CN109173063A - 一种3d扫描的经颅磁刺激系统及经颅磁刺激方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D扫描的经颅磁刺激系统及经颅磁刺激方法，所述系统包括：一、3D扫描建模系统，所述3D扫描建模系统利用3D扫描仪扫描测试者的头部图像并实时建立头模图像；二、匹配定位系统，所述匹配定位系统将所述3D扫描建模系统建立的头模图像匹配脑膜进行精确定位刺激点；三、测试系统，所述测试系统根据定位刺激点操控机器人进行经颅磁刺激；四、fNIRS信号采集系统，所述fNIRS信号采集系统用于采集测试者大脑区域的近红外线信号，并实时对比近红外线信号变化，精确找出刺激不足或过量刺激，并将结果反馈至测试系统。通过建立3D头模图像匹配脑膜，并实时结合fNIRS信号采集系统建立模拟实验，以精确进行经颅磁刺激。

Description

一种3D扫描的经颅磁刺激系统及经颅磁刺激方法

技术领域

本发明属于神经疾病治疗和脑功能研究的技术领域，尤其涉及一种3D扫描的经颅磁刺激系统及经颅磁刺激方法。

背景技术

经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)是1985年以后出现的无创性大脑皮质刺激和调制的新技术，在脑科学研究与临床诊断、治疗方面得到广泛应用。TMS用脉冲磁场作用于中枢神经系统，改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。经颅磁刺激技术由于其无创和无损已被广泛的应用于神经疾病治疗和脑功能研究中心。TMS一般在医院中使用，其磁场强度至少为1Tesla的强磁场，由于存在潜在的诱发癫痫的风险，对于TM设备的使用条件较高，需要专业人士操作。

TMS调控神经功能的原理是用不同刺激模式和刺激参数作用于大脑局部区域，可双向调节神经功能，既可促进神经兴奋性，也可抑制神经兴奋性。可用高频重复刺激提高刺激部位的耗氧量和新陈代谢，从而提高兴奋性。低频重复刺激相反，可减少刺激部位的血流量，抑制神经兴奋性。但影响TMS的刺激效果的因素还有很多，如刺激强度，刺激模式，个体差异等都会影响TMS刺激效果，因此TMS需要综合考虑这些因素，确定个性化的刺激参数，及时观察刺激效果，调整刺激参数。

20世纪90年代出现的功能性近红外光谱(functional near-infraredspectroscopy,fNIRS)技术能够提供局部大脑区域的氧合血红蛋白和去氧血红蛋白浓度变化信息，fNIRS的工作原理简单可靠，由发射端发射出波长为850nm和760nm的近红外光，分别可以检测氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，可用具有相同频率特性的光电接收二极管或光电池作为探头，检测不同频率近红外线的散射，然后对信号放大、滤波、可实时显示每个位于大脑表面不同部位检测通道上光强的变化，从而反映不同大脑部位氧合血红蛋白和去氧血红蛋白含量的变化。fNIRS能够反映大脑局部血红蛋白含量的变化，其准确性和可信性已被fMRI和PET证实。但这两种设备都非常昂贵、检测时间长、头部不能移动、封闭的环境容易产生幽闭恐惧，这些因素也影响了刺激结果，难以普及和应用。

在“Optical imaging of phonological processing in two distinctorthographies”这篇文献中，哈佛大学的Chen等人用功能近红外光谱技术来比较中英文两种不同的正字法的神经激活的时间序列。母语分别为英语和汉语的被试通过同音字判断任务。得到不同的脑区(左脑额中回，左颞上回，左缘上回)的血液动力学的时间序列的改变。在“A near-infrared brain function study of Chinese dyslexic children”也有人用近红外光谱技术研究患有阅读障碍人群。Song等人使用辅音-元音判断任务作为任务组，相比于控制组，他们研究发现患有阅读障碍的儿童在左侧前额叶背外侧皮质的氧合血红蛋白和血红蛋白总量都减少了。这个结果也支持前人的研究，在中国患有阅读障碍的儿童，他们发音有问题的原因可以解释为左侧前额叶背外侧皮质减少，他们的研究还发现在左侧额下回和左脑额中回，患有阅读障碍的儿童有不规则的血液动力学模式，这个研究提供了一个新的诊断目标，并且可以用近红外光谱技术来进行诊断。在“Dissociating parieto-frontal networks for phonological and sematic word decisions”中，用条件-干扰经颅磁刺激任务来探究语音和语义单词判断的颞叶和额叶网络的分离。在“TMS suppressionof right pars triangularis,but not pars opercularis,improves naming inaphasia”发现用经颅磁刺激来抑制右侧部分三角肌来提高改善失语症患者的命名能力。

