非磁性材料；头部射频发射和接收线通过专用的小型波导板上的BNC接头进入屏蔽体，保证屏蔽性能的地线也可以考虑在此时一并连接；屏蔽衣本身具有透气性(选用紫铜密织屏蔽网材质和网状结构)。

本发明中的光学定位导航系统，包含双目红外摄像机、光学定位工具及导航软件：

双目红外摄像机与光学定位工具为美国NDI公司的Polaris Vicra型号光学导航设备。

光学定位工具为红外反射球；

光学定位导航系统编程语言采用标准C++，QT作为软件界面的开发工具，ITK和VTK作用二维图像的分割和三维模型的重建工具，NDI公司提供的定位系统API软件包作为导航的开发工具。

图2、3展示了本发明中的光学定位导航系统的软件操作界面和操作流程。

光学定位导航系统导航软件的操作步骤：

A)调取经颅磁刺激仪微机数据库中病人磁共振头部扫描DICOM图像；

B)对每张DICOM图像中的感兴区域进行勾划；

C)利用ITK对勾划的二维图像进行分割；

D)利用VTK对分割后的图像进行三维重建；

E)固定刺激线圈，摄像机获取光学定位工具坐标系数据；

F)指针偏移，使摄像机得到该指针尖端数据；

G)用Pointer光学定位工具选取刺激线圈表面不共线的三个点(分别为线圈焦点、焦点左面一个点、焦点右面一个点)；

H)根据采集的数据，将三个凹陷的点在摄像机坐标系下的位置转换到局部坐标系；

I)通过三点共面求得其法向量；

J)根据线圈焦点位置坐标和表面法向量，便可在三维空间中仿真出线圈的位置和姿态；

K)选取三维图像空间中的标志点坐标；

L)用Pointer光学定位工具选取病人空间中对应标志点坐标；

M)利用迭代最近点(ICP)方法对上述两个空间进行配准；

N)依据线圈校准，图像空间和病人空间的配准得出结果，进行脑导航定位操作；

步骤E中的坐标系数据是光学定位工具定义的局部坐标系原点在摄像机坐标系下空间坐标。

步骤G中指针依次采点的顺序是固定的。

请参阅图4.，本发明中的经颅磁刺激仪，其基本结构为：

高压脉冲电源1通过14根控制线与线圈2相连，高压脉冲电源1、肌电采集装置3和温度测量装置8分别通过数据线与接线盒4相接，接线盒4又通过线缆5与电脑主机中的PCI数据采集卡6相连，PCI数据采集卡6与Labview软件7相互通信实现数模转换。

本发明中的经颅磁刺激仪，其接线盒4可以不用，即可将高压脉冲电源1、肌电采集装置3和温度测量装置8与PCI数据采集卡6直接通过线缆(数据线)相连，共计数据线24根，其中包括12根高压控制线，测温线路2根，肌电采集线2根，5V电压2根，地线6根。

本发明中的经颅磁刺激仪，其高压脉冲电源1主要由充电电源、控制电路和放电开关三大部分组成。其结构如图5和图6所示，其中图5为本实施例的经颅磁刺激仪中高压脉冲电源结构示意图，图6是本实施例的经颅磁刺激仪中高压脉冲电源电原理图。

充电电源中，滤波和整流模块连接一全桥逆变模块的输入端；该全桥逆变模块的输出端通过一高频变压器升压模块连接滤波整流模块，该整流模块的输出端连接储能电容。充电电源的输出端连接至放电开关的输出入端；充电电源通过开机信号、主电ok信号等11根信号线与控制电路相连；控制电路通过一根放电时钟线连接至放电开关。

充电电源主要由EMI(低通)滤波和整流模块(具体电路原理请参阅如图7所示)、全桥逆变模块(具体电路原理图如图8a所示)、高频变压器升压模块(型号可采用YD-PQ26/25、YD-G02)、滤波整流模块(同图7的整流模块)和储能电容(可以采用2kv/1uF的储能电容)五个部分构成。其中的全桥逆变模块主要由四只IGBT功率模块构成，四只IGBT分两组(其中VT₁、VT₂为一组，VT₃、VT₄为一组)导通闭合，从而控制高频变压器的导通闭合。工作过程为：220V的交流电经过EMI滤波和整流模块和全桥逆变模块后形成交流的方波信号，方波信号经过高频变压器升压和滤波整流后就形成了高压的电压信号，最后将获得的高压对储能电容充电。

