CN102814002A - 经颅磁刺激导航系统及经颅磁刺激线圈定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种经颅磁刺激导航系统，其用于经颅磁刺激线圈定位，包括经颅磁刺激线圈、经颅磁刺激定位帽、磁共振成像系统、机器视觉系统及导航模块。定位帽具有多个无电极标记点；磁共振成像系统扫描获取头部磁共振图像供医生确定刺激靶点，并检测所述多个无电极标记点；机器视觉系统采集获得头部摄像机图像，并实时可视地跟踪定位经颅磁刺激线圈；导航模块连接于磁共振成像系统和机器视觉系统，其根据磁共振图像和无电极标记点构建第一坐标系，根据摄像机图像构建第二坐标系，配准磁共振图像和摄像机图像，确定第一、第二坐标系的相对位置关系，并确定经颅磁刺激线圈在第二坐标系的定位信息。本发明另外提供一种经颅磁刺激线圈定位方法。
Description
技术领域
本发明涉及医疗辅助器械领域，尤其涉及一种用于经颅磁刺激线圈定位的基于磁共振图像和机器视觉系统的经颅磁刺激导航系统及经颅磁刺激线圈定位方法。
背景技术
经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种皮层刺激方法，磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经，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进行刺激，因此现在都叫它为“磁刺激”。磁刺激是一种物理刺激形式，它是利用时变电流流入经颅磁刺激线圈，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，具有无痛、无损伤、操作简便、安全可靠等优点，在临床医学方面具有广泛的应用。
经颅磁刺激在实际应用中，最大难题的是如何精确地确定刺激靶点。最初，刺激靶点部位的选择主要依靠操作者所具备的解剖学知识，根据人脑常规脑功能的分布进行大致确定。然而，这种大致上确定的刺激点与实际有效刺激的部位之间通常存在较大误差。为解决上述问题，目前已有部分经颅磁刺激仪配有导航定位系统，包括机械定位系统和光学导航定位系统。其中，机械定位系统主要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，其存在的缺点是机械定位工具复杂，定位精度较差，且操作步骤繁琐，一般操作者难于有效使用；光学导航定位系统的操作主要集中在导航定位软件上，一般使用患者头部的核磁共振扫描图像来重建三维模型，然后利用光学导航系统实时跟踪经颅磁刺激线圈的位置，从而实现经颅磁刺激定位，其存在的缺点主要是缺乏患者的头皮形状信息，难于对经颅磁刺激线圈作进一步地精确定位，且目前的光学导航定位系统基本上不能对经颅磁刺激线圈进行实时可视地跟踪定位。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种经颅磁刺激导航系统，其用于经颅磁刺激线圈定位，所述经颅磁刺激导航系统包括经颅磁刺激线圈、经颅磁刺激定位帽、磁共振成像系统、机器视觉系统及导航模块。所述经颅磁刺激定位帽具有多个无电极标记点；所述磁共振成像系统扫描获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部磁共振图像，供医生确定刺激靶点，所述磁共振成像系统检测所述多个无电极标记点；所述机器视觉系统采集获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部摄像机图像，并实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈；所述导航模块连接于所述磁共振成像系统和所述机器视觉系统，所述导航模块根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点构建第一坐标系，并根据所述摄像机图像构建第二坐标系，所述导航模块配准所述磁共振图像和所述摄像机图像，并确定所述第一坐标系和所述第二坐标系的相对位置关系，所述导航模块根据刺激靶点在所述第一坐标系的位置确定所述经颅磁刺激线圈在所述第二坐标系的定位信息。
本发明一较佳实施方式中，所述经颅磁刺激线圈设置有“十”字标记，所述“十”字标记包括多个红色标记点，且所述“十”字标记的中心点和所述经颅磁刺激线圈的治疗焦点重合。
本发明一较佳实施方式中，所述经颅磁刺激线圈为具有两个圆孔的“8”字形结构，其设置有横向的7个所述红色标记点及纵向的7个所述红色标记点，横向的7个所述红色标记点和纵向的7个所述红色标记点交叉于所述中心点，且横向的7个所述红色标记点的连线穿过所述两个圆孔的中心，纵向的7个所述红色标记点的连线和所述经颅磁刺激线圈的手柄的中心线相重合。
本发明一较佳实施方式中，所述导航模块根据所述机器视觉系统检测到的所述红色标志点进行“十”字标记重建，并和预先保存的“十”字标记进行匹配检测，以计算所述经颅磁刺激线圈的治疗焦点的坐标。
