CN108187230A - 经颅磁刺激导航定位机器人系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种经颅磁刺激导航定位机器人系统及定位方法，包括：主机、红外线定位仪、患者定位参考架、注册探针、机器臂及线圈夹持装置、控制单元；主机与控制单元、红外线定位仪连接，用于读取患者影像数据，计算治疗区域，注册配准，计算线圈位置；红外线定位仪与注册探针、定位参考架连接，用于实时定位患者定位参考架和注册探针的位置；患者定位参考架安装于患者头部；注册探针用于在患者面部取点完成注册配准；机器臂和线圈夹持装置与控制单元连接，用于将线圈放到预定位置并根据患者位置实时调整线圈位置。本发明可治疗前按手术计划精确放置线圈，且治疗过程中实时调整线圈位置，避免由于患者移动而造成治疗区域偏离，提高治疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗器械设备，尤其涉及一种经颅磁刺激导航定位机器人系统。此外，本发明还涉及一种经颅磁刺激导航定位方法。
背景技术
经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）的现代模式是由Bickford和Fremming在1965年进行的。TMS装置包括两个主要部分：作为能源的储存电荷的电容器和用于传递能量的位于刺激线圈中的感应器。电容器可以储存高电流的电荷，在极短时间内感应线圈可以释放大量电荷产生磁场，磁力线可以以非侵入的方式以很小的阻力穿过头皮、颅骨和脑组织，并在脑内产生反向感生电流。皮层内的电流可以激活大的锥体神经元，并引起轴突内的微观变化，并进一步引起电生理和功能的变化。但是，对神经元产生何种影响取决于多种因素，例如线圈的形状，方向，神经元的密度以及神经轴突、树突的方向。其最终效应既可以引起暂时的大脑功能的兴奋或抑制，也可以引起长时程的皮层可塑性的调节。
由于TMS可以在多种生理和心理效应中调节皮层可塑性，更多的人将TMS应用于精神类疾患中。在情绪障碍和抑郁症，TMS疗法处于临床前试验阶段。利用Beck抑郁症调查或Hamilton抑郁症评分作为标准，rTMS（重复经颅磁刺激）与其他治疗方法相比没有差别，它与假rTMS对照相比也没有差别。但是，左半球背外侧前额叶高频刺激，和右半球背外侧前额叶低频刺激，两周后都显示rTMS治疗抑郁症有效。用单光子断层成像（SPECT）来研究TMS刺激前额叶治疗抑郁症的效应，发现刺激近处皮层活动增加，而远处前扣带回和颞极前部的活动减少；20Hz TMS比5Hz TMS更有效。
患有躁狂症的病人随机接受左侧或右侧的外侧前额叶高频TMS刺激（圆线圈），治疗持续2周，结果显示临床的躁狂症状在接受右侧刺激组有所改善。
在右侧前额叶固定磁场强度在1T，给予两串1Hz60秒的TMS刺激，如此治疗10天，结果显示对精神分裂症状没有效果，但是可以减轻精神分裂患者的焦虑和不安程度；这种治疗还可以改善抑郁症患者的情绪。
经颅磁刺激的定位是诊断与治疗过程中的关键问题，一般采用手动定位，刺激时手持刺激磁刺激线圈，根据人手指的响应改变磁刺激线圈位置寻找靶点，最终确定位置后固定磁刺激线圈。较精确的定位方法可采用经颅磁刺激导航系统，提高治疗效率。但现有的经颅磁刺激导航系统存在如下缺陷：不能精确的将计划的治疗区域和实际线圈的刺激区域重合，也不能实时监测患者位置移动并准确的调整线圈的位置。
中国发明专利申请CN201210281472.X公开了一种经颅磁刺激导航系统及经颅磁刺激线圈定位方法。该方法仍然不能精确的将计划的治疗区域和实际线圈的刺激区域重合，也不能实时监测患者位置移动并准确的调整线圈的位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种经颅磁刺激导航定位机器人系统，能智能确定患者磁刺激区域，利用机器人放置磁线圈，治疗前按手术计划精确放置线圈，且治疗过程中实时调整线圈位置，避免由于患者移动而造成治疗区域偏离，提高治疗准确性，减少副作用。