放电开关主要有两个模块构成：MDD95-16二极管模块和SKKT250/16E可控硅整流模块。其中可控硅模块作为可控制的放电点开关，二极管模块作为放电开关的保护电路。二极管的2管脚接可控硅模块的输入端，3管脚接可控硅模块的输出端，1脚与触发板的控制端相连。

控制电路主要由接口板和触发板组成，接口板主要是对进入的外部控制信号和充电电源模块返回的信号通过TPL521光耦隔离器进行隔离，之后输出控制充电电源和放电开关以及反馈信号给控制端，以防止高压脉冲对控制信号造成干扰，以致损坏控制电路。接口板主要由端接器件和光耦组成，信号经过输入端输给光耦输入端，经光耦后输出给输出端。触发板主要由端接器件构成，起信号侨联的作用。接口板的控制信号从CZ3输出，并接入触发板的输入端(如图9所示)。

本发明中的经颅磁刺激仪，其高压脉冲电源的具体参数如下：

最大输出电压：1.5KV；

输出电压可变：0-1.5KV(由外接0-10V电压控制)；

输出电压脉冲宽度：280-400微秒(宽度由外接TTL信号控制)；

输出电压脉冲频率：输出电压为0.6KV时100Hz，输出电压为1.5KV时15Hz(频率由外接TTL信号控制)；

最大输出脉冲串个数：500个；

两个脉冲串之间的最短间隔：3秒。

本发明中的经颅磁刺激仪，其线圈2由铜线绕制，根据绕制的形状不同，可分为圆形线圈、8字型线圈、蝶形线圈、阵列线圈等，根据不同的刺激需要，其尺寸也不尽相同，常用的圆形线圈直径为90mm，8字型线圈则为2*90mm。控制线一端与绕制的铜线端口相接，另一端与高压脉冲电源相连。

本发明中的经颅磁刺激仪，其肌电采集装置3为双通道抗干扰肌电信号采集装置，其各项参数为：放大倍数5000倍，分三档；共模抑制比80分贝；导联为双导；前级为浮地；后级为光电耦合；频率响应为2-2KHZ。

图10给出了本发明肌电采集装置各部件连接结构图。

肌电采集装置主要由电极、信号放大部分(增益放大电路、增益控制电路、光耦隔离器、陷波器)及信号采集系统组成。该采集装置为双通道，每个通道有3个电极，分别为活动电极、参考电极和地，用于采集人体的肌电信号，使用方法为公知技术。电极通过数据线与信号放大部分电路相连。电极采集到的肌电信号经信号放大部分进行放大后，再通过信号采集系统进行采集，采集方式可为公知的信号采集方法/技术，本实施的信号放大部分与信号采集系统之间有4条数据线相连，2条为双通道各自的信号线，1条为地线，1条为电源线，4条数据线接到NI公司提供的接线盒上，接线盒再通过屏蔽式线缆与计算机PCI卡相连，PCI卡与上层labview软件通信，采集肌电信号。

图11是图10中信号放大部分的示意图。

图12是本实施例的经颅磁刺激仪中肌电采集装置的电原理图。

由于肌电装置需要与人体直接接触，所以对电源的要求比较严格，本实新型在光耦隔离器TLP521之前的电路中的电源采用浮地电源Vf，光耦之后的电路采用实地电源Vs，这样就能阻断外部干扰信号对微弱的肌电信号的干扰，提高整个电路的电磁兼容性。同时在电路中采用了TLP521光耦隔离器，将前端的肌电信号放大电路与后端的信号采集电路充分地进行光耦隔离，避免后端的高压信号对前端电路造成影响，提高装置的高压隔离度和抗高压能力。