本发明一较佳实施方式中，所述经颅磁刺激定位帽包括帽体及设置于所述帽体的松紧带，所述帽体设置有多条经度线、多条纬度线以及所述多个无电极标记点，所述多条经度线和所述多条纬度线纵横分布于所述帽体，所述多个无电极标记点根据10/20系统法分布于所述帽体。
本发明一较佳实施方式中，所述帽体为白色的具有弹性和硬度的网状结构，其设置有8～128个红色的所述无电极标记点。
本发明一较佳实施方式中，所述多个无电极标记点嵌设于所述帽体，每一所述无电极标记点均为直径和厚度等于2～10mm的圆柱体，且由在磁共振扫描中高亮显示的材料制成。
本发明一较佳实施方式中，每一所述无电极的标记点均为直径和厚度都等于5mm的圆柱体，制作材料为甘油，并由聚对苯二甲酸类塑料红色薄膜包裹固定成型。
本发明一较佳实施方式中，所述多条经度线包括从鼻根点沿鼻梁中心线连接至枕外隆突的中心经度线，所述多条纬度线包括连接左侧耳前、大脑顶点和右侧耳前三点的中心纬度线。
本发明一较佳实施方式中，所述帽体设置9条所述经度线、7条所述纬度线及64个所述无电极标记点。
本发明一较佳实施方式中，所述机器视觉系统包括两个摄像机，所述两个摄像机同时从不同角度获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部图像以构建所述摄像机图像，并实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈。
本发明一较佳实施方式中，所述导航模块包括磁共振图像处理单元和导航计算单元，所述磁共振图像处理单元和所述导航计算单元相连接，所述磁共振图像处理单元根据所述患者头部磁共振图像进行数据处理，所述导航计算单元根据所述磁共振图像处理单元的数据处理结果进行计算。
本发明一较佳实施方式中，所述经颅磁刺激导航系统进一步包括图形用户界面模块，所述图形用户界面模块双向交互连接于所述磁共振成像系统及所述导航模块。
本发明另外提供一种采用上述经颅磁刺激导航系统的经颅磁刺激线圈定位方法，所述经颅磁刺激线圈定位方法包括如下步骤：
S1：所述磁共振成像系统扫描获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部磁共振图像，并检测所述经颅磁刺激定位帽的多个无电极标志点；
S2：所述机器视觉系统采集获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部摄像机图像；
S3：所述导航模块根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点构建所述第一坐标系，根据所述摄像机图像构建所述第二坐标系，并配准所述磁共振图像和所述摄像机图像；
S4：所述导航模块计算刺激靶点在所述第一坐标系中的第一坐标，并计算所述第一坐标在所述第二坐标系中的第二坐标；及
S5：所述导航模块根据所述第二坐标，并结合所述机器视觉系统对所述经颅磁刺激线圈的实时可视地跟踪定位，确定经颅磁刺激线圈的定位信息。
本发明一较佳实施方式中，所述经颅磁刺激线圈的定位信息包括放置经颅磁刺激线圈的位置和角度。
本发明一较佳实施方式中，上述S1步骤中，检测所述多个无电极标记点时，进一步包括以下步骤：
S11、采用三维“高帽”算法对所述磁共振图像的表面顶部区域进行标记点搜索，并保存所有满足预定条件的标记点的邻域；
S12、采用基于判据的排除算法筛选获得的所述标记点，并根据所述无电极标记点的已知几何形状、相对位置关系和纹理特征对所述标记点进行过滤删除；
S13、根据所述无电极标记点的已知三维形状，使用条件膨胀法进行标记点的邻域恢复；及
S14、计算所述无电极标记点的中心坐标，输出所述无电极标记点的中心坐标并叠加显示于三维磁共振图像。
本发明一较佳实施方式中，所述标记点包括神经解剖学标记点和所述多个无电极标记点。
本发明一较佳实施方式中，上述S11步骤中共获得128个标记点的邻域。
本发明一较佳实施方式中，上述S12步骤中所述预定条件包括标记点的灰度值、标记点的所在区域及标记点的分布方式。
本发明一较佳实施方式中，上述S12步骤中最终得到标示64个所述无电极标记点的图像。
本发明一较佳实施方式中，上述S3步骤中，所述导航模块根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点构建所述第一坐标系时，进一步包括以下步骤：
S31、根据灰度值差异检测所述多个无电极标记点的边界；
S32、将所述多个无电极标记点的坐标转换到三维空间；
S33、根据设定的所述无电极标记点的半径和相对位置关系，得到每一所述无电极标记点的中心坐标；及
S34、筛选出真正的无电极标记点，并经过层问轮廓线的生成和三维表面重建，构建对应患者头皮三维数字模型的所述第一坐标系。
