CN106974653A - 一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法，以第一片鱼鳞(头部与躯干交界处)为原点，基于鲤鱼颅骨特征在颅骨表面做参考划痕，建立空间坐标系；借助于磁共振设备的T2WI快速自旋回波扫描序列对颅脑进行扫描成像，将电极刺激位点的二维坐标转化为三维空间坐标，确定脑刺激电极植入位点在空间坐标系的坐标值；根据坐标值为脑刺激电极植入进行定位和导航。本发明不仅能够为鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极的植入进行定位和导航，而且也能为多种动物机器人脑刺激电极的植入提供新的定位和导航手段。

Description

一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法
技术领域
本发明涉及生物控制领域，尤其是基于鲤鱼颅骨特征建立空间坐标系，借助磁共振扫描确定鲤鱼脑刺激电极植入位点坐标并为脑刺激电极的植入进行导航的方法。
背景技术
动物机器人因其具有灵活性和隐蔽性等特点，已成为当今世界新兴的前沿高科技领域。动物机器人在生态环境研究、抢险救灾、军事国防、工业应用以及医学领域都有着潜在的广阔的应用前景。早在上世纪国际上就开始了动物机器人的研究，如日本的螳螂机器人、金鱼机器人和美国的大鼠机器人、猴子机器人、鲨鱼机器人以及俄罗斯的海龟机器人，都可以基本实现指定的动作控制；近年来国内也在这一领域有所发展，典型的有大鼠机器人、鸽子机器人、大壁虎机器人、家兔机器人和鲤鱼机器人等，国内外大多数动物机器人主要是应用脑控技术进行行为控制的。
脑是高级神经中枢，运动行为是由脑运动区所控制的，所以刺激电极植入脑运动区的精确程度则是决定动物机器人行为控制成败的关键因素。在实验方面，保证对中枢神经损伤最小的前提下，将微电极或者导管有目的地植入脑的相应结构中，这类定向安置技术就是脑立体定位技术。脑立体定位技术在脑组织内进行电刺激、记录细胞电位放射、微量注射以及灌流技术等方面，是不可或缺而且关乎成败的重要环节。
磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)是当今世界在研究脑组织结构和功能方面的一种先进的非侵害性医学影像技术，其原理是利用射频脉冲激发处于磁场中的原子核(如氢核)，再利用原子核退激弛豫时释放的能量成像。MRI具有分辨率高、成像参数多、可对任意层面选层、可以反映生物体组织的生理生化信息等优点；此外，MRI技术对于被测物体是没有电离福射损伤的，能够不经外部的破坏在完全无损的条件下快速、准确地探测被测物体的结构、形态、功能等内部信息，得到被测物体的内部影像。而传统的应用脑立体定位仪的定位方法，增大了空间定位时的误差，准确度相对低。因而相比较传统的脑立体定位技术，磁共振成像技术在脑成像、为刺激电极植入脑组织进行定位和导航方面具有比较可靠的应用价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够为鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极的植入进行定位和导航、也能为多种动物机器人脑刺激电极的植入提供新的定位和导航手段的借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法包括以下步骤：
步骤1，选择成年健康鲤鱼，对鲤鱼进行麻醉；
步骤2，在鲤鱼第一片鱼鳞即躯干与鲤鱼头部交接处做冠状划痕；
步骤3，根据鲤鱼颅骨骨性标志，建立空间坐标系；
步骤4，进行磁共振预扫描，确定扫描平面、层厚、层数和视野等参数；
步骤5，在矢状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到冠状划痕的距离；
步骤6，在轴状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到电极植入位点的距离；
步骤7，结合扫描层厚和电极植入位点所在图像的层数，确定电极植入位点在空间坐标系中的坐标值；
步骤8，将电极植入到刺激位点；
步骤9，再次进行磁共振扫描，在定位项定义轴状扫描平面，验证电极植入位点是否准确。
进一步的，步骤1中，选择体长即从吻部到躯干最后一片鱼鳞的长度为33.12±1.62cm、体重为0.97±0.11kg的成年健康鲤鱼15尾；将鲤鱼置于浓度为0.36g/L丁香酚溶液中进行药浴麻醉，取出平放于纱布，将鲤鱼躯体的水迹擦干，固定在专用固定槽内。
