CN106580318B - 一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置 - Google Patents

一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置，包括矩阵式电极、摄像头、图片传输模块以及图像处理模块，所述的摄像头装置采用的是logitech C920摄像头，并通过USB口与图像传输模块相连；所述的图像传输模块是在Win7下建立局域网，以共享图片的方式进行传输；所述的图像处理模块是基于win7的计算机平台，根据图像传输模块传输的图像进行处理和定位；矩阵式电极用于放置在经麻醉后开颅的神经外科手术患者颅脑中。本发明的方法及装置，对矩阵式电极定位性能优良，特别是对神经外科手术临床应用中经常放置成弧形的矩阵式电极也能精确定位，便于后续的脑功能定位研究。

Description

一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置
技术领域
本发明方法及装置涉及基于脑电分析的神经科学研究领域，特别涉及一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置，便于后续的脑功能定位研究。
背景技术
在神经外科切除脑功能区病变手术中，在术中如何实时精确定位脑功能区是关键的。明确病灶所在功能区边界及周围的状况，帮助医生最大限度并安全地切除病灶，以控制肿瘤的生长和复发。
目前最理想的术中精确定位脑功能区方法是脑电成像技术。该方法首先采用植入颅内微电极采集脑皮质大量神经元的电信号，记录脑区的功能活动，其次分析计算各电极的脑电信号的功能区特异性，再结合所有硬膜下电极的精确定位，从而构建实时动态脑电地形图以划分脑功能区。
其中大多数电极的定位方法采用的都是影像学方法，影像学的电极定位方法大多是利用术前MRI图像、术后CT图像，但这些方法不能满足术中对脑电地形图绘制对电极定位精度100％的要求，特别是对放置成弧形的矩阵式电极难以精确定位。因此，研发具有自主知识产权的术中硬膜下矩阵式电极精确定位方法及装置是非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置。
本发明的目的通过以下的技术方案实现。
一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置，其包括矩阵式电极、摄像头、图片传输模块以及图像处理模块，所述的摄像头装置采用的是logitech C920摄像头，并通过USB口与图像传输模块相连；所述的图像传输模块是在Win7下建立局域网，以共享图片的方式进行传输；所述的图像处理模块是基于win7的计算机平台，根据图像传输模块传输的图像进行处理和定位；矩阵式电极用于放置在经麻醉后开颅的神经外科手术患者颅脑中；摄像头拍摄被测者包括矩阵式电极的开颅部位照片；图像传输模块实时将摄像头拍摄的图像传输给图像处理模块处理：
首先选择2～4个起始点电极，采用直方图分析、质心法和区域生长法的单个电极坐标区域提取算法，确定该起始点的最佳电极坐标，并添加标号；其次以起始点电极坐标为起点，结合扩展电极逐点排序方法,,扩展电极的初始坐标(x,y)可由两个相邻并已被定位的电极坐标(x1，y1)、(x2,y2)确定该坐标系是以图像左上角为原点，从左至右为横轴正方向，从上往下为纵轴正方向，如公式(1)所示：
Figure BDA0001154165500000021
最后采用上述方法向上下左右逐点扩展，并再次通过单个电极坐标区域提取算法，确定其他所有电极坐标和标号，完成硬膜下矩阵式电极实时精确定位。
进一步地，所述单个电极坐标区域提取算法具体如下：在单个电极的区域内，通过直方图分析、质心法、区域生长法，确定最佳的电极坐标；提取电极坐标的算法可分为以下4步：
(1)确定即将提取的单个电极坐标的区域大小，该区域是以待提取电极的初始坐标为中心，以相邻电极的间距为边长的正方形。
(2)在步骤(1)所述区域内采用直方图分析电极颜色进行图像分割；
(3)提取分割区域中面积最大区域的质心，并以该质心为中心采用区域生长法向周围扩散，再提取扩散后区域的质心，并暂时把该质心当做该电极的坐标；
(4)比较提取单个电极坐标区域的中心和上述提取的质心，决定该电极的最佳坐标。
进一步地，所述的扩展电极逐点排序算法具体如下：将已经定位出来的电极，向上下左右逐点扩展，直至图片中所有电极都有标号；这种扩展方法原理如图3(假设是64(8*8)个电极，并且电极坐标已通过上述单个电极坐标区域提取算法确定：
(1)给定四个中心电极坐标的标号；
(2)分别将这四个中心电极，按照两点确定下一点的方式，向上下开始扩展，直至中心两列的电极都添加了标号；
(3)将扩展出的两列已添加标号的电极，同样按照两点确定下一点的方式，分别向左右逐行扩展，添加每个电极标号。这种扩展电极逐点排序算法可以扩展到任意的m*n坐标排序。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明的装置能够在术中进行硬膜下矩阵式电极图片传输，并对硬膜下矩阵式电极精确定位。术中电极图片来自于不同的手术条件，存在模糊、大小不同、光照不均、电极形状发生扭曲、颜色发生微小变化等现象，这使得采用术中图片对所有电极精确定位非常复杂；本发明的装置以结合矩阵式电极单个电极坐标的区域提取算法和扩展电极逐点排序算法，用扩展电极逐点排序算法中逐步扩展的思路，构成一种电极定位联合算法，可以对硬膜下矩阵式电极精确定位，从而为临床EcoG术中功能定位打下基础。
测试结果表明：这种装置在术中能对放置成弧形的矩阵式电极精确定位，定位精度100％。
附图说明
图1为本发明实例中硬膜下矩阵式电极精确定位装置的应用场景示意图；
图2为实例中阵式电极的实时精确定位方法的框架图；
图3为本实例中的扩展电极逐点排序算法的步骤图；