相较于现有技术，本发明提供的经颅磁刺激导航系统利用磁共振成像系统获取的患者头部磁共振图像和经颅磁刺激定位帽中多个无电极标记点，由导航模块构建第一坐标系(对应患者内部脑结构和脑功能区域及头皮外形)，同时利用机器视觉系统获取摄像机图像并实时可视地跟踪定位经颅磁刺激线圈，由导航模块构建第二坐标系(对应患者头部外形真实模型)，同时利用导航模块对磁共振图像和摄像机图像进行配准，确定所述第一坐标系和所述第二坐标系的相对位置关系，再由导航模块根据刺激靶点在第一坐标系的位置确定经颅磁刺激线圈在第二坐标系的定位信息，由此，可以充分整合患者头皮外形、脑解剖结构和脑功能区域的信息，并结合医生的判断，精确可视地对经颅磁刺激线圈进行定位。同时，所述经颅磁刺激导航系统易于实现，且操作简单，可有效降低整体成本。此外，本发明提供的采用所述经颅磁刺激导航系统的经颅磁刺激线圈定位方法的步骤简单，易于医生掌握、并有效地实现操作。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的经颅磁刺激导航系统的组成示意图。
图2为图1所示经颅磁刺激导航系统的经颅磁刺激线圈的示意图。
图3为图1所示经颅磁刺激导航系统的经颅磁刺激定位帽的示意图。
图4为图3所示经颅磁刺激定位帽的俯视图。
图5为图3所示经颅磁刺激定位帽设置9条经度线、7条纬度线及64个无电极标记点的示意图。
图6为本发明第二实施例提供的经颅磁刺激导航系统的组成示意图。
图7为本发明第三实施例提供的采用图1所示经颅磁刺激导航系统的经颅磁刺激线圈定位方法。
图8为图7所示经颅磁刺激线圈定位方法中步骤S1检测所述多个无电极的标记点的具体工作流程图。
图9为图7所示经颅磁刺激线圈定位方法中步骤S3构建外部坐标系的具体工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种经颅磁刺激导航系统1，其用于经颅磁刺激线圈定位，所述经颅磁刺激导航系统1包括经颅磁刺激线圈10、经颅磁刺激定位帽20、磁共振成像系统30、机器视觉系统40及导航模块50。所述经颅磁刺激线圈10用于通电产生高强度时变脉冲磁场。所述经颅磁刺激定位帽20用于辅助定位，由患者佩戴于头部，并贴附于患者头皮。所述磁共振成像系统30用于获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头部磁共振图像，并检测所述经颅磁刺激定位帽20的无电极标记点。所述机器视觉系统40用于获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头部摄像机图像，并实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈10。所述导航模块50连接于所述磁共振成像系统30和所述机器视觉系统40，用于根据所述磁共振成像系统30和机器视觉系统40获得的相关图像进行处理并确定所述经颅磁刺激线圈10的定位信息。
请参阅图2，所述经颅磁刺激线圈10设置有“十”字标记11，所述“十”字标记11包括多个红色标记点111，且所述“十”字标记11的中心点113和所述经颅磁刺激线圈10的治疗焦点重合。本实施例中，所述经颅磁刺激线圈10为“8”字形结构，具有两个圆孔13，其设置有横向的7个所述红色标记点111及纵向的7个所述红色标记点111，横向的7个所述红色标记点111和纵向的7个所述红色标记点111交叉于所述中心点113，且横向的7个所述红色标记点111的连线穿过所述两个圆孔13的中心，纵向的7个所述红色标记点111的连线和所述经颅磁刺激线圈10的手柄(图未标示)的中心线相重合。
可以理解的是，横向的7个所述红色标记点111和纵向的7个所述红色标记点111中，重复的一个所述红色标记点111即为所述“十”字标记11的中心点113。
请参阅图3，所述经颅磁刺激定位帽20包括帽体21和设置于所述帽体21的松紧带23。所述帽体21设置有多条经度线211、多条纬度线213以及多个无电极标记点215，所述多条经度线211和所述多条纬度线213纵横分布于所述帽体21，所述多个无电极标记点215根据10/20系统法(即国际脑电图学会标准电极放置法，ten-twenty electrode system)分布于所述帽体21。
本实施例中，所述帽体21为白色的具有弹性和硬度的网状结构，其设置有8～128个红色的所述无电极标记点215，由此，便于在所述帽体21上突显所述多个无电极标记点215。所述松紧带23设置于帽体21的外边缘，用于调节所述经颅磁刺激定位帽20的佩戴松紧度。所述多条经度线211间隔分布，所述多条纬度线213间隔分布；所述多条经度线211包括从鼻根点(Nasion)沿鼻梁中心线连接至枕外隆突(Inion)的中心经度线2110，所述多条纬度线213包括连接左侧耳前、大脑顶点和右侧耳前三点的中心纬度线2130。所述多个无电极标记点215嵌设于所述帽体21，每一所述无电极标记点215均为直径和厚度等于2～10mm的圆柱体，且由在磁共振扫描中高亮显示的材料制成。本实施例中，每一所述无电极标记点215均为直径和厚度都等于5mm的圆柱体，制作材料为甘油，并由聚对苯二甲酸类塑料(Polyethylene terephthalate，PET)红色薄膜包裹固定成型。