进一步的，所述步骤3的具体内容为：以头部与躯干交界处第一片鱼鳞所处做一道划痕，使得痕迹清晰且能在磁共振中成像，并将第一鱼鳞所处位置确定为空间坐标系的原点O；确定原点后，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点的连线定义为Y轴，正方向指向吻部；以过原点平行于冠状缝的直线定义为X轴，正方向指向躯体左侧；以过原点垂直于XOY平面的垂线定义为Z轴，正方向指向腹部；从而建立空间坐标系。
进一步的，步骤4中，将鲤鱼用纱布包裹，固定在MRI成像系统的8通道膝关节线圈内；鲤鱼呈俯卧位，头先进，进床前使MRI成像系统的扫描十字线对准颅脑中心，然后在定位项图像中确定矢状位扫描平面；扫描时，矢状位扫描平面与YOZ平面平行，矢状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI快速自旋回波扫描序列，重复时间TR＝750ms，回波时间TE＝112ms，层厚为0.8mm，层数为72，视野FOV为200×200mm2，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝170°，平均次数NEX＝1，回波链长度ETL＝21，获取时间TA＝442s。
进一步的，步骤4中，在矢状位扫描平面中确定轴状位扫描平面；轴状位扫描时，将轴状位扫描平面与XOY平面平行，并使视野框的上边界与颅骨表面的Y坐标轴吻合，轴状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI自旋回波序列，重复时间TR＝1000ms，回波时间TE＝131ms，层厚为0.5mm，层数为56，视野FOV为119×119mm2，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝120°，平均次数NEX＝2，回波链长度ETL＝65，获取时间TA＝256s；矢状位扫描时，使矢状位扫描平面与YOZ平面平行；冠状位扫描时将冠状位扫描平面设置成与XOZ平面平行的平面。
进一步的，步骤7中，确定脑刺激电极植入位点在空间坐标系中的X、Y、Z的坐标值，在矢状位图像上，眼球中心距冠状划痕的距离记为D1；在轴状位图像上，两眼之间连线到电极植入位点垂直距离记为D2，则其纵坐标Y＝D1-D2；两眼连线中点与原点的连线到电极植入位点的距离为D3，则其横坐标X＝D3；若确定电极植入位点所在层数为N，轴状面扫描层厚为S mm，则Z＝N*S；从而获得刺激电极在脑组织中植入位点的空间坐标(X,Y,Z)＝(D3,D1-D2,N*S)。
进一步的，步骤8中，根据测量的坐标值，用开颅钻在对应位置钻一直径为1mm的圆孔，应用脑立体定位仪将电极按照垂直于颅骨表面的方向经圆孔植入到脑组织内的目标位点。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：
1、采用磁共振预扫描定位脑组织，在不开颅的前提下利用MRI优秀的图像性能，准确获取鲤鱼脑组织相对于颅骨的尺度参数，相比传统的应用脑立体定位仪定位方法，减小了因动物的个体差异、体位多变性以及人为因素等方面带来的定位误差。
2、在鲤鱼第一片鱼鳞处(头部与躯干交接处)处所做的冠状划痕，提供了在每层轴状磁共振序列内将组织位点转换到体外空间坐标系的方法，也是空间坐标系在不同方位图像上联系的纽带。
3、采用与XOY坐标平面平行的斜轴状位磁共振扫描方法，将轴状图像内电极植入位点的位置转换到空间坐标系中，使体位定位和电极植入更加精确。
4、不仅能够为鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极的植入进行定位和导航，而且也能为多种动物机器人脑刺激电极的植入提供新的定位和导航手段。
附图说明
图1是本发明方法中未做冠状划痕时矢状位核磁成像图。
图2是本发明方法中所做冠状划痕的矢状位核磁成像图。
图3是本发明方法中基于鲤鱼骨性标志建立的XOY平面直角坐标系。
图4是本发明方法中基于鲤鱼骨性标志建立的YOZ平面直角坐标系。
图5是本发明方法在矢状位磁共振图像中电极植入针道图。
图6是本发明方法在矢状位磁共振图像中内侧眼球中心到冠状划痕的距离图。
图7是本发明方法在轴状位磁共振图像中电极植入位点与坐标变换示意图。
附图标号：D1为眼球中心到冠状划痕的距离；D2为两眼之间连线到电极植入位点的距离；D3为两眼连线中点与原点的连线到电极植入位点的距离；1为冠状划痕；2为矢状位磁共振图像中电极植入针道；3为轴状位磁共振图像中电极植入位点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明所述方法包括以下步骤：
