CN109260593B

CN109260593B - 一种经颅磁刺激治疗方法及设备

Info

Publication number: CN109260593B
Application number: CN201811131181.6A
Authority: CN
Inventors: 孙聪; 毛守权
Original assignee: Wuhan Zilian Hongkang Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Zilian Hongkang Technology Co ltd
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: EP3858432A4; WO2020062774A1; EP3858433A1; EP3858432B1; US20220036584A1; EP3858432A1; EP3858433A4; EP3858433B1; CN109260593A; US20220031408A1; WO2020062773A1

Abstract

本发明公开一种经颅磁刺激治疗方法及设备,该设备包括：TMS线圈、线圈支架、关节机器人、卧式平移平台、控制器、3D扫描仪及定位装置。该治疗方法为：患者平躺在卧式平移平台上，平移至预定位置；定位装置检测到患者头部与TMS线圈的位置，并将位置信息传输至控制器；关节机器人和平移平台配合，实现TMS线圈对整个大脑脑区的刺激。当患者头部位置发生变化时，定位装置还能实时检测到患者头部的新位置，并将TMS线圈定位至新的位置，实现重复精准定位；也可在控制器中载入不同的程序，使机器人按照需要的轨迹运动，使磁刺激治疗工作更加简单，减少了人工操作，增加科学定位的精准度，提高治疗效率和患者舒适性。

Description

一种经颅磁刺激治疗方法及设备

技术领域

本发明属于经颅磁刺激医疗技术领域，具体是一种经颅磁刺激治疗方法及设备。

背景技术

据中国疾病预防控制中心精神卫生中心统计，目前我国精神疾病患者总数已超过1亿，但公众对精神疾病的知晓率不足5成，就诊率更低。目前这些精神病人得到及时救治的约 20％，有80％的精神病人得不到及时救治，甚至得不到最基本的救治，症精神疾病患者人数更是高达1600万人。根据IMS health的最新统计数据，全球精神疾病用药已经超过360亿美元，占药品销售总额的5％。不过，就国内而言，目前的精神疾病用药市场规模仍相对较小，大约占医院销售总额的1.5％左右。我国精神病专科医院已经超过600家，但与日益增长的精神病发病率相比，在数量和质量上与精神病患者需求之间还存在较大差距，仍有为数众多的精神病患者不能得到专业、系统、有效的治疗。

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)，是一种通过脉冲磁场在局部大脑皮层中产生电流以暂时激活或抑制该皮层的技术。在如今现有的医疗设备领域，关于经颅磁刺激治疗设备的操作都是通过人为操作或支架固定控制TMS线圈，来对患者进行治疗。人工操作很不方便，需要长时间手持线圈或者利用支架固定一个特定角度；患者的体验感不好，坐着保持姿势不敢乱动，乱动后需要重新定位；人工定位比较繁琐也不够精准，从而对患者的治疗效果大打折扣。

申请号为201710467812.0的专利公开了一种经颅磁刺激治疗设备，包括TMS线圈、支架、机械臂、控制器及定位装置；定位装置检测到人体头部与TMS线圈的位置，并将位置发送至控制器，控制器控制机械臂的六个驱动机构旋转相应的角度，由于机械臂具有六个自由度，TMS线圈可以实现整个大脑脑区的刺激；然而该专利中的定位装置采用的是两个红外摄像头和一个处理器，其获得的位置信息不够精准，不能有效对头部特定部位进行治疗，治疗效果会降低很多，亟需进一步改进。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种经颅磁刺激治疗方法及设备，通过3D扫描仪扫描患者头部三维模型，并通过深度摄像头获取患者头部和TMS线圈的精准位置，将三维模型与患者头部进行匹配，以获取精准的治疗部位，再通过控制器控制关节机器人将TMS线圈精准定位至患者头部，从而实现对患者头部的精准治疗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种经颅磁刺激治疗方法，具体包括以下步骤：

