CN104436443B - 一种脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统及导航方法，该导航系统包括固定装置、导航装置和辅助定位装置，固定装置包括固定器，导航装置设置在固定装置的上方，包括第一电机和由第一电机驱动转动的第二电机；辅助定位装置包括适形面罩在适形面罩周围设置有定位器，适形面罩上开设定位孔；第一电机、第二电机连接至一个控制器。在本方案的导航方法中，通过坐标转换的方法，将病灶在扫描图中的位置对应到实际空间坐标系中的位置，然后驱动电机进行导航，为后续的治疗奠定基础。利用本装置及方法能准确、快速地进行病灶的定位及刺激，为经颅磁刺激治疗提供了良好的设备和研究思路。

Description

一种脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统及导航方法

技术领域

本发明涉及颅脑外科技术领域，具体涉及一种脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统。

背景技术

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic stimulation，TMS)是一种利用脉冲电磁场和交变电磁场，作用于大脑中枢神经系统，利用电磁产生的感应电流，改变大脑皮层神经细胞的膜电位，影响脑内代谢和神经电位活动，从而引起一系列生理功能发生反应,该方法具有无痛、无损伤、操作简便、安全可靠等优点,目前使用经颅磁治疗仪针对帕金森病(PD)、癫痫、缺血性卒中、精神分裂症(阴性症状)、抑郁症、强迫症、躁狂症、创伤后应激障碍(PTSD)、神经康复、小儿脑瘫、认知障碍、精神抑郁、癫痫在脊髓损伤、颅外上后康复、卒中后康复、外周神经康复等有不错的效果。

目前所有的TMS仪器均为无导航的定位刺激方式仪器，无导航定位的TMS刺激部位的选择通常是依靠操作者具备的解剖和生理学知识，根据人脑常规功能分布大致上确定。这样确定的刺激点与实际有效部位的误差往往较大。因此在实施刺激过程中，操作者往往不得不反复多次地在目标区域内来回小步长地移动刺激线圈，并根据刺激诱发响应的间接证据判断是否刺激到目标靶区，以及是否找到最佳刺激点。这个过程耗时费力，不但难于在各次刺激实验(或治疗)间重复同一目标靶点的准确刺激，而且试验结果的可靠性也有待验证，由于刺激深度和刺激角度无法从头皮表面直接来确定，可以说是处于一种“盲刺激”状态。

另外，现有的对颅磁刺激由于没有精确的导航，仅能做到对特定位置进行不确切地刺激，由于颅内、颅外位置不能确切地统一，因此不能将探头带到距离目标靶区最合适的位置，不能形成系统的治疗和研究方案。

发明内容

针对上述现有技术中提出的问题，本发明的目的在于，提供一种主要用于完成磁共振三维重建指导下精确经颅刺激的三维导航系统，该系统根据患者磁共振扫描结果，利用一软件分析得到患者致病脑区，从而利用精确定位，在仿真三维脑图下精确刺激脑区，极大提高经颅磁刺激对精神疾病的治疗效果。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，包括固定装置、导航装置和辅助定位装置：

固定装置包括用于固定人体颅部位置的固定器；

导航装置设置在固定装置的上方，导航装置包括第一电机和由第一电机驱动而转动的第二电机，第二电机驱动用于磁刺激治疗的探头转动，探头、第二电机的转动平面不平行，其中第二电机环绕固定器转动；

辅助定位装置包括设置在紧密贴附于人体面部的适形面罩，和设置在适形面罩周围的定位器，在适形面罩上开设有定位孔；

第一电机、第二电机连接至一个控制器。

进一步地，所述的定位器设置三个，其中两个定位器与水平面之间的距离相同，与这两个定位器连线垂直且经过连线中心的面称为平分面，则另外一个定位器位于平分面中，并且三个定位器连接构成的平面不与水平面平行；定位器连接在导航装置上。

进一步地，第一电机通过连接杆固定在一个支撑杆上，第一电机的输出轴上安装有L形转杆，转杆的一端与第一电机的输出轴固结，转杆的另一端安装第二电机；第二电机的输出轴与第一电机垂直设置；第二电机的输出轴上垂直安装有一个L形支杆，支杆的一端设置有用于安装探头的固定夹。

进一步地，所述的固定器包括筒状颈托，该颈托套装在人体颈部并与人体颈部曲线相贴合，颈托的顶端向上延伸且不超过患者的嘴部和耳部，颈托的底端向下延伸且不超过患者的胸部和肩部，颈托向上、向下延伸的部分和与延伸部分接触的人体部位的曲线相贴合。

进一步地，所述的颈托沿其轴向剖切对称一分为二，分开的两部分颈托通过合页连接，在分开的两部分颈托上对称设置有锁扣，两部分颈托通过锁扣锁合形成一个完整的颈托。

进一步地，所述的适形面罩由热塑材料制成，适形面罩由眼底向下延伸至下颌底部，由鼻部向两侧延伸至耳底部，与人体面部生理结构相切合，且在适形面罩上留有与鼻部和嘴部对应的通孔；所述的定位孔开设在面罩上眼底位置和耳底位置。