为此，本发明还提供一种经颅磁刺激导航定位方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种经颅磁刺激导航定位机器人系统，主要包括：主机、红外线定位仪、患者定位参考架、注册探针、机器臂及线圈夹持装置、控制单元；所述主机与控制单元、红外线定位仪连接；所述红外线定位仪与注册探针、患者定位参考架连接（可以采用有线连接方式或者无线连接方式）；所述红外线定位仪用于实时定位患者定位参考架和注册探针的位置；所述患者定位参考架安装于患者头部，与患者保持相对位置不变；所述注册探针用于在患者面部取点，完成注册配准；所述机器臂和线圈夹持装置与控制单元连接，用于将电磁线圈放置到预定的位置上，并根据患者的位置改变实时调整线圈位置；所述控制单元用于接收主机传送的线圈位置，指示并控制所述机器臂和线圈夹持装置移动；所述主机用于读取患者影像数据，三维重建，目标区域分割，智能计算治疗区域，注册配准（将影像空间与实际患者空间进行统一），计算线圈位置。
作为本发明优选的技术方案，所述主机连接显示器。
作为本发明优选的技术方案，所述主机连接电源，电源连接隔离变压器。隔离变压器的作用是保护人身安全，隔离危险电压。
作为本发明优选的技术方案，所述电源为不间断电源。
此外，本发明还提供一种经颅磁刺激导航定位方法，包括确定治疗区域和放置电磁线圈步骤；
所述确定治疗区域具体包括如下步骤：
步骤1：利用核磁共振（包括MRI或fMRI（功能核磁共振））扫描得到患者头部影像；
步骤2：基于患者影像进行三维重建；
步骤3：医生把先期判断的病人病情输入电脑，电脑根据专家系统智能算法计算需要磁治疗的区域，医生再根据不同患者实际情况最终调整确定治疗区域；
步骤4：根据确定的治疗区域和线圈的磁场分布模型，计算线圈相对治疗区域和患者放置的空间位置，在保持该相对位置关系的前提下，计划的治疗区域与实际刺激区域重合；
所述放置电磁线圈具体包括如下步骤：
第一步：在患者头部安装患者定位参考架；
第二步：标定注册探针，调整红外线定位仪的位置，使患者和定位参考架位于红外线定位仪视野内；
第三步：将患者影像空间和实际患者空间进行配准；
第四步：计算电磁线圈的实际位置；根据患者治疗区域位置、患者定位参考架位置、电磁线圈的辐射区域，计算电磁线圈和患者之间的相对位置，使辐射区域和治疗区域重合；
第五步：机器臂将线圈放置到计划的位置；
第六步：红外线定位仪实时追踪患者定位参考架的位置，以确定患者头部的位置改变；
第七步：机器臂实时根据患者的位置改变调整线圈的位置，使实际治疗区域一直位于计划的治疗区域。
作为本发明优选的技术方案，步骤2中，所述基于患者影像进行三维重建具体为：根据核磁共振图像，重建矢状面、冠状面、水平面影像和患者头部脑皮质表面三维模型、患者皮肤三维模型。
作为本发明优选的技术方案，步骤4中，根据确定的治疗区域和线圈的磁场分布模型，建立患者头部和磁刺激线圈的空间位置关系模型，从而计算线圈相对治疗区域和患者放置的空间位置。
作为本发明优选的技术方案，第一步中，所述在患者头部安装患者定位参考架采用以绑带的形式在患者头部安装定位参考架。
作为本发明优选的技术方案，第二步中，所述标定注册探针采用标准工具对注册探针进行标定，从而保证红外线定位仪能准确定位探针以保证后续注册配准的准确性；所述注册探针和所述标准工具上均设有红外线反射球，标定时，将注册探针前端置于标准工具上的标准位置，红外线定位仪同时追踪注册探针和标准工具的位置，如两个位置重合，则完成标定。
作为本发明优选的技术方案，第三步具体为：用注册探针在患者面部皮肤表面取点，将患者和影像进行配准；当配准的精度达到要求时，软件会自动提示配准结束。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明可以对患者头部影像进行可视化显示，采用专家系统等人工智能算法为医生计算预测患者需要磁刺激的治疗区域，提高治疗精确度，为医生确定不同患者的治疗区域进行指导，降低医疗风险度。
（2）基于核磁共振计算患者脑部三维模型，模型具有可透视功能，使图像更加清晰，便于医生确定治疗区域。
（3）采用红外定位方法，将线圈准确地放置到计划的位置，并在治疗过程中实时追踪患者的位置改变，能够精确、快速地进行从图像到具体位置的定位过程。
（4）利用智能机器人为患者佩戴磁刺激线圈，佩戴位置更加精确，机器臂自动调整线圈位置，治疗前按手术计划精确放置线圈，且治疗过程中实时调整线圈位置，避免了由于患者位置移动而造成的治疗区域的偏离，提高了治疗效果。实现了真正的无创治疗过程。