可以理解的是，所述中心经度线2110和所述中心纬度线2130相交于一点，即对应于头部中央点。
请参阅图4，具体地，根据10/20系统法，所述多个无电极标记点215的设置方式如下：1、在所述中心经度线2110上，由鼻根点至枕外隆突分布五个所述无电极标记点215，依次对应头部额极中点、额中点、中央点、顶点和枕点，其中，额极中点至鼻根点的距离和枕点至枕外隆突的距离各所述中心经度线2110全长的10％，其余各点均以所述中心经度线2110全长的20％相隔。2、在所述中心纬度线2130的左右两侧对称分布四个所述无电极标记点215，依次对应头部左颞中、右颞中、左中央和右中央，其中左颞中至左耳前点的距离和右颞中至右耳前点的距离各占所述中心纬度线2130全长的10％，其余各点(包括中央点)均以所述中心纬度线2130全长的20％相隔。3、从额极中点起分别通过左颞中和右颞中至枕点的两条经度线211上，由额极中点至枕点对称地标出左额极和右额极、左前颞和右前颞、左后颞和右后颞、左枕和右枕，其中左额极和右额极点至额极中点的距离与左枕和右枕至枕点的距离各占对应的所述经度线211全长的10％，其余各点(包括左颞中、右颞中)均以对应的所述经度线211全长的20％相隔。
优选地，除鼻根点、枕外隆突、左侧耳前和右侧耳前四个神经解剖学定位标记点以外，所述帽体设置9条所述经度线211、7条所述纬度线213及64个所述无电极标记点，如图5所示。
本实施例中，所述帽体21的左右侧分别设有一个对应耳朵的耳孔217，以便于患者佩戴所述经颅磁刺激定位帽20，如图3所示。
所述磁共振成像系统30扫描获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头部磁共振图像，供医生确定刺激点，所述磁共振成像系统检测所述多个无电极标记点215。
可以理解的是，所述磁共振图像反映应的是患者的大脑内部信息，包括大脑的结构信息和功能信息，由于所述多个无电极标记点215由在磁共振扫描中高亮显示的材料制成，因此，通过检查所述磁共振图像上的高亮点即可检测到佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头皮上的所述多个无电极标记点215，这些检测到的所述多个无电极标记点215反映了患者的头皮外形信息。
本实施例中，所述磁共振成像系统30为1.5T核磁共振成像系统，当然，并不局限于本实施例，所述磁共振成像系统30也可以为小型核磁共振成像系统或0.35T核磁共振成像系统。
所述机器视觉系统40采集获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头部摄像机图像，并实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈10。
可以理解的是，所述摄像机图像是医生通过眼睛(借助于所述机器视觉系统40)即可实时获取的患者头皮外形信息。同时，通过所述机器视觉系统40获取所述“十”字标记11的多个红色标记点111，即可实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈10。
本实施例中，所述机器视觉系统40包括两个摄像机(图未示)，所述两个摄像机同时从不同角度获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头部图像以构建所述摄像机图像，并实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈10。
所述导航模块50连接于所述磁共振成像系统30和所述机器视觉系统40，所述导航模块50根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点115构建第一坐标系，并根据所述摄像机图像构建第二坐标系；所述导航模块50配准所述磁共振图像和所述摄像机图像，并确定所述第一坐标系和所述第二坐标系的相对位置关系；所述导航模块50根据刺激靶点在所述第一坐标系的位置确定所述经颅磁刺激线圈10在所述第二坐标系的定位信息。由此，可将医生根据所述磁共振图像确定的刺激靶点反映到医生通过眼睛(借助于所述机器视觉系统40的摄像机)实时获取的患者头皮外形上，便于医生进行实时可视、且准确的操作。
所述导航模块50从所述磁共振成像系统30获取所述磁共振图像，并检测识别出所述磁共振图像中所述经颅磁刺激定位帽20的64个无电极标记点215的坐标，然后三维重建患者的头部三维模型，即所述第一坐标系；同时，所述导航模块50根据所述机器视觉系统40获取的所述摄像机图像重建患者的头部外形模型，即构建所述第二坐标系。医生根据自身的专业知识，依据所述磁共振图像在所述患者的头部三维模型(即所述第一坐标系)上确定所述经颅磁刺激线圈10的刺激靶点。所述导航模块50计算所述刺激靶点在所述第一坐标系中的第一坐标，并根据所述导航模块50配准所述磁共振图像和所述摄像机图像而确定的所述第一坐标和所述第二坐标系之间的关系，计算所述第一坐标在所述第二坐标系中的第二坐标，即获得所述经颅磁刺激线圈10在所述患者头部头皮的实际刺激点。医生根据所述导航模块50计算获得的信息提示及所述机器视觉系统40实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈10，即可快捷准确地对所述经颅磁刺激线圈10进行定位操作，并相应地进行后续的经颅磁刺激治疗。