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。

现有技术及缺点：

现有的刺激系统多是根据专业人员的经验选择相关的刺激参数，如刺激强度、刺激频率、刺激时间，不能对刺激效果定量化，并根据量化结果进行动态调节。经验性的参数设置与传统的刺激模式难以满足个性化的治疗需求，容易导致过量刺激或者刺激不足，不能达到有效的或最佳的刺激效果。

目前也有用脑电(EEG)来调控TMS的方法提出，但TMS脉冲过程中对患者脑电图的监控存在技术问题，因为TMS设备所产生的高能量动态磁场会在脑电图引线中感生出不期望的电压，故一般会在未产生TMS脉冲刺激时，检测EEG信号，使用时有限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种3D扫描的经颅磁刺激系统及经颅磁刺激方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种3D扫描的经颅磁刺激系统，包括：

一、3D扫描建模系统，所述3D扫描建模系统利用3D扫描仪扫描测试者的头部图像并实时建立头模图像；

二、匹配定位系统，所述匹配定位系统将所述3D扫描建模系统建立的头模图像匹配脑膜进行精确定位刺激点；

三、测试系统，所述测试系统根据定位刺激点操控机器人进行经颅磁刺激；

四、fNIRS信号采集系统，所述fNIRS信号采集系统用于采集测试者大脑区域的近红外线信号，并实时对比近红外线信号变化，精确找出刺激不足或过量刺激，并将结果反馈至测试系统。

进一步的，所述3D扫描建模系统还包括定位装置和定位帽，测试者佩戴定位帽后，所述定位装置实时跟踪测试者头部位置，并将头部位置发送至3D扫描仪，3D扫描仪实时建立测试者的头模图像，并将头模图像实时显示出来。

进一步的，所述定位帽上设有特殊标记点，所述特殊标记点位于测试者眉心及耳朵尖点上方，能够方便3D扫描仪更好的获取测试者头模图像。

进一步的，所述匹配定位系统包括数据分析系统和头模模拟系统，所述数据分析系统接收3D扫描建模系统获取的头模图像，并匹配脑膜进行精确定位刺激点，所述头模模拟系统根据定位刺激点和头模图像建立测试者的模拟头模模型，所述测试系统根据所述模拟头模模型精确操控机器人进行经颅磁刺激。

进一步的，所述测试系统包括模拟测试系统和经颅磁刺激系统，所述模拟测试系统根据定位刺激点对所述模拟头模模型反复进行模拟刺激，并结合fNIRS信号采集系统，找出刺激不足或过量刺激，精确定位适量刺激点并反馈结果至经颅磁刺激系统，所述经颅磁刺激系统根据反馈结果对测试者进行经颅磁刺激。

一种经颅磁刺激方法，包括以下步骤：

(1)获取测试者头模，并匹配脑膜进行定位刺激点；

(2)根据定位刺激点建立模拟头模模型进行反复模拟刺激，并结合fNIRS信号采集系统，找出刺激不足或过量刺激，精确定位适量刺激点，根据适量刺激点对测试者进行经颅磁刺激。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本方法简单易行，操作方便，完全满足个性化治疗的需求及重复测试的高度一致性。

2、实时的3D显示也提高效率和效果，同时也扩大了近红外信号检测的应用范围，与经颅磁刺激相辅相成。

具体实施方式

下面将结合本发明中的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种3D扫描的经颅磁刺激系统，包括：

一、3D扫描建模系统，所述3D扫描建模系统利用3D扫描仪扫描测试者的头部图像并实时建立头模图像；

二、匹配定位系统，所述匹配定位系统将所述3D扫描建模系统建立的头模图像匹配脑膜进行精确定位刺激点；

三、测试系统，所述测试系统根据定位刺激点操控机器人进行经颅磁刺激；

四、fNIRS信号采集系统，所述fNIRS信号采集系统用于采集测试者大脑区域的近红外线信号，并实时对比近红外线信号变化，精确找出刺激不足或过量刺激，并将结果反馈至测试系统。

所述3D扫描建模系统还包括定位装置和定位帽，测试者佩戴定位帽后，所述定位装置实时跟踪测试者头部位置，并将头部位置发送至3D扫描仪，3D扫描仪实时建立测试者的头模图像，并将头模图像实时显示出来；所述定位帽上设有特殊标记点，所述特殊标记点位于测试者眉心及耳朵尖点上方，能够方便3D扫描仪更好的获取测试者头模图像。