请参阅图11和图12所示，本实施例的高增益信号放大电路中，采用了两个低功耗场效应输入的四运算放大器LF444和两个低噪声高精度运算放大器OP07。其中第一个LF444构成第一级差分输入单端输出的高输入阻抗的差分放大电路，差分出入电路能够提供很高的共模抑制比，有利于提高信号质量。

第二个LF444中的两个运放构成了该电路的第二级主要增益控制电路，在每个运放的输入端增加了拨段开关，通过拨段开关即可以调节电路的增益，也可以调节电路的时间参数和电路的通带范围。该电路的最大可调增益为60dB，可调通带范围为0-2KHz。

经过主要增益控制电路后，由OP07构成的一个光隔离匹配器和带零位调节的缓冲器，之后再经过光耦隔离器TLP521。

光耦隔离器出来的信号经过一个由3个1uF电容、2个536K和1个267K电阻构成的50Hz陷波器。该陷波器能够防止50HZ的工频干扰，同时还具有低通滤波器的效果。

最后由陷波器出来的信号再经OP07运算放大器放大，并输出给采集设备。

本发明采用的运算放大器LF444和OP07，以及光耦隔离器TLP521均为公知的模块。

本发明中的经颅磁刺激仪，其接线盒4可采用美国国家仪器(NI)公司推出的与PCI 6221卡配套的接线盒，其型号为NI SCB-68。NI SCB-68是一款屏蔽式I/O接线盒，可将I/O信号连往配有68针连接端口的插入式数据采集(DAQ)设备(PCI 6221)。结合屏蔽式线缆时，SCB-68可提供坚固且噪音极低的信号终端。

本发明中的经颅磁刺激仪，其线缆5为美国NI公司推出的与PCI 6221数据采集卡配套的屏蔽式线缆，其型号为NI SHC68-68-EPM。NISHC68-68-EPM可将NI公司68针X系列和M系列设备连至68针附件，长度分为0.5米、1米、2米、5米和10米，具有单独屏蔽模拟双绞线，用于降低高速板卡的串扰。

本发明中的经颅磁刺激仪，其PCI数据采集卡6为美国NI公司提供的PCI 6221数据采集卡，其相关参数为：2路16位模拟输出(频率范围833kS/s)，高达24路数字I/O；32位计数器；数字触发，16路单端输入(采样率为250KS/s，最大电压范围±10V)，关联DIO(8条时钟线，1MHz)，NIST校准认证书以及70多个信号调理选项。

本发明中的经颅磁刺激仪，其Labview控制软件7，是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的。LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。本发明将Labview软件安装在Windows操作系统下，该软件通过与PCI 6221卡通信，进行数模转换，实现控制目的。

图13、14展示了本发明中经颅磁刺激仪labview软件操作界面及操作流程图

本发明的经颅磁刺激仪的工作原理，即Labview作为控制端控制高压脉冲电源充电、放电，通过在Labview软件界面设定各种参数，以确定高压脉冲电源输出脉冲的幅度、脉宽和频率；高压脉冲电源放电产生高压脉冲或高压脉冲串，高压脉冲通过刺激线圈产生强脉冲电流从而获得强磁场，进而在组织内产生感应电场，达到刺激目的；温度测量装置检测线圈温度，将温度值反馈给Labview控制软件，以实现对线圈温度的实时监测和控制。

本发明的工作流程为：PC机通过控制电路设置充电电源的参数，控制电源将交流电转换为直流电，并对储能电容充电，同时充电电源通过控制电路返回相应的状态给PC机，当充电电源充电完成，它返回给PC机充电就绪的信号，此时PC机就可以通过控制电路控制放电开关将储能电容中的电能释放到线圈中。在此过程中，PC机还通过控制电路时时监测线圈的状态。

本发明的经颅磁刺激仪包括以下功能：

刺激方式上有：单刺激、重复刺激、随机刺激、序列模式4项，其中参数包含：刺激强度、频率、持续时间、脉冲个数、脉冲串个数、等待时间等六项；

状态显示功能有：线圈连接状态显示，高压脉冲电源充电状态显示，线圈温度过高报警提示，重复刺激与随机刺激刺激剩余倒计时显示等；

附加功能有：病人信息登记及读取(含数据库管理)，病人治疗及诊断报告打印(含肌电图、治疗参数、治疗效果分析等多项)，以及远程控制及数据通信等。其中病人治疗及诊断报告是系统结合病人各种信息自动生成的word文档，操作者可根据自己需要进行编辑，方便易用。