进一步地，该三维定位导航系统还包括一个操作箱，控制器设置于操作箱中并连接一个显示器和键盘，操作箱上设置有箱门，打开箱门可拉出键盘并观察到显示器。

进一步地，在操作箱的侧壁上设置有滑轨，滑轨上安装有座椅，座椅的椅腿可伸缩，所述的固定器通过伸缩杆安装在座椅的椅背上。

进一步地，在导航装置和辅助定位装置的外部设置有罩体，罩体上开设有操作门。

进一步地，所述的转杆上远离第二电机的一端安装有第一平衡块，支杆上远离探头的一端安装有第二平衡块。

进一步地，所述的操作箱底部安装有带有锁止功能的万向轮。

进一步地，所述的探头连接至一个经颅磁刺激仪。

进一步地，在操作箱中底部位置设置有配重块。

进一步地，所述的箱体上开设有凹口，导航装置转动时穿过凹口而不受到箱体的阻碍。

一种三维定位导航方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一，利用定位器在患者面部进行三点定位，在定位的三点处固定标志物，然后进行磁共振扫描，得到包含病灶区域和标志物阴影在内的扫描图；

步骤二，根据扫描图信息，得到病灶发生的脑区，然后对扫描图进行三维重建，在三维重建图中，得到病灶脑区在三维重建图中的三维坐标系中的坐标，记为P(x,y,z)；

步骤三，利用三个标志物的阴影在三维重建图中的坐标，将实际空间的三维坐标系对应到三维重建图中的一个局部坐标系，并得到两个坐标系之间的对应关系；

步骤四，根据两个坐标系之间的对应关系，得到病灶脑区在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)；

步骤五，将步骤四中得到的病灶坐标P′(x′,y′,z′)转化为球坐标以指导步进电机的运动。

进一步地，步骤三的具体过程如下：

步骤S30，记所述的三个标志物分别为第一标志物、第二标志物和第三标志物，将第一标志物、第二标志物在三维重建图中的坐标连线作为局部坐标系的X′轴，从第三标志物在三维重建图中的坐标向X′轴作垂线，垂线与X′轴相交点记为O′即为局部坐标系的原点，O′在三维重建图中的坐标记为(x₀,y₀,z₀)；

步骤S31，三维重建图中第三标志物的坐标与X′轴的垂线为局部坐标系的Z′轴，通过局部坐标系的原点O′的坐标和第三标志物在三维重建图中的坐标，计算出两点间的直线方程，继而得到局部坐标系Z′轴与三维重建图中的三维坐标系X,Y,Z轴的夹角分别为α,β,γ；

步骤S32，局部坐标系到三维重建图中的坐标系的变换可看作是由局部坐标系绕三维重建图中坐标系Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度，继而平移至(x₀,y₀,z₀)三个变换组成，则三个变换矩阵分别为：

则组合变换矩阵为：

Z′轴的方向余弦分别为：

cosa＝n₃＝cosγ (3)

将上面的式(3)至(6)代入组合变换矩阵式(1)中可得到：

因此，局部坐标系中的一点(x′,y′,z′)可以通过转换矩阵转换为三维重建图中坐标系中的坐标(x,y,z)，转换关系如下：

[x′ y′ z′ 1]·T＝[x y z 1] (8)

已知三维重建图中坐标系中的坐标，要转化为局部坐标系中的坐标，则可采用以下公式：

[x′ y′ z′ 1]＝[x y z 1]·T^-1 (9)

式(9)中，T^-1可通过对T求逆矩阵得到，T^-1为：

则将(10)代入(9)中即可将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系，即实际空间坐标系中的坐标。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.本发明开创性地提出了一种经颅磁刺激导航装置，能通过手动或自动的方式，将磁刺激精确作用于病灶，并可实现单点单频、单点多频、多点多频等磁刺激治疗方式，对目标靶点进行精确地、全方位地刺激治疗，为经颅磁刺激治疗开辟了新的治疗和研究思路；

2.该装置根据磁共振扫描结果，通过软件分析病灶位置，经过坐标转换将病灶相对于扫描图片的位置转换为实际的三维坐标，继而利用电机精确转动控制探头到达距离病灶位置最近处，实现精确定位，整个过程可通过自动化完成，使治疗过程更加系统化、自动化和智能化；

3.本装置提供了固定器、适形面罩、定位器等多重措施保障内外数据转换对应的精确性和可靠性，针对于不同的患者均能提供有效、准确的定位和磁刺激治疗；

4.患者再次进行磁刺激治疗时，可利用上一次磁刺激治疗定位过程中保存的数据，而快速达到和前次治疗相同的精度，便于对同一病灶长期、多次、全方位地刺激治疗，并有助于磁刺激治疗对特定病区作用效果的研究；

5.本方案中还提供了一种根据图像中特定靶点位置对应到实际三维坐标当中位置的方法，利用该方法能精准、快速地进行从图像到具体位置的定位过程；

6.本装置集成性好，一体化程度高且结构简单，便于运输安装，操作简便，对环境场合要求低，为脑疾病的治疗治疗提供了新的思路，适宜推广应用。

附图说明

图1为本系统的整体结构示意图；

图2为图1去除罩体后的结构示意图；

图3为座椅、固定装置部分的结构示意图；

图4为患者与本系统配合的结构示意图；

图5为导航装置的结构示意图；

图6为底门部分的结构示意图；

图7为固定器的结构和安装位置的示意图；

图8为适形面罩的结构示意图；

图9为佩戴面罩的结构示意图；

图10为局部坐标系与三维重建图中三维坐标系的关系图；

图11为局部坐标系与三维重建图中三维坐标系之间转换的关系图；

图中标号代表：

1—箱门，2—显示器，3—操作箱，4—凹口，5—支撑杆，6—罩体，7—操作门，8—颈托，9—椅背，10—座椅，11—椅腿，12—锁紧件，13—经颅磁刺激仪，14—底门，15—万向轮，16—键盘，17—连接杆，18—合页，19—第一平衡块，20—第二平衡块，21—探头，22—固定夹，23—第一电机，24—转杆，25—第二电机，26—支杆，27—竖杆，28—定位器，29—滑轨，30—主机箱，31—配重块，32—锁扣，33—伸缩杆，34—定位孔，35—弹性固定带，36—适形面罩；