（5）能精确的将计划的治疗区域和实际线圈的刺激区域重合，也能实时监测患者位置移动并准确的调整线圈的位置。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，附图中：
图1是本发明经颅磁刺激导航定位机器人系统的结构示意图；
图2是本发明一种经颅磁刺激导航定位方法的流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明提供一种经颅磁刺激导航定位机器人系统，主要包括：主机、红外线定位仪、患者定位参考架、注册探针、机器臂及线圈夹持装置、控制单元；所述主机与控制单元、红外线定位仪连接；所述红外线定位仪与注册探针、患者定位参考架连接（可以采用有线连接方式或者无线连接方式）；所述红外线定位仪用于实时定位患者定位参考架和注册探针的位置；所述患者定位参考架安装于患者头部，与患者保持相对位置不变；所述注册探针用于在患者面部取点，完成注册配准；所述机器臂和线圈夹持装置与控制单元连接，用于将电磁线圈放置到预定的位置上，并根据患者的位置改变实时调整线圈位置；所述控制单元用于接收主机传送的线圈位置，指示并控制所述机器臂和线圈夹持装置移动；所述主机用于读取患者影像数据，三维重建，目标区域分割，智能计算治疗区域，注册配准（将影像空间与实际患者空间进行统一），计算线圈位置。所述主机连接显示器。所述主机连接不间断电源，不间断电源连接隔离变压器。隔离变压器的作用是保护人身安全，隔离危险电压。
如图2所示，本发明提供了一种经颅磁刺激导航定位方法，包括确定治疗区域和放置电磁线圈步骤：
所述确定治疗区域具体包括如下步骤：
步骤1：利用核磁共振（包括MRI或fMRI（功能核磁共振））扫描得到患者头部影像；
步骤2：基于患者影像进行三维重建：根据核磁共振图像，重建矢状面、冠状面、水平面影像和患者头部脑皮质表面三维模型、患者皮肤三维模型。
步骤3：医生把先期判断的病人病情输入电脑，电脑根据专家系统智能算法计算需要磁治疗的区域，医生再根据不同患者实际情况最终调整确定治疗区域；
步骤4：根据确定的治疗区域和线圈的磁场分布模型，建立患者头部和磁刺激线圈的空间位置关系模型，计算线圈相对治疗区域和患者放置的空间位置，在保持该相对位置关系的前提下，计划的治疗区域与实际刺激区域重合；
所述放置电磁线圈具体包括如下步骤：
第一步：在患者头部安装患者定位参考架；采用无创的设计，如以绑带的形式在患者头部安装定位参考架。
第二步：标定注册探针：采用标准工具对注册探针进行标定（所述注册探针和所述标准工具上均设有红外线反射球，标定时，将注册探针前端置于标准工具上的标准位置，红外线定位仪同时追踪注册探针和标准工具的位置，如两个位置重合，则完成标定），从而保证红外线定位仪能准确定位探针以保证后续注册配准的准确性；调整红外定位仪的位置，使患者和定位参考架位于红外定位仪视野内；
第三步：将患者影像空间和实际患者空间进行配准：用注册探针在患者面部皮肤表面取点，将患者和影像进行配准；当配准的精度达到要求时，软件会自动提示配准结束；
第四步：计算电磁线圈的实际位置；根据患者治疗区域位置、患者定位参考架位置、电磁线圈的辐射区域，计算电磁线圈和患者之间的相对位置，使辐射区域和治疗区域重合；
第五步：机器臂将线圈放置到计划的位置；
第六步：红外线定位仪实时追踪患者定位参考架的位置，以确定患者头部的位置改变；
第七步：机器臂实时根据患者的位置改变调整线圈的位置，使实际治疗区域一直位于计划的治疗区域。
本发明可以对患者头部影像进行可视化显示，智能计算患者需要经颅磁刺激的区域，为医生确定不同患者的治疗区域进行指导，通过导航定位将线圈准确地放置到计划的位置，并在治疗过程中实时追踪患者的位置改变，机器臂自动调整线圈位置，避免了由于患者位置移动而造成的治疗区域的偏离，提高了治疗效果。
Claims (10)
1.一种经颅磁刺激导航定位机器人系统，其特征在于，主要包括：主机、红外线定位仪、患者定位参考架、注册探针、机器臂及线圈夹持装置、控制单元；所述主机与控制单元、红外线定位仪连接；所述红外线定位仪与注册探针、患者定位参考架连接；所述红外线定位仪用于实时定位患者定位参考架和注册探针的位置；所述患者定位参考架安装于患者头部；所述注册探针用于在患者面部取点，完成注册配准；所述机器臂和线圈夹持装置与控制单元连接，用于将电磁线圈放置到预定的位置上，并根据患者的位置改变实时调整线圈位置；所述控制单元用于接收主机传送的线圈位置，指示并控制所述机器臂和线圈夹持装置移动；所述主机用于读取患者影像数据，三维重建，目标区域分割，智能计算治疗区域，注册配准，计算线圈位置。