步骤1，选择成年健康鲤鱼，对鲤鱼进行麻醉；
步骤2，在鲤鱼第一片鱼鳞即躯干与鲤鱼头部交接处做冠状划痕；
步骤3，根据鲤鱼颅骨骨性标志，建立空间坐标系；
步骤4，进行磁共振预扫描，确定扫描平面、层厚、层数和视野等参数；
步骤5，在矢状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到冠状划痕的距离；
步骤6，在轴状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到电极植入位点的距离；
步骤7，结合扫描层厚和电极植入位点所在图像的层数，确定电极植入位点在空间坐标系中的坐标值；
步骤8，将电极植入到刺激位点；
步骤9，再次进行磁共振扫描，在定位项定义轴状扫描平面，验证电极植入位点是否准确。
实施例1：
具体步骤如下：
1、选择体长(从吻部到躯干的最后一片鱼鳞)为33.12±1.62cm，体重为0.97±0.11kg的成年健康鲤鱼15尾。
2、将鲤鱼置于浓度为0.36g/L丁香酚溶液中进行药浴麻醉，取出平放于纱布，将鲤鱼躯体的水迹擦干，固定在专用固定槽内。
3、结合图1和图2所示，将鲤鱼在第一片鱼鳞处(头部与躯干交界处)划一道痕迹，将其所处位置设为空间坐标系的原点，记为O。
4、如图3所示，基于鲤鱼骨性标志建立空间坐标系确定原点O后，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点O的连线定义为Y轴，正方向指向吻部；以过原点O平行于冠状缝的直线定义为X轴，正方向指向躯体左侧；如图4所示，以过原点O垂直于XOY平面的垂线定义为Z轴，正方向指向腹部。
5、将鲤鱼用纱布包裹，固定在MRI成像系统的8通道膝关节线圈内。鲤鱼呈俯卧位，头先进，进床前使MRI成像系统的扫描十字线对准颅脑中心，然后在定位项图像中确定矢状位扫描平面。扫描时，矢状位扫描平面与YOZ平面平行，矢状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI快速自旋回波扫描序列，重复时间TR＝750ms，回波时间TE＝112ms，层厚为0.8mm，层数为72，视野FOV为200×200mm2，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝170°，平均次数NEX＝1，回波链长度ETL＝21，获取时间TA＝442s。
6、在矢状位扫描平面中确定轴状位扫描平面。扫描时，将轴状位扫描平面与XOY平面平行，并使视野框的上边界与颅骨表面的Y坐标轴吻合，轴状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI自旋回波序列，重复时间TR＝1000ms，回波时间TE＝131ms，层厚为0.5mm，层数为56，视野FOV为119×119mm2，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝120°，平均次数NEX＝2，回波链长度ETL＝65，获取时间TA＝256s。
7、如图5和7所示，在矢状位和轴状位磁共振图像中，测量鲤鱼颅脑内部电极植入位点的坐标；如图6所示，在矢状位磁共振图像中，测得眼球中心到冠状划痕的距离D1＝32.5mm；如图7所示，在轴状位磁共振图像中，测得两眼间连线到电极植入位点距离D2＝37.1mm，则电极植入位点的纵坐标Y＝D1-D2＝32.5-37.1＝-4.6mm，位于Y坐标轴负方向；两眼连线中点与原点O的连线到电极植入位点的距离为D3＝2.0mm，且位于鲤鱼躯体左侧，则电极植入位点的横坐标X＝L＝2.0mm；电极植入位点所在轴状位序列层数为N＝36，轴状面扫描层厚为S＝0.5mm，则Z＝N*S＝36*0.5＝18.0mm；从而获得脑刺激电极植入的目标位点在空间坐标系中的坐标(X,Y,Z)＝(-4.6,2.0,18.0)。
8、将鲤鱼从磁共振设备取下，根据测量的坐标值，用开颅钻在对应位置钻一直径为1mm的圆孔，应用脑立体定位仪将电极按照垂直于颅骨表面的方向经圆孔植入到脑组织内的目标位点。
9、再将鲤鱼进行轴状位方向磁共振成像，扫描参数和上述预扫描参数相同。
10、通过查看图像中电极尖端的坐标值，与之前植入目标的坐标值进行比较，验证电极植入的准确性，如有偏差再进行纠偏。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，选择成年健康鲤鱼，对鲤鱼进行麻醉；