具体实施方式

遵从上述技术方案，如本发明的附图所示，一种脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，包括固定装置、导航装置和辅助定位装置：

固定装置包括用于固定人体颅部位置的固定器；

导航装置设置在固定装置的上方，导航装置包括第一电机23和由第一电机23驱动而转动的第二电机25，第二电机25驱动用于磁刺激治疗的探头21转动，探头21、第二电机25的转动平面不平行，其中第二电机25环绕固定器转动；

辅助定位装置包括设置在紧密贴附于人体面部的适形面罩36，和设置在适形面罩36周围的定位器28，在适形面罩36上开设有定位孔34；

第一电机23、第二电机25连接至一个控制器。

利用本装置进行磁刺激治疗的思路是这样的：对于人体颅部磁刺激治疗，需要使电机驱动经颅磁刺激仪13的探头21准确到达、靠近头皮特定位置，首先需要对病灶位置进行精确定位，其次采用电控的方式，驱动电机运作，将探头21带到头皮的预定位置。利用适形面罩36和定位器28，首先将人体颈部利用固定器固定后，确定适形面罩36上合适的定位孔34，再将选定的定位孔34中装入标志物，然后进行磁共振扫描，在磁共振扫描图中，可得到病灶和标志物因扫描产生的阴影，易得到阴影与病灶之间的位置关系。

对于电机的控制，有两种方式：

第一种，通过含有病灶的扫描图的分析，已经得到病灶相对于头皮的具体位置，并确定了磁刺激点的具体位置，则可利用本装置进行电机的驱动操纵，由于本装置中两个电机的输出轴转动平面不平行，因此可带动探头做球面运动，最终使探头21到达距离病灶最接近的合适位置；

第二种，通过自动控制的方式，利用控制算法实现从DICOM图到实际病灶位置的对应，经过控制器的分析处理，找出DICOM图中病灶与实际三维坐标中的具体位置的对应关系，将该对应关系转化为对电机的控制，然后采用自动控制、反馈、调节的方式，由控制器将探头21带到头皮表面特定位置。

由于电控过程是建立在控制程序基础上的，而对于三维坐标中一点位置的定位，首先需要建立一个笛卡尔坐标系，该坐标系作为算法中实现数据处理的参考系，通过数据处理和对应关系，实现对电机的精确控制，因此整个装置的设置应满足便于建立坐标系。

针对于上述情况，本方案中提出了如图1所示的装置。如图所示：

固定装置

由于采用坐标转换和电控的方法进行治疗时，需要受体位置相对固定，以便于按照算法的计算结果将探头21送至特定的位置，因此在装置中，应对受体(人体头部)进行良好的固定。结合本方案的布局和实际情况，考虑到患者本身在长时间治疗情况下的舒适性，本发明中提出了一种能方便调节并且能与装置本身良好配合的固定装置。

如图7所示，该固定器包括筒状颈托8，该颈托8套装在人体颈部并与人体颈部曲线相贴合，这里是指颈托8的大小能刚好适应人体颈部，不会在颈部与颈托8之间留下过大的空间而影响到对颈部的限制固定效果。颈托8的顶端向上延伸且不超过患者的嘴部和耳部，颈托8的底端向下延伸且不超过患者的胸部和肩部，颈托8向上、向下延伸的部分和与延伸部分接触的人体部位的曲线相贴合。该颈托8佩戴在患者身上时，颈托8的下端支撑在患者的肩部和胸部顶端，由于下端适应患者肩部形状，因此下端起到固定和支撑的作用，防止颈托8自身发生转动，这样就限制了患者颈部的转动；而颈托8顶端位于患者嘴部以下，宜支撑在患者下颌处，和耳根处，这样将患者颈部设置在固定器中，能使患者相对保持一个较为舒适的姿势，利于长时间的磁刺激治疗，并且能起到有效的固定。

如上所述的颈托8，可采用热塑材料制成。热塑材料是现今医学领域当中使用较为广泛的一种材料，其可塑性好，安全方便，在使用前可根据不同患者制定其专用的颈托8，进一步增加颈托8与患者之间的紧密贴附程度。

热塑材料制作的颈托8，其过程非常方便，但其缺陷是无法在不同患者之间通用，每次需要根据不同的患者进行加热重塑。因此，本方案中提出一种可采用普通材料制备的通用型颈托8。

在上述颈托8外形结构的基础上，将颈托8沿其轴向剖切对称一分为二，得到两部分外形结构相同的颈托8，然后再将两部分颈托8通过合页18连接，则颈托8未通过合页18连接的一端可相对合页18进行转动，打开并闭合。在闭合时，两部分颈托8构成一个完整的颈托8。

使用时，先将颈托8沿着合页18打开，卡在患者的颈部后，将颈托8闭合。为保持颈托8的固定效果，在分开的两部分颈托8上对称设置有相互配合的锁扣32，患者颈部在颈托8中固定好以后，通过锁扣32进行锁闭，能达到如上述热塑颈托8同样的固定和限制效果。