单刺激、重复刺激、随机刺激和序列模式设计原理相通，都是通过各自界面设定参数，控制NI PCI-6221板卡输出数字脉冲信号，包括脉冲信号的频率和幅值。利用NI PCI-6221板卡的Counter 0通道控制放电脉冲信号的输出。

单刺激为一次触发一个脉冲信号，重复刺激、随机刺激和序列模式为一次触发多个脉冲信号，重复刺激频率固定，随机刺激每单次触发一串脉冲信号的频率为用户设定的频率范围内随机产生，序列模式则为重复刺激的序列形式，即多个重复刺激的集合。

单刺激、重复刺激、随机刺激和序列模式通过设定放电强度参数，控制NI PCI-6221板卡输出基准电压模拟信号，利用PCI-6221板卡的AO 0通道控制基准电压信号输出。

本发明中的经颅磁刺激仪，其温度测量装置8，主要由温度传感器、保护电路和增益放大电路组成。温度传感器采用了铂金属温度传感器PT100，增益放大部分采用了低功耗，具有内部频率补偿的双运算放大器LM358。此外，在增益放大电路的信号输入端增加了防雷保护电路，大大增强了温度测量装置的抗干扰能力。本发明的温度测量装置工作原理是，温度在0-100度变化时，当温度上升时，输入差分电路的差分信号变大，放大电路的输出电压相应升高。

本发明中的经颅磁刺激仪，其温度测量装置其各部件连接关系图如图15，图16是本实施例的电原理图。

其中PT100置于线圈内部，用于感应线圈的温度，感应回来的信号经增益放大电路将信号发大后再送给信号采集系统进行采集。如果采用8字型线圈，则将PT100置于8字型线圈的两线圈交接处，与线圈一起由绝缘导热硅橡胶灌封(数据线暴露在灌封的线圈模块的外面)。PT100通过普通连接线与增益放大电路相连，增益放大电路再通过普通的连接线与信号采集系统相连。这个信号采集系统可以为公知的信号采集方式/技术，本实施例的增益放大电路通过数据线与labview的接线盒相连，接线盒再通过屏蔽式线缆与计算机PCI卡相连，PCI卡与上层labview软件通信，采集温度。肌电信号通过LF444差分放大模块后信号放大，再进入增益控制模块，通过拨段开关调节电路的时间参数和电路的通带范围，对信号进行增益控制；再通过光耦隔离器阻断外部干扰信号对微弱肌电信号的干扰，并避免后端的高压信号对前端电路造成影响；最终通过滤波和运算放大将信号输出给采集设备。

由图16可以看出本发明的基于Labview的经颅磁刺激仪温度测量装置工作原理，即：温度在0-100度变化时，当温度上升时，PT100的阻值变大，输入差分电路的差分信号变大，放大电路的输出电压AV相应升高。PT100、R2、R3和R4组成传感器测量电桥，输出差分信号，为了保证电桥输出电压的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥输出的差分信号经过LM358双运放两级放大之后输入数据采集卡。其中调节电位器R3能够调整差分输入信号的大小，通常用于调整零点。D1、D2、D3和D4为并联在PT100上的防雷保护电路，它们是由4个高压瞬态抑制二极管SMBJ18A组成，它们能有效地提高电路的抗冲击能力。

Claims (9)

1.一种导航经颅磁刺激治疗系统，主要由一小型核磁共振成像系统、一光学定位导航系统和一经颅磁刺激仪组成；其中：

小型核磁共振成像系统与经颅磁刺激治疗系统的微机连接，小型核磁共振成像系统扫描得到扫描成像数据传输至该微机数据库中；

经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统调取该成像数据进行三维模型重建，重建后配准刺激线圈，指导刺激线圈固定位置，使得刺激线圈刺激焦点与指定刺激点重合；