S1，患者平躺在卧式平移平台上，将所述卧式平移平台平移至预定位置；

S2，通过3D扫描仪扫描患者头部，得到患者头部的三维模型数据，并将该三维模型数据发送给定位装置；

S3，通过定位装置检测患者头部与TMS线圈的位置，并将所述三维模型与患者头部进行匹配，以获得精确的治疗部位，并将患者头部与TMS线圈的位置发送给控制器；

S4，控制器根据患者头部及TMS线圈的位置控制关节机器人将TMS线圈精确地定位至患者头部进行治疗；

S5，在治疗过程中，若患者头部的位置发生变化，通过定位装置实时检测患者头部的

新位置，并将患者头部的三维模型与新位置进行匹配，获得精确的治疗部位，从而对患者头部进行实时精准定位治疗。

具体地，步骤S3中，所述定位装置为一组深度摄像头，通过定位装置检测患者头部位置的方法包括以下步骤：

S31，在患者的面部正前方放置一组深度摄像头，以所述深度摄像头为原点建立空间坐标系；

S32，利用深度摄像头获取患者的面部距离深度摄像头最近的点在摄像头坐标系下的空间坐标(x,y,z)；

S33，利用深度摄像头获取患者面部的彩色图片，采用轮廓跟踪算法对彩色图片进行轮廓分析得到患者的面部轮廓线，并通过调整轮廓线两侧的像素明度得到五官轮廓清晰的彩色图片；

S34，利用所述清晰的彩色图片，根据人脸特征识别算法及人的面部特性推算患者的面部相对于摄像头的角度(rx,ry,rz)；

S35，将S32、S34中获取的点坐标和角度合成完整的3D空间坐标(x,y,z,rx,ry,rz)，即得到患者头部位置。

具体地，步骤S32中，利用所述深度摄像头中的红外摄像头获取患者面部的红外点云图像，找到患者的面部距离摄像头最近的点，即鼻尖，获取其在摄像头坐标系下的空间坐标(x,y,z)。

具体地，步骤S33中包括以下步骤：

S331，利用所述深度摄像头中的普通光学摄像头获取患者面部的彩色图片，并采用轮廓跟踪算法对彩色图片进行分析，得到患者的面部轮廓线；

S332，将S331中的轮廓线映射到患者面部的红外点云图像上；

S333，沿着所述红外点云图像上的轮廓线，分析轮廓线两边点云的坐标值；若两边点云坐标值的高度存在较大跳变，则表明该轮廓真实有效；若不存在较大跳变，则表明该轮廓是由于光线过强造成阴影而形成的伪轮廓；

S334，在彩色图片上，将所述伪轮廓对应位置两侧的像素明度调至接近，即暗区向明区方向调整，以消除光线过强造成的阴影；

S335，在红外点云图像上，遍历找出高度跳变较大的区域；

S336，将S335中高度跳变较大的区域映射至彩色图，将高度向上跳变的区域的像素明度调亮，将高度向下跳变的区域的像素明度调暗，以消除光线过暗造成的影响。

具体地，步骤S34中，利用所述清晰的彩色图片，采用人脸特征识别算法找到图片中包括患者的鼻尖、鼻根、眼角、嘴角、眉毛在内的特征点，并根据人脸部的左右对称性，推算出患者的面部相对于摄像头的角度(rx,ry,rz)。

与上述治疗方法相对应的，本发明还包括一种经颅磁刺激治疗设备，包括TMS线圈、线圈支架、关节机器人、卧式平移平台、控制器、3D扫描仪及定位装置；所述3D扫描仪、定位装置、控制器、关节机器人依次电连接；所述线圈支架用于固定TMS线圈，所述线圈支架与关节机器人连接；所述3D扫描仪用于获取患者头部三维模型；所述定位装置用于获取患者头部及TMS线圈的位置；所述控制器用于控制关节机器人将TMS线圈移动至患者头部位置。

具体地，所述定位装置包括一组深度摄像头，所述深度摄像头包括红外摄像头和可见光摄像头。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过3D扫描仪获取患者头部3D扫描模型，并通过定位装置获取患者头部和TMS线圈的位置，通过控制器控制机械臂将TMS线圈精准定位至患者头部，从而实现对患者头部的精准磁刺激治疗；另外，本发明的机械臂具有7个自由度，能够实现TMS线圈对患者头部的整个大脑脑区的磁刺激，减少了人工操作和增加科学定位的精准度。当人体头部位置发生变化时，定位装置还能实时检测到人体头部的新位置，并将TMS线圈定位至新的位置，从而补偿人体头部运动，实现重复精准定位；也可在控制器中载入不同的程序，使机械臂按照需要的轨迹运动，TMS线圈始终跟随刺激靶点，实现一键式操作，使磁刺激治疗工作更加简单以及提高治疗效率；患者可长时间躺在卧式平移平台，舒适性大增。

附图说明

图1为实施例1一种经颅磁刺激治疗方法的流程图；

图2为实施例1中消除环境光影响的方法流程图；

图3为实施例1中用于获得人的面部相对于摄像头角度的空间坐标系示意图；

图4为实施例2一种经颅磁刺激治疗设备的整体结构示意图；

图中：1、TMS线圈；2、线圈支架；3、关节机器人；4、卧式平移平台；5、控制器； 6、3D扫描仪；7、定位装置。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，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