为增强通用性，如颈托8不能与患者颈部之间紧密贴合，还可在缝隙之间填充柔软的海绵等填充物，保持舒适的前提下对患者颈部进行固定。

在患者治疗时为使其舒适，设置有座椅10，而固定器安装在座椅10的椅背9上，为可拆卸的连接方式，例如为伸缩杆33连接方式。伸缩杆33不仅可以方便安装与拆卸，而且能精确地调整其伸缩高度，便于和辅助定位装置相配合。

导航装置

导航装置设置于固定装置的上方，包括第一电机23、第二电机25。其中第一电机23的位置较第二电机25高，可将其通过连接杆17连接支撑杆5，用支撑杆5固定在墙面、天花板、箱体上等；第一电机23的输出轴竖直向下设置(垂直于水平面)，第一电机23输出轴上安装有L形转杆24，转杆24的一端与第一电机23的输出轴垂直固结，转杆24的另一端固定第二电机25，第二电机25的输出轴与第一电机23的输出轴垂直设置。转杆24可以是L形直杆(构成直杆的两根杆之间垂直)，也可以是L形弯杆，可由一根杆弯折而成，也可由多根杆拼接成。但直杆最易设置，并且设置支杆26时第二电机25最宜安装，使第二电机25容易调整输出轴相对于第一电机23的输出轴垂直。

为了便于后续的计算、定位过程，设置时，应将第一电机23设置在固定器的正上方位置，让第一电机23的输出轴的延长线穿过固定器的中心位置。

第一电机23转动时，通过转杆24带动第二电机25做圆周运动，圆周运动的中心即为患者头部。在设置好固定装置时，应进行对应的调整。前面所述的第二电机25环绕固定器转动，是指调整第二电机25，使患者头部固定在固定器中时，头部正好位于第一电机23转动的中心位置，或中心位置的正下方。患者头部固定好后，第二电机25相对于人体头部的位置也相对固定。

第二电机25的输出轴上垂直安装有一个L形支杆26，支杆26一端设置有固定夹22，可将探头21加持住，当第二电机25带动支杆26运转到目标位置时，通过固定夹22对探头21进行加持，然后打开经颅磁刺激仪13，可进行治疗。

转杆24上远离第二电机25的一端安装有第一平衡块19，支杆26上远离探头21的一端安装有第二平衡块20。

由于探头21部分和电机均具有一定重量，第一电机23带动第二电机25转动、第二电机25带动探头21在转动时，需要克服较大的力矩，比较损耗电机，并且转动、停止过程不稳定，容易造成电机的损坏。

因此考虑到这些因素，根据杠杆原理，支杆26最宜以较长的一段的中部与第二电机25的输出轴垂直固结，并且在支杆26较短的一段的端部安装探头21，而在较长一段的端部设置与探头21重量相仿的第二平衡块20，如铅块。那么这样构成的支杆26结构，支杆26在绕其中部转动时，转动点两端的力矩是平衡的，能有效地减小摩擦，保持探头21平稳转动，也利于电机长时间稳定地运转。

同样地，第一平衡块19的设置原理与第二平衡块20相同，第一平衡块19的重量应与第二电机25和第二电机25输出轴上安装的机构的总重量相仿。

当然，第二电机25输出轴并非一定要设置在支杆26的中心位置，只要探头21一端的重量与探头21到转动点的乘积、平衡块的重量与平衡块到转动点的乘积两者相等或者相仿，即满足钢杆平衡的条件时，均能满足实际使用的要求。按照这样的设置方式，平衡块的重量可以大一些，并且平衡块距离第二电机25输出轴的距离小一些，可减小支杆26部分的体积。

如图3所示，当人体的颅部设置在固定器中时，第一电机23和第二电机25通过控制器的控制开始运作；第一电机23转动时，第二电机25带动探头21在第一电机23的周向上运动，即相当于探头21围绕着人体颅部的纬度方向转动；而第二电机25输出轴转动时，又会带动探头21在第二电机25输出轴周向转动，第一电机23和第二电机25配合，可使探头21停留在人体颅部表面，尤其是颅脑部的任意位置。

第二电机25还可以采用直线电机，直线电机带动探头21运动，使探头21上下运动，而第一电机23带动探头21绕人体颅部圆周运动，这种配合方式也可以将探头21停留在人体颅部表面任意位置。

进一步地，在探头21上还可以安装一个用于控制探头21伸缩的电机，使探头21与头皮表面能有更好的接触。

导航装置可以控制使探头21到达头皮特定目标位置，使探头21尽可能低接近颅内的目标靶区；这个位置可以通过手动操纵选择，也可以通过自动控制的方式完成上述功能；通过自动控制的方式时，需要提前在处理器中设定好获取头皮目标位置的程序，利用处理器计算的结果，对两个电机进行自动控制；在进行位置的确定时，需要将电机转动的坐标系、颅部固定位置的坐标系统一，这样就需要一些将两个坐标系统一起来的辅助装置。

辅助定位装置

一般在进行颅内病灶定位时，采用磁共振成像的方式来获取颅部的DICOM图像，以观察病灶，获取病灶的位置信息。而在进行磁共振颅部扫描时，还需要在颅部位置固定一个不易被磁共振穿透的标志物；进行磁共振扫描后，得到的DICOM图像中，该标志物表现为一个黑点或阴影，在设置时由于提前知道该标志物在颅外部的位置，那么利用扫描后该黑点和病灶之间的位置，即可得到病灶相对于颅外部的精确位置。一般用来辅助定位的这个标志物，采用高密度物质，如铁球、或装有造影剂(碘制剂、硫酸钡等)的圆管等。