经颅磁刺激仪的高压脉冲发生器作用于刺激线圈；

经颅磁刺激仪与光学定位导航系统均连接在导航经颅磁刺激治疗系统的微机上，工作时分屏独立显示；

其中光学定位导航系统的定位方法为：

A)调取经颅磁刺激治疗系统的微机数据库中核磁共振扫描成像数据；

B)对图像中的区域进行勾划；

C)对勾划的图像进行分割；

D)对分割后的图像进行三维重建；

E)固定刺激线圈，摄像机获取光学定位工具的坐标系数据；

F)指针偏移，使摄像机得到该指针尖端数据；

G)用Pointer光学定位工具选取刺激线圈表面不共线的三个凹陷的点，其中指针依次采点的顺序是固定的；

H)根据采集的数据，将三个凹陷的点在摄像机坐标系下的位置转换到局部坐标系；

I)通过三点共面求得其表面法向量；

J)根据刺激线圈焦点位置坐标和表面法向量，便可在三维空间中仿真出刺激线圈的位置和姿态；

K)选取三维图像空间中的标志点坐标；

L)用Pointer光学定位工具选取病人空间中对应标志点坐标；

M)利用迭代最近点方法对上述两个空间进行配准；

N)依据刺激线圈校准，图像空间和实际空间的配准得出结果，进行导航定位操作。

2.如权利要求1所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，经颅磁刺激仪主要包括：

一高压脉冲电源、一肌电采集装置和一温度测量装置，以及负责控制高压脉冲电源、采集肌电信号和采集温度信号的基于Labview图形化编译平台的经颅磁刺激控制软件；所述的高压脉冲电源、肌电采集装置和一温度测量装置分别连接至一数据采集卡；该数据采集卡连接至所述微机；高压脉冲电源与刺激线圈连接；

高压脉冲电源包括有充电电源、控制电路和放电开关三部分；

刺激线圈由铜线绕制，绕制的形状为圆形刺激线圈、8字型刺激线圈、蝶形刺激线圈或阵列刺激线圈；

温度测量装置由温度传感器、保护电路和增益放大电路组成。

3.如权利要求2所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，高压脉冲电源、肌电采集装置和温度测量装置分别通过一接线盒连接至数据采集卡，或直接与数据采集卡之间用数据线连接。

4.如权利要求2所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，肌电采集装置为双通道抗干扰的肌电信号采集装置。

5.如权利要求1所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，使用小型核磁共振成像系统，配套使用有柔性电磁屏蔽材料制成的屏蔽衣，屏蔽效果在70db以上。

6.如权利要求1中所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，光学定位导航系统包含双目红外摄像机、光学定位工具及导航软件。

7.如权利要求6所述的导航经颅磁刺激治疗系统，其中，光学定位导航系统中的光学定位工具为红外反射球。

8.权利要求1所述导航经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统的定位方法，其操作步骤为：

A)调取经颅磁刺激治疗系统的微机数据库中核磁共振扫描成像数据；

B)对图像中的区域进行勾划；

C)对勾划的图像进行分割；

D)对分割后的图像进行三维重建；

E)固定刺激线圈，摄像机获取光学定位工具的坐标系数据；

F)指针偏移，使摄像机得到该指针尖端数据；

G)用Pointer光学定位工具选取刺激线圈表面不共线的三个凹陷的点，其中指针依次采点的顺序是固定的；

H)根据采集的数据，将三个凹陷的点在摄像机坐标系下的位置转换到局部坐标系；

I)通过三点共面求得其表面法向量；

J)根据刺激线圈焦点位置坐标和表面法向量，便可在三维空间中仿真出刺激线圈的位置和姿态；

K)选取三维图像空间中的标志点坐标；

L)用Pointer光学定位工具选取病人空间中对应标志点坐标；

M)利用迭代最近点方法对上述两个空间进行配准；

N)依据刺激线圈校准，图像空间和实际空间的配准得出结果，进行导航定位操作。

9.根据权利要求8所述导航经颅磁刺激治疗系统中的光学定位导航系统的定位方法，其中，步骤E中的坐标系数据是光学定位工具定义的局部坐标系原点在摄像机坐标系下的空间坐标。

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