图4为扩展电极坐标确定方法图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有为特别详细说明过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
本实例的一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置，包括矩阵式电极、摄像头、图片传输模块以及图像处理模块，所述的摄像头装置采用的是logitech C920摄像头，并通过USB口与图像传输模块相连；所述的图像传输模块是在Win7下建立局域网，以共享图片的方式进行传输；所述的图像处理模块是基于win7的计算机平台，根据图像传输模块传输的图像进行处理和定位；矩阵式电极用于放置在经麻醉后开颅的神经外科手术患者颅脑中。
如图1，一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置，应用场景中包括：应用对象1，矩阵式电极2、摄像头3、摄像头USB连接的PC机4、图片处理的PC机5。
摄像头拍摄被测者包括矩阵式电极的开颅部位照片；图像传输模块实时将摄像头拍摄的图像传输给图像处理模块处理：
首先选择2～4个起始点电极，采用直方图分析、质心法和区域生长法的单个电极坐标区域提取算法，确定该起始点的最佳电极坐标，并添加标号；其次以起始点电极坐标为起点，结合扩展电极逐点排序方法,其中扩展电极的初始坐标方法如图4,扩展电极的初始坐标(x,y)可由两个相邻并已被定位的电极坐标(x1，y1)、(x2,y2)确定该坐标系是以图像左上角为原点，从左至右为横轴正方向，从上往下为纵轴正方向，如公式(1)所示：
Figure BDA0001154165500000041
最后采用上述方法向上下左右逐点扩展，并再次通过单个电极坐标区域提取算法，确定其他所有电极坐标和标号，完成硬膜下矩阵式电极实时精确定位。
所述单个电极坐标区域提取算法具体如下：在单个电极的区域内，通过直方图分析、质心法、区域生长法，确定最佳的电极坐标；提取电极坐标的算法可分为以下4步：
(1)确定即将提取的单个电极坐标的区域大小，该区域是以待提取电极的初始坐标为中心，以相邻电极的间距为边长的正方形,如图4所示。
(2)在步骤(1)所述区域内采用直方图分析电极颜色进行图像分割；
(3)提取分割区域中面积最大区域的质心，并以该质心为中心采用区域生长法向周围扩散，再提取扩散后区域的质心，并暂时把该质心当做该电极的坐标；
(4)比较提取单个电极坐标区域的中心和上述提取的质心，决定该电极的最佳坐标。
所述的扩展电极逐点排序算法具体如下：将已经定位出来的电极，向上下左右逐点扩展，直至图片中所有电极都有标号；这种扩展方法原理如图3(假设是64(8*8)个电极，并且电极坐标已通过上述单个电极坐标区域提取算法确定：
(1)给定四个中心电极坐标的标号；
(2)分别将这四个中心电极，按照两点确定下一点的方式，向上下开始扩展，直至中心两列的电极都添加了标号；
(3)将扩展出的两列已添加标号的电极，同样按照两点确定下一点的方式，分别向左右逐行扩展，添加每个电极标号。这种扩展电极逐点排序算法可以扩展到任意的m*n坐标排序。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置，其特征在于包括矩阵式电极、摄像头、图片传输模块以及图像处理模块，所述的摄像头装置采用的是logitech C920摄像头，并通过USB口与图像传输模块相连；所述的图像传输模块是在Win7下建立局域网，以共享图片的方式进行传输；所述的图像处理模块是基于win7的计算机平台，根据图像传输模块传输的图像进行处理和定位；矩阵式电极用于放置在经麻醉后开颅的神经外科手术患者颅脑中；摄像头拍摄被测者包括矩阵式电极的开颅部位照片；图像传输模块实时将摄像头拍摄的图像传输给图像处理模块处理：
首先选择2～4个起始点电极，采用直方图分析、质心法和区域生长法(的单个电极坐标区域提取算法，确定该起始点的最佳电极坐标，并添加标号；其次以起始点电极坐标为起点，结合扩展电极逐点排序方法,扩展电极的初始坐标(x,y)可由两个相邻并已被定位的电极坐标(x1，y1)、(x2,y2)确定，该坐标系是以图像左上角为原点，从左至右为横轴x正方向，从上往下为纵轴y正方向，如公式(1)所示：
Figure FDA0002281694970000011
最后采用上述方法向上下左右逐点扩展，并再次通过单个电极坐标区域提取算法，确定其他所有电极坐标和标号，完成硬膜下矩阵式电极实时精确定位；所述单个电极坐标区域提取算法具体如下：在单个电极的区域内，通过直方图分析、质心法、区域生长法，确定最佳的电极坐标；提取电极坐标的算法可分为以下4步：
(1)确定即将提取的单个电极坐标的区域大小，该区域是以待提取电极的初始坐标为中心，以相邻电极的间距为边长的正方形；
(2)在步骤(1)所述区域内采用直方图分析电极颜色进行图像分割；
(3)提取分割区域中面积最大区域的质心，并以该质心为中心采用区域生长法向周围扩散，再提取扩散后区域的质心，并暂时把该质心当做该电极的坐标；
(4)比较提取单个电极坐标区域的中心和上述提取的质心，决定该电极的最佳坐标。
2.根据权利要求1所述的一种硬膜下矩阵式电极精确定位装置，其特征在于，所述的扩展电极逐点排序算法具体如下：将已经定位出来的电极，向上下左右逐点扩展，直至图片中所有电极都有标号；并且电极坐标已通过上述单个电极坐标区域提取算法确定：
(1)给定四个中心电极坐标的标号；
(2)分别将这四个中心电极，按照两点确定下一点的方式，向上下开始扩展，直至中心两列的电极都添加了标号；
(3)将扩展出的两列已添加标号的电极，同样按照两点确定下一点的方式，分别向左右逐行扩展，添加每个电极标号，这种扩展电极逐点排序算法可以扩展到任意的m*n坐标排序。
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