步骤2，在鲤鱼第一片鱼鳞即躯干与鲤鱼头部交接处做冠状划痕；
步骤3，根据鲤鱼颅骨骨性标志，建立空间坐标系；
步骤4，进行磁共振预扫描，确定扫描平面、层厚、层数和视野等参数；
步骤5，在矢状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到冠状划痕的距离；
步骤6，在轴状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到电极植入位点的距离；
步骤7，结合扫描层厚和电极植入位点所在图像的层数，确定电极植入位点在空间坐标系中的坐标值；
步骤8，将电极植入到刺激位点；
步骤9，再次进行磁共振扫描，在定位项定义轴状扫描平面，验证电极植入位点是否准确。
2.根据权利要求1所述的一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法，其特征在于：步骤1中，选择体长即从吻部到躯干最后一片鱼鳞的长度为33.12±1.62cm、体重为0.97±0.11kg的成年健康鲤鱼15尾；将鲤鱼置于浓度为0.36g/L丁香酚溶液中进行药浴麻醉，取出平放于纱布，将鲤鱼躯体的水迹擦干，固定在专用固定槽内。
3.根据权利要求1所述的一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法，其特征在于，所述步骤3的具体内容为：以头部与躯干交界处第一片鱼鳞所处做一道划痕，使得痕迹清晰且能在磁共振中成像，并将第一片鱼鳞所处位置确定为空间坐标系的原点O；确定原点后，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点的连线定义为Y轴，正方向指向吻部；以过原点平行于冠状缝的直线定义为X轴，正方向指向躯体左侧；以过原点垂直于XOY平面的垂线定义为Z轴，正方向指向腹部；从而建立空间坐标系。
4.根据权利要求1所述的一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法，其特征在于：步骤4中，将鲤鱼用纱布包裹，固定在MRI成像系统的8通道膝关节线圈内；鲤鱼呈俯卧位，头先进，进床前使MRI成像系统的扫描十字线对准颅脑中心，然后在定位项图像中确定矢状位扫描平面；扫描时，矢状位扫描平面与YOZ平面平行，矢状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI快速自旋回波扫描序列，重复时间TR＝750ms，回波时间TE＝112ms，层厚为0.8mm，层数为72，视野FOV为200×200mm2，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝170°，平均次数NEX＝1，回波链长度ETL＝21，获取时间TA＝442s。
5.根据权利要求1所述的一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法，其特征在于：步骤4中，在矢状位扫描平面中确定轴状位扫描平面；轴状位扫描时，将轴状位扫描平面与XOY平面平行，并使视野框的上边界与颅骨表面的Y坐标轴吻合，轴状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI自旋回波序列，重复时间TR＝1000ms，回波时间TE＝131ms，层厚为0.5mm，层数为56，视野FOV为119×119mm2，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝120°，平均次数NEX＝2，回波链长度ETL＝65，获取时间TA＝256s；矢状位扫描时，使矢状位扫描平面与YOZ平面平行；冠状位扫描时将冠状位扫描平面设置成与XOZ平面平行的平面。
6.根据权利要求1所述的一种借助磁共振定位和导航的鲤鱼颅脑电极植入方法，其特征在于：步骤7中，确定脑刺激电极植入位点在空间坐标系中的X、Y、Z的坐标值，在矢状位图像上，眼球中心距冠状划痕的距离记为D1；在轴状位图像上，两眼之间连线到电极植入位点垂直距离记为D2，则其纵坐标Y＝D1-D2；两眼连线中点与原点的连线到电极植入位点的距离为D3，则其横坐标X＝D3；若确定电极植入位点所在层数为N，轴状面扫描层厚为S mm，则Z＝N*S；从而获得刺激电极在脑组织中植入位点的空间坐标(X,Y,Z)＝(D3,D1-D2,N*S)。
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