如图1所示，本实施例提供了一种经颅磁刺激治疗方法，具体包括以下步骤：

S5，在治疗过程中，若患者头部的位置发生变化，通过定位装置实时检测患者头部的新位置，并将患者头部的三维模型与新位置进行匹配，获得精确的治疗部位，从而对患者头部进行实时精准定位治疗。

具体地，步骤S32中，利用所述深度摄像头中的红外摄像头获取人面部的红外点云图像，找到人的面部距离摄像头最近的点，即鼻尖，获取其在摄像头坐标系下的空间坐标(x,y,z)；

进一步地，所述鼻尖的(x,y)坐标通过如下方法得到：首先通过Opencv在Demo上将人脸上68个特征点描绘出来，并编号；然后通过如下模型得到：

circle(temp,cvPoint(shapes[0].part(i).x(),shapes[0].part(i).y()),3,cv::Scalar(0,0,255),-1)；

其中，part(i)代表的是第i个特征点，x()和y()是访问特征点二维坐标的途径；

进一步地，所述鼻尖的z轴坐标，即鼻尖到摄像头的距离，可通过双目匹配三角测量原理得到；三角测量原理即目标点在左右两幅图中成像的横坐标之间存在的差异(视差Disparity)，与目标点到成像平面的距离成反比例的关系：Z＝ft/d，从而得到Z轴坐标；双目匹配采用三角测量原理完全基于图像处理技术，通过寻找两个图像中的相同的特征点得到匹配点。所述人脸在摄像头坐标系下的空间坐标为现有技术且已成熟，在此就不再多做赘述。

优选地，如图2所示，步骤S33包括以下步骤：

S331，利用所述深度摄像头中的普通光学摄像头获取人面部的彩色图片，并采用轮廓跟踪算法对彩色图片进行分析，得到人的面部轮廓线；

S332，将S331中的轮廓线映射到人面部的红外点云图像上；

S335，在红外点云图像上，遍历找出高度跳变较大的区域；

具体地，步骤S34中，利用所述清晰的彩色图片，采用人脸特征识别算法找到图片中包括人的鼻尖、鼻根、眼角、嘴角、眉毛等特征点，并根据人脸部的左右对称性，推算出人的面部相对于摄像头的角度(rx,ry,rz)；

进一步地，人的面部相对于摄像头的角度具体通过以下方法得到：

首先构建空间坐标系，根据图片上人的面部特征点(鼻尖、鼻根、眼角、嘴角、眉毛等)构建人的头部模型，再将所述图片映射到头部模型上，各面部特征点分别对应头部模型上的特征点；如图3所示，在头部模型上，以人的左耳垂(A点)、右耳垂(B点)和鼻尖(C点)三个点创建一个平面，以A点和B点的中点O点作为坐标系原点，垂直该平面的方向为Z轴，A点和B点连线的方向为X轴，C点与O点的连线方向作为Y轴，构建基于人脸的空间坐标系，其中X轴与Y轴垂直；再通过计算O点到摄像头的连线分别与X 轴、Y轴、Z轴之间的夹角α、β、γ即可推算出人的面部相对于摄像头的角度(rx,ry,rz)。

具体地，从彩色图片中获取人的面部特征点的方法包括以下步骤：

S341，人脸采集，从所述彩色图片中采集人脸图像；

S342，人脸检测，包括检测人脸的位置和检测人脸的关键点；

S343，获取面部特征点，通过变换矩阵将人脸图像向量映射为人脸特征向量，再选取面部特征点。

进一步地，步骤S342中，所述人脸检测可采用Openface中的Dlib模型实现，利用Opencv库对数据进行处理。

本实施例通过3D扫描仪获取患者头部3D扫描模型，并通过定位装置获取患者头部和 TMS线圈的位置，通过控制器控制机械臂将TMS线圈精准定位至患者头部，减少了人工操作和增加科学定位的精准度，实现对患者头部的精准磁刺激治疗；本实施例还可在控制器中载入不同的程序，使机器人按照需要的轨迹运动，TMS线圈始终跟随刺激靶点，实现一键式操作，使磁刺激治疗工作更加简单以及提高治疗效率。患者可长时间躺在卧式平移平台，舒适性大增。

实施例2

如图所示，本实施例提供了一种经颅磁刺激治疗设备，包括TMS线圈1、线圈支架2、关节机器人3、卧式平移平台4、控制器5、3D扫描仪6及定位装置7；所述3D扫描仪6、定位装置7、控制器5、关节机器人3依次电连接；所述线圈支架2用于固定TMS线圈1，所述线圈支架2与关节机器人3连接；所述3D扫描仪6用于获取患者头部三维模型；所述定位装置7用于获取患者头部及TMS线圈1的位置；所述控制器5用于控制关节机器人 3将TMS线圈1移动至患者头部位置。

