CN109395249A - 一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统及方法 - Google Patents

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武贵斌
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Abstract

本发明提供了一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统及方法，包括能够设置在脑区表层的刺激装置、能够对脑区及刺激装置进行扫描的扫描装置及能够对刺激装置进行定位操作的定位装置；扫描装置与定位装置连接。本发明所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统及方法，可以将磁场定向刺激到大脑中的任意区域且减弱了对非目标脑区的刺激，解决了现有技术中，磁场作用的目标区域受限，很难灵活地刺激大脑中不同区域的问题。本发明不仅适用于经颅磁刺激领域也适用于其他领域中任意位置的定向磁刺激。

Description

一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统及方法
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，尤其是涉及一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统与方法。
背景技术
经颅磁刺激技术是生物医学工程领域一项重要的技术，通过高场强的脉冲电磁场可以穿透颅骨，作用于较深位置的神经组织，且不需穿透皮肤安装装置，具有无创无痛等优点。其作用机理是，线圈中变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场作用于大脑又会引起感应电动势，从而诱发细胞的兴奋或抑制。
然而，阻碍该技术在临床中发展的原因之一是难以实现目标脑区的定向刺激，即除了靶区受到刺激，非靶区也可能受到刺激，而可能引起副作用。为了提高磁场的聚焦性，研究者们设计了各种结构的线圈。2006年，四川大学的黄卡玛等人发明了17个单元线圈组成的半球面排列线圈阵，可以将磁场聚焦在一个或多个区域。2012年，成都信息工程学院的牟翔永等人发明了一种由中心线圈和位于中心线圈所在平面同一侧的周边线圈组成的线圈阵列，使磁聚焦在深度和强度上都有很大的改善。但在这些磁场定向聚焦的方法中，均采用了固定的线圈排布方式，因此限制了磁场作用的目标区域，很难灵活地刺激大脑中不同区域，更难以应用于其他领域中任意位置的定向磁刺激。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统与方法，解决了现有技术中经颅磁刺激技术，限制了磁场作用的目标区域，很难灵活地刺激大脑中不同区域，更难以应用于其他领域中任意位置的定向磁刺激。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，包括能够设置在脑区表层的刺激装置、能够对脑区及刺激装置进行扫描的扫描装置及能够对刺激装置进行定位操作的定位装置；
所述扫描装置与所述定位装置连接。
进一步的，所述扫描装置包括脑区扫描仪及能够对刺激装置进行扫描的视觉扫描传感器，所述脑区扫描仪及视觉扫描传感器均与所述定位装置连接。
进一步的，所述脑区扫描仪及视觉扫描传感器均与计算单元相连，所述定位装置包括计算单元及能够定位刺激装置的机械臂结构；
所述计算单元与所述机械臂结构连接。
进一步的，所述计算单元通过视觉监测传感器检测所述机械臂结构。
进一步的，所述视觉监测传感器能够将监测所述机械臂结构移动位置信息传输至PC端。
进一步的，所述刺激装置包括多个能够被所述机械臂结构抓取的线圈，多个线圈排列设置在所述脑区表层。
一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：扫描装置对脑区内部及设置在脑区表层的线圈进行扫描，提取脑区内的靶点及每一线圈中心的三维空间坐标信息；
S2：扫描装置将靶点与每一线圈中心的三维空间坐标信息传送至定位装置；
S3：计算单元首先根据靶点及每一线圈中心的三维空间坐标信息进行计算，求解线圈平面在三维空间中的空间角度，具体计算公式及步骤如下：
设靶点的空间坐标为(x0，y0，z0)，每一线圈的中心坐标为(xk，yk， zk)，k为线圈编号；
靶点和单一线圈中心的连线为线圈的法向量n，方向由线圈中心指向靶点；