所述匹配定位系统包括数据分析系统和头模模拟系统，所述数据分析系统接收3D扫描建模系统获取的头模图像，并匹配脑膜进行精确定位刺激点，所述头模模拟系统根据定位刺激点和头模图像建立测试者的模拟头模模型，所述测试系统根据所述模拟头模模型精确操控机器人进行经颅磁刺激。

所述测试系统包括模拟测试系统和经颅磁刺激系统，所述模拟测试系统根据定位刺激点对所述模拟头模模型反复进行模拟刺激，并结合fNIRS信号采集系统，找出刺激不足或过量刺激，精确定位适量刺激点并反馈结果至经颅磁刺激系统，所述经颅磁刺激系统根据反馈结果对测试者进行经颅磁刺激。

测试者在佩戴定位帽之后，3D扫描仪对测试者头部进行扫描获取头模图像，由于定位帽上在眉心及耳朵尖点上方含有特殊标记点，能够方便3D扫描仪对测试者头部轮廓进行扫描，同时，由于定位系统能够实时追踪定位帽，因此当测试者移动位置时，3D扫描仪依旧能够实时扫描测试者头部实时获取头模图像，并实时进行3D显示，将头模图像与脑膜匹配进行精确定位，并建立模拟头模模型，反复进行模拟刺激，结合fNIRS信号采集系统，找出刺激不足或刺激过量，精确定位适量刺激点，结合3D显示，对测试者进行精确经颅磁刺激，有效避免了刺激不足或刺激过量，同时，由于实时3D显示测试者头模图像，能够提高刺激效率和效果，简单易行，操作方便，完全满足个性化治疗的需求及重复测试的高度一致性，同时也扩大了近红外信号检测的应用范围，与经颅磁刺激相辅相成。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种3D扫描的经颅磁刺激系统，其特征在于，包括：

一、3D扫描建模系统，所述3D扫描建模系统利用3D扫描仪扫描测试者的头部图像并实时建立头模图像；

二、匹配定位系统，所述匹配定位系统将所述3D扫描建模系统建立的头模图像匹配脑膜进行精确定位刺激点；

三、测试系统，所述测试系统根据定位刺激点操控机器人进行经颅磁刺激；

四、fNIRS信号采集系统，所述fNIRS信号采集系统用于采集测试者大脑区域的近红外线信号，并实时对比近红外线信号变化，精确找出刺激不足或过量刺激，并将结果反馈至测试系统。

2.如权利要求1所述的一种3D扫描的经颅磁刺激系统，其特征在于，所述3D扫描建模系统还包括定位装置和定位帽，测试者佩戴定位帽后，所述定位装置实时跟踪测试者头部位置，并将头部位置发送至3D扫描仪，3D扫描仪实时建立测试者的头模图像，并将头模图像实时显示出来。

3.如权利要求2所述的一种3D扫描的经颅磁刺激系统，其特征在于，所述定位帽上设有特殊标记点，所述特殊标记点位于测试者眉心及耳朵尖点上方。

4.如权利要求1所述的一种3D扫描的经颅磁刺激系统，其特征在于，所述匹配定位系统包括数据分析系统和头模模拟系统，所述数据分析系统接收3D扫描建模系统获取的头模图像，并匹配脑膜进行精确定位刺激点，所述头模模拟系统根据定位刺激点和头模图像建立测试者的模拟头模模型，所述测试系统根据所述模拟头模模型精确操控机器人进行经颅磁刺激。

5.如权利要求4所述的一种3D扫描的经颅磁刺激系统，其特征在于，所述测试系统包括模拟测试系统和经颅磁刺激系统，所述模拟测试系统根据定位刺激点对所述模拟头模模型反复进行模拟刺激，并结合fNIRS信号采集系统，找出刺激不足或过量刺激，精确定位适量刺激点并反馈结果至经颅磁刺激系统，所述经颅磁刺激系统根据反馈结果对测试者进行经颅磁刺激。

6.一种经颅磁刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取测试者头模，并匹配脑膜进行定位刺激点；

(2)根据定位刺激点建立模拟头模模型进行反复模拟刺激，并结合fNIRS信号采集系统，找出刺激不足或过量刺激，精确定位适量刺激点，根据适量刺激点对测试者进行经颅磁刺激。