在进行磁共振头部扫描时，扫描床上有用于固定人体颅部的头架，颅外部可用于固定标志物的位置就十分有限；而在扫描时，还严格要求头部不能移动以免产生伪影。

在传统扫描前设置标志物时，一般采用胶布粘结或利用绷带环绕固定的方式，将装有造影剂的管体粘结固定在头部特定位置，但这种方法使用过程中存在很多问题，最主要的是其粘结不牢靠，位置极易偏离，但如有略微偏离，对后续定位即可造成很大偏差；而在后续的多次扫描观察时，不能做到与前一次设置标志物位置完全相同；临床中也有采用头部植入钢钉的方式作为标志物，但对患者会造成极大的损害。

还有，在磁共振扫描时，产生的噪音可达100分贝以上，并且扫描过程比较长，对于一些病患，长期处于高噪音条件下，易出现烦躁等情况，而造成头部的微动，影响扫描。

针对于这些情况，本发明提出了一种辅助定位装置，能在扫描时，能方便、准确地固定标志物的位置，多次扫描定位时，标志物的位置能严格保持不变，同时，能与所述的导航装置配合，提供颅部的位置信息，为数据处理提供必要条件。

本发明中，辅助定位装置包括设置在人体面部的适形面罩36，适形面罩36由热塑材料制成，适形面罩36由眼底向下延伸至下颌底部，由鼻部向两侧延伸至耳底部，与人体面部生理结构相切合，且在适形面罩36上留有与鼻部和嘴部对应的通孔；所述的定位器28设置在适形面罩36上耳底部的位置处。

采用适形面罩36的考虑是这样的：由于人体面布的生理结构是相对固定的，并且在头部扫描时，很少牵掣到面部位置，因此考虑利用面罩来辅助固定标志物。每个人的面布结构是不同的，当面罩与面部完全贴合时，面罩才能起到参照物的作用。因此，面罩不宜采用通用面罩，而是应该根据每个人面部结构定制专用的面罩。

热塑材料为面罩提供了一种良好的选择方案，其可塑性好、使用方便，能根据每个患者面部的不同方便地制作每个患者专用的面罩。制作面罩时，将口、鼻露出。

热塑面罩制作好后，为定位孔34的设置提供了固定基础。定位孔34在面罩制作时，位于鼻根部、下颌部和耳根部预留设置多个定位孔34，实际使用时选用最合适的定位孔34填装标志物。面罩固定后，定位孔34的位置就相对固定了；而面罩是以面部特征制作的，这样面罩卸下后再佩戴时，只要标记好填装标志物的定位孔34，也就保证了标志物仍处于上一次佩戴时的位置，利于磁共振扫描得出图像信息后，与前次的扫描信息一致对应，也便于比对病灶的前后治疗变化。同时，这种固定方式，使面罩在受到外力时，也不会移动，其受力面为整个面部，通过面罩将标志物进行了充分、精确、有效的固定。

另外，整个辅助定位装置的体积小，使用方便，只略微地占用面部空间，不会影磁共振的扫描。

在热塑面罩后端还可以设置弹性固定带35，便于热塑面罩在面部的穿戴固定。

辅助定位装置还包括设置在适形面罩36周围的定位器28：

定位器28连接在导航装置上，与导航装置整体为一个体系，即，与导航装置处于同一个坐标系中。那么，为了实现从患者现实处于的真实环境下的三维坐标系到导航装置所处的坐标系中，就需要通过一个纽带将两个坐标系联系起来，而定位器28和适形面罩36则承担着纽带作用。

所述的定位器28设置三个，其中两个定位器28与水平面之间的距离相同，与这两个定位器28连线垂直且经过连线中心的面称为平分面，则另外一个定位器28位于平分面中，并且三个定位器28连接构成的平面不与水平面平行。

空间中的三点可确定一个平面，如以水平面(地面)作为参考平面，将与水平面距离相同的两个定位器28分别称为第一定位器28和第二定位器28，另一个定位器28称为第三定位器28，则第一定位器28和第二定位器28的连线与水平面平行，从第三定位器28向水平面作垂线，垂线与第一定位器28和第二定位器28位于平分面中的中垂线相交的点记为原点，则原点、第一定位器28和第二定位器28即构成了一个实际空间中的三维坐标系。

上述方法要求第一定位器28和第二定位器28对称设置，第三定位器28位于第一定位器28和第二定位器28中心线的上方位置。可以利用更多的定位器28来建立三维坐标，但通过三点即能确定该坐标系，这种方法较为简便。

三个定位器28设置好后，当患者佩戴适形面罩36并通过固定器固定好位置时，打开三个定位器28，这里的定位器28可采用激光笔，此时调整固定器的整体位置，使患者和固定器整体上下移动，让三个定位器28发出的激光分别打在适形面罩36的鼻根部和耳根部预留的定位孔34中。

由于每个位置都预留了多个定位孔34，在三个激光点打在面罩上的位置，选择最接近激光点的一个定位孔34，并进行标记。标记完毕后，在标记好的定位孔34中放入标志物，然后进行磁共振扫描，则得到磁共振的扫描图中，标志物因扫描产生的阴影的位置与导航装置整体所在的三维坐标系是统一的；通过这个关系即可将图像信息与实际空间的三维信息联系起来，用于指导探头21到达目标位置。