2.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述主机连接显示器。
3.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述主机连接电源，电源连接隔离变压器。
4.如权利要求3所述的机器人系统，其特征在于，所述电源为不间断电源。
5.一种经颅磁刺激导航定位方法，其特征在于，包括确定治疗区域和放置电磁线圈步骤；
所述确定治疗区域具体包括如下步骤：
步骤1：利用核磁共振扫描得到患者头部影像；
步骤2：基于患者影像进行三维重建；
步骤3：医生把先期判断的病人病情输入电脑，电脑根据专家系统智能算法计算需要磁治疗的区域，医生再根据不同患者实际情况最终调整确定治疗区域；
步骤4：根据确定的治疗区域和线圈的磁场分布模型，计算线圈相对治疗区域和患者放置的空间位置，在保持该相对位置关系的前提下，计划的治疗区域与实际刺激区域重合；
所述放置电磁线圈具体包括如下步骤：
第一步：在患者头部安装患者定位参考架；
第二步：标定注册探针，调整红外线定位仪的位置，使患者和定位参考架位于红外线定位仪视野内；
第三步：将患者影像空间和实际患者空间进行配准；
第四步：计算电磁线圈的实际位置；根据患者治疗区域位置、患者定位参考架位置、电磁线圈的辐射区域，计算电磁线圈和患者之间的相对位置，使辐射区域和治疗区域重合；
第五步：机器臂将线圈放置到计划的位置；
第六步：红外线定位仪实时追踪患者定位参考架的位置，以确定患者头部的位置改变；
第七步：机器臂实时根据患者的位置改变调整线圈的位置，使实际治疗区域一直位于计划的治疗区域。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述基于患者影像进行三维重建具体为：根据核磁共振图像，重建矢状面、冠状面、水平面影像和患者头部脑皮质表面三维模型、患者皮肤三维模型。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4中，根据确定的治疗区域和线圈的磁场分布模型，建立患者头部和磁刺激线圈的空间位置关系模型，从而计算线圈相对治疗区域和患者放置的空间位置。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第一步中，所述在患者头部安装患者定位参考架采用以绑带的形式在患者头部安装定位参考架。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第二步中，所述标定注册探针采用标准工具对注册探针进行标定，从而保证红外线定位仪能准确定位探针以保证后续注册配准的准确性；所述注册探针和所述标准工具上均设有红外线反射球，标定时，将注册探针前端置于标准工具上的标准位置，红外线定位仪同时追踪注册探针和标准工具的位置，如两个位置重合，则完成标定。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第三步具体为：用注册探针在患者面部皮肤表面取点，将患者和影像进行配准；当配准的精度达到要求时，软件会自动提示配准结束。
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Application publication date: 20180622 Assignee: Suzhou Lihe Medical Technology Co., Ltd. Assignor: Shanghai Lihe Medical Technology Co., Ltd. Contract record no.: X2019310000004 Denomination of invention: Transcranial magnetic stimulation navigation positioning robot system and positioning method License type: Exclusive License Record date: 20190819 |