具体地，所述导航模块50的工作流程主要包括以下步骤：
首先，加载所述磁共振成像系统30所获取的患者的头部磁共振图像并检测识别出所述磁共振图像中的多个无电极标记点215，对所述磁共振图像中的脑部功能区域进行勾画和分割，对分割的所述磁共振图像进行三维重建，建立第一坐标系；同时，医生根据所述患者的头部磁共振图像，在磁共振图像T1加权图像上确定经颅磁刺激的脑部功能区域，即确定刺激靶点。
然后，根据所述机器视觉系统40获取的所述摄像机图像重建患者的头部外形模型，即构建第二坐标系，获得患者的头部外形真实模型。
其后，所述导航模块50计算所述刺激靶点在所述第一坐标系中的第一坐标，并计算所述第一坐标映射于所述第二坐标系的第二坐标，以及相对于周围无电极的定位标记点215、经度线211和纬度线213的位置。
最后，所述导航模块50计算所述经颅磁刺激线圈10的角度和作用深度，并进行导航定位操作。
进一步地，所述经颅磁刺激导航系统1包括图形用户界面(GraphicalUser Interface，GUI)模块60，所述图形用户界面模块60双向交互连接于所述磁共振成像系统30及所述导航模块50，即所述图形用户界面模块60分别与所述磁共振成像系统30及所述导航模块50实现双向通讯连接，由此，操作者一方面可以通过所述图形用户界面模块60获取相关信息，另一方面可以通过所述图形用户界面模块60进行相应的输入操作。
可以理解的是，所述机器视觉系统40实时跟踪定位所述经颅磁刺激线圈10的图像可以实时地通过所述图形用户界面模块60显示出来，供医生进行判断及操作。
可以理解的是，所述图形用户界面模块60可以包括显示系统(如显示屏或触控屏)、鼠标和键盘等外部设备。
请参阅图6，本发明第二实施例提供一种经颅磁刺激导航系统2，其与上述第一实施例中的经颅磁刺激导航系统1的区别在于，所述导航模块50包括磁共振图像处理单元51和导航计算单元53，所述磁共振图像处理单元51和所述导航计算单元53相连接，所述磁共振图像处理单元51根据所述患者头部磁共振图像进行图像数据处理，主要包括：磁共振图像获取、图像分割、摄像机图像重建、经颅磁刺激定位帽的无电极标记点215检测、确定刺激靶点和构建三维模型等；所述导航计算单元53根据所述磁共振图像处理单元51的数据处理结果进行计算，如计算神经解剖学定位标记点和所述无电极标记点215以构建所述第一坐标系。
请参阅图7，本发明第三实施例提供一种采用所述经颅磁刺激导航系统1或2的经颅磁刺激线圈定位方法，所述经颅磁刺激线圈定位方法包括如下步骤：
S1：所述磁共振成像系统30扫描获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头部磁共振图像，并检测所述经颅磁刺激定位帽20的多个无电极标记点215。
佩戴所述经颅磁刺激定位帽20时，先确定患者头部的鼻根点、枕外隆突、左侧耳前和右侧耳前四个神经解剖学定位标记点。
可以理解的是，患者佩戴所述经颅磁刺激定位帽20时，需要调整所述帽体21的位置，并调节所述松紧带23的松紧度，以使所述经颅磁刺激定位帽20的中心经度线2110与鼻根点至枕外隆突的连线重合，中心纬度线2130与双侧耳前连线重合。同时，佩戴所述经颅磁刺激定位帽20时，可以使所述帽体21尽量平滑地贴附于患者头皮，即使所述多个无电极标记点215贴合患者头皮，并尽量避免所述多条经度线211和所述多条纬度线213出现弯折，使所述多条经度线211之间距离均匀、所述多条纬度线213之间距离均匀。
请参阅图7，检测所述多个无电极标记点215时，进一步包括以下步骤：
S11、对佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者进行头部磁共振扫描，获得并读入所述患者的头部磁共振图像。
S12、采用三维“高帽”(Top-Hat)算法对所述磁共振图像的表面顶部区域进行标记点搜索，并保存所有满足预定条件的标记点的邻域。
本实施例中，共获取128个标记点的邻域。
所述预定条件主要包括：1)标记点的灰度值，可根据实际设置为某一范围，本实施例中，由甘油制作的所述无电极标记点215在所述磁共振成像系统30中进行磁共振扫描时，其灰度值为一个确定的范围；2)标记点的所在区域，本实施例中，标记点须处于患者头部上部包含头皮的区域内；3)标记点的分布方式，本实施例中，标记点须是离散有序排列的。
采用三维“高帽”(Top-Hat)算法对所述患者的头部磁共振图像的表面顶部区域进行标记点搜索时，只要所扫描的标记点满足所述预定条件，即被获取。