为了便于设置，三个定位器28应该设置在固定器的正上方，这样佩戴适形面罩36并固定在固定器中后，适形面罩36就位于三个定位器28的中间位置，便于定位和计算。

操作箱

由于考虑到整个装置的集成性和适应性，考虑到将整个系统集成在一个操作箱3上。

三维定位导航系统还包括一个操作箱3，控制器设置于操作箱3中并连接一个显示器2和键盘16，操作箱3上设置有箱门1，打开箱门1可拉出键盘16并观察到显示器2。

如图1至图3、图6所示，导航装置中的支撑杆5固结在箱体的侧面，将导航装置整体安装在箱体上；而支撑杆上设置有垂直于支撑杆5的三根竖杆27，分别安装三个定位器28。其中两根竖杆27对称设置在支撑杆5两侧，另外一根在支撑杆5的前端。箱体上与导航装置对应的部分设置有凹口4，使导航装置转动时穿过凹口4而不受到箱体的阻碍，这就可以将患者尽可能低设置在靠近箱体的位置。

由于患者在进行位置校准，即固定在固定器后并佩戴适形面罩36后，需要通过定位器28确定定位孔34的位置，此时根据不同的患者需要调整患者面部位置的高低。综合考虑到患者的年龄和身高等因素，最宜设置可调整高度的座椅10：

在操作箱3的侧壁上设置有滑轨29，滑轨29上安装有座椅10，座椅10的椅腿11可伸缩，所述的颈托8通过伸缩杆33安装在座椅10的椅背9上。

即，座椅10的高度是可以通过滑轨29调整的，调整好以后，通过锁紧件12锁死位置，为使座椅10和滑轨29连接处不承受过大负载，座椅10的椅腿11也是可以伸缩的，座椅10椅面的位置调整好并锁死后，通过可伸缩的椅腿11支撑，使座椅10更加稳定。

另外，颈托8最好安装在座椅10椅背9上，座椅10位置的高低可以适宜不同年龄和生理条件的患者，使其长时间的治疗过程中，腿部能更加舒适，而通过伸缩杆33调整的颈托8则能在座椅10位置固定好后，对颈托8位置进行微调，使调整更加方便和人性化。

由于整个导航装置中有两个电机，再之患者坐在座椅10上后使操作箱3整体重心偏移，为使操作箱3整体更加稳定不受到影响，设置两个措施：

第一，操作箱3侧面下部设置有底门14，打开底门14可在操作箱3中设置配重块31，保持操作箱3的稳定；

第二，操作箱3底部安装的万向轮15具有锁止功能，操作箱3的位置选好后，通过轮锁进行锁死，使箱体位置保持固定。

控制器可采用计算机，进行病灶脑区的分析、控制电机运作等；在底门14中还可以设置主机箱30、以及控制电路板等。

经颅磁刺激仪13设置在另一个箱体中，该箱体底部也设置有万向轮15，便于其移动。

在导航装置和辅助定位装置外部设置有罩体6，罩体6可将患者围在其中，在进行治疗的过程中，为患者提供一个独立的空间，减轻患者的紧张感，也利于营造一个安静、舒适的治疗环境。罩体6上开设有操作门7，打开操作门7使患者进入其中并在座椅10上坐好、固定好后，关闭操作门7，进行磁刺激位置的确定，确定好后，医生打开操作门7安装好探头21，关闭操作门7，即可开始治疗。

定位方法：

本发明中，还提供一种利用上述导航系统进行内外坐标转换并控制电机运作以实现自动导航的方法，以解决不同坐标系下坐标统一的问题，为后续的治疗过程提供必要的支持，具体如下：

步骤一，利用定位器在患者面部进行三点定位，在定位的三点处固定标志物，然后进行磁共振扫描，得到包含病灶区域和标志物阴影在内的扫描图；记扫描图中的三个标志物的阴影分别为第一标志物、第二标志物和第三标志物(即前述的与水平面之间距离相同的两个定位器确定的两个标志物)；

这个步骤可利用上述的适形面罩来完成，即患者需要先佩戴适形面罩，通过辅助定位装置中的三个定位器将光点打在鼻根处、左右耳根处，并在每个部位将标志物放置在与光点最接近的定位孔中，然后患者佩戴该面罩进行磁共振扫描，扫描图中不仅有脑区和病灶区域的信息，还有标志物扫描后产生的黑点或阴影信息，其中第一标志物和第二标志物分别为左右耳根处的标志物在图上对应的位置；

步骤二，根据扫描图信息，利用软件分析得到病灶发生的脑区，然后对扫描图进行三维重建，在三维重建图中，得到病灶脑区在三维重建图中的三维坐标系中的坐标，记为P(x,y,z)；

当然，上述两个步骤不止是能进行颅内病灶的定位，而对于颅内特定位置的定位，也可以利用本装置和本方法进行，即首先佩戴面罩进行扫描得到扫描图，然后确定扫描图中的特定点和标志物的阴影点。标志物和面罩的佩戴是必要的，因为标志物在扫描时提供了足够的信息，以便于后期的坐标运算。

因此对于颅内任意一点的定位，只要首先共同和标志物进行扫描，都可按照下面的步骤继续确定该特定位置(即下述的病灶脑区)，而这些测量数据可以用于疾病的诊断或其他领域。

步骤三，利用三个标志物的阴影在三维重建图中的坐标，将实际空间的三维坐标系对应到三维重建图中的一个局部坐标系，并得到两个坐标系之间的对应关系，具体为：

步骤S30，将第一标志物、第二标志物的阴影(下简称第一标志物、第二标志物)在三维重建图中的坐标连线作为局部坐标系的X′轴，从第三标志物在三维重建图中的坐标向X′轴作垂线，垂线与X′轴相交点记为O′即为局部坐标系的原点，O′在三维重建图中的坐标记为(x₀,y₀,z₀)；