具体地，所述定位装置7包括深度摄像头，所述深度摄像头包括一个/组红外摄像头和一个普通光学摄像头，所述深度摄像头可采用KS352型的双目摄像头。

具体的，所述卧式平移平台4可由控制器5控制前后移动，本实施例的治疗设备的使用方法为，先让患者平躺在所述卧式平移平台4上，在通过控制器5控制3D扫描仪6对患者头部进行扫描，得到患者的三维头部模型，再通过控制器5控制定位装置7获取患者头部和TMS线圈1的位置，并将三维头部模型与患者头部进行匹配，最后通过控制器5控制机械臂将TMS线圈1精准定位至患者头部上方，从而对患者头部进行精准磁刺激治疗；在治疗过程中，若患者头部移动了，定位装置7自动获取患者头部的新位置，并通过控制器5控制机械臂做出相应的运动补偿，从而实时对患者头部进行精准磁刺激治疗。

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

1.一种经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，包括以下步骤：

S5，在治疗过程中，若患者头部的位置发生变化，通过定位装置实时检测患者头部的新位置，并将患者头部的三维模型与新位置进行匹配，获得精确的治疗部位，从而对患者头部进行实时精准定位治疗；

步骤S3中，所述定位装置为一组深度摄像头，通过定位装置检测患者头部位置的方法具体包括以下步骤：

S32，利用深度摄像头获取患者的面部距离深度摄像头最近的点在摄像头坐标系下的空间坐标(x，y，z)；

S34，利用所述清晰的彩色图片，根据人脸特征识别算法及人的面部特性推算患者的面部相对于摄像头的角度(rx，ry，rz)；

S35，将S32、S34中获取的点坐标和角度合成完整的3D空间坐标(x，y，z，rx，ry，rz)，即得到患者头部位置；

步骤S33具体包括以下步骤：

S332，将S331中的轮廓线映射到患者面部的红外点云图像上；

S335，在红外点云图像上，遍历找出高度跳变较大的区域；

S336，将S335中高度跳变较大的区域映射至彩色图，将高度向上跳变的区域的像素明度调亮，将高度向下跳变的区域的像素明度调暗，以消除光线过暗造成的影响；

步骤S34中，利用所述清晰的彩色图片，采用人脸特征识别算法找到图片中包括患者的鼻尖、鼻根、眼角、嘴角、眉毛在内的特征点，并根据人脸部的左右对称性，推算出患者的面部相对于摄像头的角度；具体方法如下：

根据图片上人的面部特征点构建人的头部模型，再将所述图片映射到头部模型上，各面部特征点分别对应头部模型上的特征点；在头部模型上，以人的左耳垂A点、右耳垂B点和鼻尖C点三个点创建一个平面，以A点和B点的中点O点作为坐标系原点，垂直该平面的方向为Z轴，A点和B点连线的方向为X轴，C点与O点的连线方向作为Y轴，构建基于人脸的空间坐标系，其中X轴与Y轴垂直；再通过计算O点到摄像头的连线分别与X轴、Y轴、Z轴之间的夹角α、β、γ，即可推算出人的面部相对于摄像头的角度(rx，ry，rz)。

2.根据权利要求1所述的一种经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤S32中，利用所述深度摄像头中的红外摄像头获取患者面部的红外点云图像，找到患者的面部距离摄像头最近的点，即鼻尖，获取其在摄像头坐标系下的空间坐标(x，y，z)。

3.根据权利要求1所述的一种经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤S4中，所述关节机器人为具有7个自由度的机械臂，控制器通过控制所述机械臂的7个驱动机构旋转将TMS线圈精确的定位至患者头部位置。

4.一种经颅磁刺激治疗设备，基于权利要求1至3任一项所述的治疗方法，其特征在于，包括TMS线圈、线圈支架、关节机器人、卧式平移平台、控制器、3D扫描仪及定位装置；所述3D扫描仪、定位装置控制器、关节机器人依次电连接；所述线圈支架用于固定TMS线圈，所述线圈支架与关节机器人连接；所述3D扫描仪用于获取患者头部三维模型；所述定位装置用于获取患者头部及TMS线圈的位置；所述控制器用于控制关节机器人将TMS线圈移动至患者头部位置。

5.根据权利要求4所述的一种经颅磁刺激治疗设备，其特征在于，所述定位装置包括一组深度摄像头，所述深度摄像头包括红外摄像头和可见光摄像头。