所述标记点包括神经解剖学标记点，如鼻根点，枕外隆突、双侧耳前作为头部神经解剖学定位标记点、前连合(Anterior Commissure，AC)、后连合(Posterior Commissure，PC)，以及所述多个无电极标记点215。
S13、采用基于判据的排除算法筛选获得的所述标记点，并根据所述无电极标记点215的已知几何形状、相对位置关系和纹理特征对所述标记点进行过滤删除。
本实施例中，最终得到标示64个所述无电极标记点215的图像。
本实施例中，筛选所述标记点时，主要依据：1)相邻标记点的相互距离，本实施例中，要求相邻标记点的相互距离小于所述经颅磁刺激定位帽20上相邻无电极标记点215的最大空间距离，而大于所述经颅磁刺激定位帽20上相邻无电极标记点215的最小空间距离，其他不满足要求的标记点则去除；2)标记点的分布方式，本实施例中，要求标记点是均匀离散有序分布的，由此，筛选保留的标记点与所述经颅磁刺激定位帽20上无电极标记点215的分布相接近。
S14、根据所述无电极标记点215的已知三维形状，使用条件膨胀法进行标记点的邻域恢复。
所述条件膨胀法即形态学的条件膨胀法(Conditional Dilation)，也称为形态领域恢复法(Morphological Reconstruction)。
S15、计算所述无电极标记点215的中心坐标，输出所述无电极标记点215的中心坐标并叠加显示于三维磁共振图像。
由此，即完成所述无电极标记点215的检测。
S2：所述机器视觉系统40采集获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽20的患者的头部摄像机图像。
本实施例中，所述机器视觉系统40跟踪定位所述经颅磁刺激线圈10时，通过所述两个摄像机跟踪定位所述“十”字标记11。
S3：所述导航模块50根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点215构建所述第一坐标系，根据所述摄像机图像构建所述第二坐标系，并配准所述磁共振图像和所述摄像机图像。
可以理解的是，所述导航模块50利用反映患者大脑解剖结构和脑功能区域信息的磁共振图像，并结合反映患者头皮外形的所述多个无电极标记点215，构建患者的头部三维模型，即所述第一坐标系。所述导航模块50利用所述机器视觉系统40获取的反映患者头部外形的真实模型，构建患者头部的外部三维模型，即所述第二坐标系。所述导航模块50配准所述磁共振图像和所述摄像机图像，由此，可确定所述第一坐标系和所述第二坐标系之间的位置关系。
请参阅图8，进一步地，所述导航模块50根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点215构建所述第一坐标系时，包括以下步骤：
S31、根据灰度值差异检测所述多个无电极标记点215的边界。
在检测获得的磁共振图像T1加权图像上，所述多个无电极标记点215为高信号，呈高亮状态。
S32、将所述多个无电极标记点215的坐标转换到三维空间。
S33、根据设定的所述无电极标记点215的半径和相对位置关系，得到每一所述无电极标记点215的中心坐标。
S34、筛选出真正的无电极标记点215，并经过层间轮廓线的生成和三维表面重建，构建对应患者头皮三维数字模型的所述第一坐标系。
可以理解的是，所述第一坐标系直接反映了患者大脑解剖结构和脑功能区域信息及患者头皮外形。
S4：所述导航模块50计算刺激靶点在所述第一坐标系中的第一坐标，并计算所述第一坐标在所述第二坐标系中的第二坐标。
所述导航模块50依据操作者确定的对应着患者大脑解剖结构和脑功能区域信息及患者头皮外形的刺激靶点，计算所述刺激靶点在所述第一坐标系中的第一坐标，可以理解，所述第一坐标即对应着患者头部的大脑解剖结构和脑功能区域及患者头皮外形。
所述导航模块50根据配准所述磁共振图像和所述摄像机图像后确定的所述第一坐标系和所述第二坐标系之间的相对位置关系，计算所述第一坐标映射到所述第二坐标系中的第二坐标，所述第二坐标即为对应着患者头部的大脑解剖结构和脑功能区域及头皮外形的刺激靶点对应于患者头部外形真实模型的具体位置。
S5：所述导航模块50根据所述第二坐标，并结合所述机器视觉系统40对所述经颅磁刺激线圈的实时可视地跟踪定位，确定经颅磁刺激线圈10的定位信息。
可以理解的是，所述经颅磁刺激线圈10的定位信息包括放置经颅磁刺激线圈10的位置和角度。
具体地，所述导航模块50根据所述机器视觉系统40检测到的所述红色标志点111进行“十”字标记重建，并和预先保存的“十”字标记进行匹配检测，以计算并确认所述经颅磁刺激线圈10的治疗焦点的坐标和所述第二坐标重合。由此，可使所述经颅磁刺激线圈10精确的定位于患者头部的具体位置。