步骤S31，三维重建图中第三标志物的坐标与X′轴的垂线为局部坐标系的Z′轴，通过局部坐标系的原点O′的坐标和第三标志物在三维重建图中的坐标，计算出两点间的直线方程，继而可计算出局部坐标系Z′轴与三维重建图中的三维坐标系X,Y,Z轴的夹角分别为α,β,γ，如图10所示；

步骤S32，局部坐标系中的Z′轴可看作是三维重建图中三维坐标系的Z轴先绕Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度得到；则由局部坐标系到三维重建图中的坐标系的变换可看作是由局部坐标系绕三维重建图中坐标系Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度，继而平移至(x₀,y₀,z₀)三个变换组成，则三个变换矩阵分别为：

则组合变换矩阵为：

根据图11，可推导出a、b和Z′轴与X,Y,Z轴的夹角α,β,γ之间的关系：

Z′轴的方向余弦分别为：

根据图中的关系可知：

cosa＝n₃＝cosγ(3)

将上面的式(3)至(6)代入组合变换矩阵式(1)中可得到：

因此，局部坐标系中的一点(x′,y′,z′)可以通过转换矩阵转换为三维重建图中坐标系中的坐标(x,y,z)，转换关系如下：

[x′ y′ z′ 1]·T＝[x y z 1] (8)

如果已知三维重建图中坐标系中的坐标，要转化为局部坐标系中的坐标，则可采用以下公式：

[x′ y′ z′ 1]＝[x y z 1]·T^-1 (9)

式(9)中，T^-1可通过对T求逆矩阵得到，T^-1为：

则将(10)代入(9)中即可将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系，即实际空间坐标系中的坐标；

步骤四，根据两个坐标系之间的对应关系，得到病灶脑区在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)，具体为：

利用公式(9)能将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系中的坐标，也就是实际空间(患者所在的空间)的三维坐标系中的坐标，通过步骤二得知病灶脑区在三维重建图中坐标为P(x,y,z)；因此，根据公式(9)可得到病灶脑区在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)；

步骤五，将步骤四中得到的病灶坐标P′(x′,y′,z′)转化为球坐标以指导步进电机的运动，步进电机可运转至球坐标所指位置，具体公式为：

记步进电机所在的实际空间三维坐标系为xyz(也就是局部坐标系X′Y′Z′)，上式中，r为球体半径，θ为距离z轴的偏移角，为距离x轴的偏移角，将病灶坐标P′(x′,y′,z′)代入到公式(11)，得到球坐标

利用上述导航方法，可完成从磁共振扫描后病灶图片当中病灶的位置到实际空间当中病灶坐标的转换，并可得到用于指导步进电机的球坐标。

由于在进行定位时，已经确定了固定器的位置，固定器在患者定位完毕后位置是不动的。患者仍处于固定器中时，其头部位置相对于头盔位置不改变，这样就保证了从颅内病灶到颅外坐标的一致对应。

如将人体颅部看成一个球体，记围绕颅部周向旋转为纬向，沿颅部表面从颅顶至颅底的方向为经向(类似于地球的经纬度)，则本方案中的两个电机：第一电机和第二电机中，第一电机带动第二电机绕颅部做纬向运动，第二电机带动探头做经向运动。

探头静止时，其初始球坐标在电机所在的球坐标系中是已知的，目标坐标，即病灶坐标根据公式(11)可转换为球坐标，目标坐标与初始坐标之间可通过径向运动和纬向运动来到达，即通过两个坐标之差，利用第一电机和第二电机即可使第二电机带动探头到达目标球坐标所指示的位置(病灶在实际空间三维坐标当中的位置)或接近位置，然后打开经颅磁刺激仪，进行通过探头磁刺激治疗。

Claims (8)

1.一种脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，其特征在于，包括固定装置、导航装置和辅助定位装置：

固定装置包括用于固定人体颅部位置的固定器；

导航装置设置在固定装置的上方，导航装置包括第一电机(23)和由第一电机(23)驱动而转动的第二电机(25)，第二电机(25)驱动用于磁刺激治疗的探头(21)转动，探头(21)、第二电机(25)的转动平面不平行，其中第二电机(25)环绕固定器转动；

辅助定位装置包括设置在紧密贴附于人体面部的适形面罩(36)，和设置在适形面罩(36)周围的定位器(28)，在适形面罩(36)上开设有定位孔(34)；

第一电机(23)、第二电机(25)连接至一个控制器；

所述的定位器(28)设置三个，其中两个定位器(28)与水平面之间的距离相同，与这两个定位器(28)连线垂直且经过连线中心的面称为平分面，则另外一个定位器(28)位于平分面中，并且三个定位器(28)连接构成的平面不与水平面平行；定位器(28)连接在导航装置上。

2.如权利要求1所述的脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，其特征在于，第一电机(23)通过连接杆(17)固定在一个支撑杆(5)上，第一电机(23)的输出轴上安装有L形转杆(24)，转杆(24)的一端与第一电机(23)的输出轴固结，转杆(24)的另一端安装第二电机(25)；第二电机(25)的输出轴与第一电机(23)垂直设置；第二电机(25)的输出轴上垂直安装有一个L形支杆(26)，支杆(26)的一端设置有用于安装探头(21)的固定夹(22)。

3.如权利要求1所述的脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，其特征在于，所述的固定器包括筒状颈托(8)，该颈托(8)套装在人体颈部并与人体颈部曲线相贴合，颈托(8)的顶端向上延伸且不超过患者的嘴部和耳部，颈托(8)的底端向下延伸且不超过患者的胸部和肩部，颈托(8)向上、向下延伸的部分和与延伸部分接触的人体部位的曲线相贴合。

4.如权利要求3所述的脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，其特征在于，所述的颈托(8)沿其轴向剖切对称一分为二，分开的两部分颈托(8)通过合页(18)连接，在分开的两部分颈托(8)上对称设置有锁扣(32)，两部分颈托(8)通过锁扣(32)锁合形成一个完整的颈托(8)。

5.如权利要求1所述的脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，其特征在于，所述的适形面罩(36)由热塑材料制成，适形面罩(36)由眼底向下延伸至下颌底部，由鼻部向两侧延伸至耳底部，与人体面部生理结构相切合，且在适形面罩(36)上留有与鼻部和嘴部对应的通孔；所述的定位孔(34)开设在面罩上眼底位置和耳底位置。

6.如权利要求1所述的脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，其特征在于，该三维定位导航系统还包括一个操作箱(3)，控制器设置于操作箱(3)中并连接一个显示器(2)和键盘(16)，操作箱(3)上设置有箱门(1)，打开箱门(1)可拉出键盘(16)并观察到显示器(2)。

7.如权利要求6所述的脑皮质经颅磁刺激三维定位导航系统，其特征在于，在操作箱(3)的侧壁上设置有滑轨(29)，滑轨(29)上安装有座椅(10)，座椅(10)的椅腿(11)可伸缩，所述的固定器通过伸缩杆(33)安装在座椅(10)的椅背(9)上。

8.一种三维定位导航方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤一，利用定位器在患者面部进行三点定位，在定位的三点处固定标志物，然后进行磁共振扫描，得到包含特定位置和标志物阴影在内的扫描图；

步骤二，根据扫描图信息，得到特定位置，然后对扫描图进行三维重建，在三维重建图中，得到特定位置在三维重建图中的三维坐标系中的坐标，记为P(x,y,z)；

步骤三，利用三个标志物的阴影在三维重建图中的坐标，将实际空间的三维坐标系对应到三维重建图中的一个局部坐标系，并得到两个坐标系之间的对应关系；

步骤四，根据两个坐标系之间的对应关系，得到特定位置在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)；

步骤五，将步骤四中得到的特定位置坐标P′(x′,y′,z′)转化为球坐标以指导步进电机的运动；

所述的步骤三的具体过程如下：

步骤S30，记所述的三个标志物分别为第一标志物、第二标志物和第三标志物，将第一标志物、第二标志物在三维重建图中的坐标连线作为局部坐标系的X′轴，从第三标志物在三维重建图中的坐标向X′轴作垂线，垂线与X′轴相交点记为O′即为局部坐标系的原点，O′在三维重建图中的坐标记为(x₀,y₀,z₀)；

步骤S31，三维重建图中第三标志物的坐标与X′轴的垂线为局部坐标系的Z′轴，通过局部坐标系的原点O′的坐标和第三标志物在三维重建图中的坐标，计算出两点间的直线方程，继而得到局部坐标系Z′轴与三维重建图中的三维坐标系X,Y,Z轴的夹角分别为α,β,γ；

步骤S32，局部坐标系到三维重建图中的坐标系的变换可看作是由局部坐标系绕三维重建图中坐标系Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度，继而平移至(x₀,y₀,z₀)三个变换组成，则三个变换矩阵分别为：

$T_a=\left[\begin{array}{cccc}\cos a& 0& -\sin a& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ \sin a& 0& \cos a& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_b=\left[\begin{array}{cccc}\cos b& \sin b& 0& 0\\ -\sin b& \cos b& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_{O^{\′}}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]$

则组合变换矩阵为：

$T=T_a\·T_b\·T_{O^{\′}}=\left[\begin{array}{cccc}\cos a\cos b& \cos a\sin b& -\sin a& 0\\ -\sin b& \cos b& 0& 0\\ \sin a\cos b& \sin a\sin b& \cos a& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

Z′轴的方向余弦分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1=cos\mathrm{\α}\\ n_2=cos\mathrm{\β}\\ n_3=cos\mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

cosa＝n₃＝cosγ (3)

$\sin a=\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}=\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}---\left(4\right)$

$\cos b=\frac{n_1}{\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}}=\frac{cos\mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}---\left(5\right)$

$\sin b=\frac{n_2}{\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}}=\frac{cos\mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}---\left(6\right)$

将上面的式(3)至(6)代入组合变换矩阵式(1)中可得到：

$T=\left[\begin{array}{cccc}\frac{\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& -\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}& 0\\ -\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& 0& 0\\ \cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

因此，局部坐标系中的一点(x′,y′,z′)可以通过转换矩阵转换为三维重建图中坐标系中的坐标(x,y,z)，转换关系如下：

[x′ y′ z′ 1]·T＝[x y z 1] (8)

已知三维重建图中坐标系中的坐标，要转化为局部坐标系中的坐标，则可采用以下公式：

[x′ y′ z′ 1]＝[x y z 1]·T^-1 (9)

式(9)中，T^-1可通过对T求逆矩阵得到，T^-1为：

$T^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{cos\mathrm{\α}cos\mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& -\frac{cos\mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& cos\mathrm{\α}& 0\\ \frac{cos\mathrm{\β}cos\mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{cos\mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& cos\mathrm{\β}& 0\\ -\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}& 0& cos\mathrm{\γ}& 0\\ \mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}& 1\end{array}\right]---\left(10\right)$

则将(10)代入(9)中即可将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系，即实际空间坐标系中的坐标。