相较于现有技术，本发明提供的经颅磁刺激导航系统1利用磁共振成像系统30获取的患者头部磁共振图像和经颅磁刺激定位帽20中多个无电极标记点215，由导航模块50构建第一坐标系(对应患者内部脑结构和脑功能区域及头皮外形)，同时利用机器视觉系统40获取摄像机图像并实时可视地跟踪定位经颅磁刺激线圈10，由导航模块50构建第二坐标系(对应患者头部外形真实模型)，同时利用导航模块50对磁共振图像和摄像机图像进行配准，确定所述第一坐标系和所述第二坐标系的相对位置关系，再由导航模块50根据刺激靶点在第一坐标系的位置确定经颅磁刺激线圈10在第二坐标系的定位信息，由此，可以充分整合患者头皮外形、脑解剖结构和脑功能区域的信息，并结合医生的判断，精确可视地对经颅磁刺激线圈进行定位。同时，所述经颅磁刺激导航系统1易于实现，且操作简单，可有效降低整体成本。此外，本发明提供的采用所述经颅磁刺激导航系统1的经颅磁刺激线圈定位方法的步骤简单，易于医生掌握、并有效地实现操作。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (21)
1.一种经颅磁刺激导航系统，其用于经颅磁刺激线圈定位，其特征在于：所述经颅磁刺激导航系统包括：
经颅磁刺激线圈；
经颅磁刺激定位帽，其具有多个无电极标记点；
磁共振成像系统，所述磁共振成像系统扫描获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部磁共振图像，供医生确定刺激靶点，所述磁共振成像系统检测所述多个无电极标记点；
机器视觉系统，所述机器视觉系统采集获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部摄像机图像，并实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈；及
导航模块，所述导航模块连接于所述磁共振成像系统和所述机器视觉系统，所述导航模块根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点构建第一坐标系，并根据所述摄像机图像构建第二坐标系，所述导航模块配准所述磁共振图像和所述摄像机图像，并确定所述第一坐标系和所述第二坐标系的相对位置关系，所述导航模块根据刺激靶点在所述第一坐标系的位置确定所述经颅磁刺激线圈在所述第二坐标系的定位信息。
2.如权利要求1所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述经颅磁刺激线圈设置有“十”字标记，所述“十”字标记包括多个红色标记点，且所述“十”字标记的中心点和所述经颅磁刺激线圈的治疗焦点重合。
3.如权利要求2所述经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述经颅磁刺激线圈为具有两个圆孔的“8”字形结构，其设置有横向的7个所述红色标记点及纵向的7个所述红色标记点，横向的7个所述红色标记点和纵向的7个所述红色标记点交叉于所述中心点，且横向的7个所述红色标记点的连线穿过所述两个圆孔的中心，纵向的7个所述红色标记点的连线和所述经颅磁刺激线圈的手柄的中心线相重合。
4.如权利要求2所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述导航模块根据所述机器视觉系统检测到的所述红色标志点进行“十”字标记重建，并和预先保存的“十”字标记进行匹配检测，以计算所述经颅磁刺激线圈的治疗焦点的坐标。
5.如权利要求1所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述经颅磁刺激定位帽包括帽体及设置于所述帽体的松紧带，所述帽体设置有多条经度线、多条纬度线以及所述多个无电极标记点，所述多条经度线和所述多条纬度线纵横分布于所述帽体，所述多个无电极标记点根据10/20系统法分布于所述帽体。
6.如权利要求5所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述帽体为白色的具有弹性和硬度的网状结构，其设置有8～128个红色的所述无电极标记点。
7.如权利要求5所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述多个无电极标记点嵌设于所述帽体，每一所述无电极标记点均为直径和厚度等于2～10mm的圆柱体，且由在磁共振扫描中高亮显示的材料制成。
8.如权利要求7所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，每一所述无电极的标记点均为直径和厚度都等于5mm的圆柱体，制作材料为甘油，并由聚对苯二甲酸类塑料红色薄膜包裹固定成型。
9.如权利要求5所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述多条经度线包括从鼻根点沿鼻梁中心线连接至枕外隆突的中心经度线，所述多条纬度线包括连接左侧耳前、大脑顶点和右侧耳前三点的中心纬度线。
10.如权利要求6所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述帽体设置9条所述经度线、7条所述纬度线及64个所述无电极标记点。
11.如权利要求1所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述机器视觉系统包括两个摄像机，所述两个摄像机同时从不同角度获取佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部图像以构建所述摄像机图像，并实时可视地跟踪定位所述经颅磁刺激线圈。
12.如权利要求1所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述导航模块包括磁共振图像处理单元和导航计算单元，所述磁共振图像处理单元和所述导航计算单元相连接，所述磁共振图像处理单元根据所述患者头部磁共振图像进行数据处理，所述导航计算单元根据所述磁共振图像处理单元的数据处理结果进行计算。
13.如权利要求1所述的经颅磁刺激导航系统，其特征在于，所述经颅磁刺激导航系统进一步包括图形用户界面模块，所述图形用户界面模块双向交互连接于所述磁共振成像系统及所述导航模块。
14.一种采用如权利要求1～13任一项所述的经颅磁刺激导航系统的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于：所述经颅磁刺激线圈定位方法包括如下步骤：
S1：所述磁共振成像系统扫描获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部磁共振图像，并检测所述经颅磁刺激定位帽的多个无电极标志点；
S2：所述机器视觉系统采集获得佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者的头部摄像机图像；
S3：所述导航模块根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点构建所述第一坐标系，根据所述摄像机图像构建所述第二坐标系，并配准所述磁共振图像和所述摄像机图像；
S4：所述导航模块计算刺激靶点在所述第一坐标系中的第一坐标，并计算所述第一坐标在所述第二坐标系中的第二坐标；及
S5：所述导航模块根据所述第二坐标，并结合所述机器视觉系统对所述经颅磁刺激线圈的实时可视地跟踪定位，确定经颅磁刺激线圈的定位信息。
15.如权利要求14所述的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于，所述经颅磁刺激线圈的定位信息包括放置经颅磁刺激线圈的位置和角度。
16.如权利要求14所述的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于，S1步骤中，检测所述多个无电极标记点时，进一步包括以下步骤：
S11、对佩戴所述经颅磁刺激定位帽的患者进行头部磁共振扫描，获得并读入所述患者的头部磁共振图像。
S12、采用三维“高帽”算法对所述磁共振图像的表面顶部区域进行标记点搜索，并保存所有满足预定条件的标记点的邻域；
S13、采用基于判据的排除算法筛选获得的所述标记点，并根据所述无电极标记点的已知几何形状、相对位置关系和纹理特征对所述标记点进行过滤删除；
S14、根据所述无电极标记点的已知三维形状，使用条件膨胀法进行标记点的邻域恢复；及
S15、计算所述无电极标记点的中心坐标，输出所述无电极标记点的中心坐标并叠加显示于三维磁共振图像。
17.如权利要求16所述的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于，所述标记点包括神经解剖学标记点和所述多个无电极标记点。
18.如权利要求16所述的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于，S11步骤中共获得128个标记点的邻域。
19.如权利要求16所述的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于，S12步骤中所述预定条件包括标记点的灰度值、标记点的所在区域及标记点的分布方式。
20.如权利要求16所述的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于，S12步骤中最终得到标示64个所述无电极标记点的图像。
21.如权利要求14所述的经颅磁刺激线圈定位方法，其特征在于，S3步骤中，所述导航模块根据所述磁共振图像和所述多个无电极标记点构建所述第一坐标系时，进一步包括以下步骤：
S31、根据灰度值差异检测所述多个无电极标记点的边界；
S32、将所述多个无电极标记点的坐标转换到三维空间；
S33、根据设定的所述无电极标记点的半径和相对位置关系，得到每一所述无电极标记点的中心坐标；及
S34、筛选出真正的无电极标记点，并经过层间轮廓线的生成和三维表面重建，构建对应患者头皮三维数字模型的所述第一坐标系。
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