以单一线圈的几何中心为局部坐标系中心，线圈的径向平面为xoy平面，法向量方向为z轴，采用右手坐标系，建立各个线圈的局部坐标系；则每个线圈在局部坐标系下的法向量为n′；
根据空间坐标变换公式，即可求得线圈的空间角度εx,εy,εz；
n′＝(0,0,1)
n＝[R(εz)·R(εx)·R(εy)]·n′+(xk,yk,zk)
其中R(εx),R(εy),R(εz)为旋转矩阵；
计算单元将求得的空间角度传输至机械臂结构，机械臂结构将线圈旋转到指定的空间角度；
S4：重复步骤S2～S3，放置多个线圈。
相对于现有技术，本发明所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统与方法具有以下优势：
本发明中的定向刺激使得线圈产生的磁场准确地作用于目标脑区。在定向刺激实现的过程中，本发明提出了一种算法可以得到线圈在空间中的精确位置。本发明通过定位装置使得线圈精准地布置在设计位置。利用本发明中的定位装置将多个线圈布置在设计位置，增强目标脑区的磁场，增强了对目标脑区的刺激效果。而且，采用多个线圈与使用单个线圈进行刺激相比，非目标脑区的磁场得到减弱这便减少了对非目标脑区潜在的副作用，本发明所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激技术适用于任意脑区的定向刺激，灵活度和实现度高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统实施例一结构示意图；
图3为本发明实施例所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统实施例二结构示意图。
附图标记说明：
1-脑区；101-靶点；2-刺激装置；3-扫描装置；301-脑区扫描仪；302- 视觉扫描传感器；4-定位装置；401-计算单元；402-视觉监测传感器；403- 机械臂结构；404-PC端。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，如图1所示，包括能够设置在脑区1表层的刺激装置2、能够对脑区1及刺激装置2进行扫描的扫描装置3及能够对刺激装置2进行定位操作的定位装置4；
扫描装置3与定位装置4连接。
扫描装置3包括脑区扫描仪301及能够对刺激装置2进行扫描的视觉扫描传感器302，脑区扫描仪301及视觉扫描传感器302均与定位装置4连接，脑区扫描仪301可选用MRI仪或CT仪，扫描方式优选为核磁共振成像的方式，但是如果患者带有心脏起搏器等金属异物建议使用CT成像方式，所以实施例一级实施例二中脑区扫描仪301均选用CT仪。
脑区扫描仪301及视觉扫描传感器302均与计算单元401相连，定位装置4包括计算单元401及能够定位刺激装置2的机械臂结构403；
计算单元401与机械臂结构403连接。
计算单元401通过视觉监测传感器402检测机械臂结构403。
视觉监测传感器402能够将监测机械臂结构403移动位置信息传输至 PC端404。
机械臂结构403包括多个机械臂，通过机械臂抓取线圈，刺激装置2包括多个能够被机械臂结构403抓取的线圈，多个线圈排列设置在脑区1表层。
一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统的使用方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
S1：扫描装置3对脑区1内部及设置在脑区1表层的线圈进行扫描，提取脑区1内的靶点101及每一线圈中心的三维空间坐标信息；
S2：扫描装置3将靶点101与每一线圈中心的三维空间坐标信息传送至定位装置4；
S3：计算单元401首先根据靶点101及每一线圈中心的三维空间坐标信息进行计算，求解线圈平面在三维空间中的空间角度，具体计算公式及步骤如下：
(1)设靶点101的空间坐标为(x0，y0，z0)，每一线圈的中心坐标为(xk，yk，zk)，k为线圈编号；
(2)靶点101和单一线圈中心的连线为线圈的法向量n，方向由线圈中心指向靶点101；
(3)以单一线圈的几何中心为局部坐标系中心，线圈的径向平面为xoy 平面，法向量方向为z轴，采用右手坐标系，建立各个线圈的局部坐标系；则每个线圈在局部坐标系下的法向量为n′；
根据空间坐标变换公式，即可求得线圈的空间角度εx,εy,εz；
n′＝(0,0,1)
n＝[R(εz)·R(εx)·R(εy)]·n′+(xk,yk,zk)
其中R(εx),R(εy),R(εz)为旋转矩阵；
计算单元401将求得的空间角度传输至机械臂结构403，机械臂结构403 将线圈旋转到指定的空间角度；
S4：重复步骤S2～S3，放置多个线圈。
本实例的工作方式
实施例一：
如图2所示，首先通过CT仪对脑区1内部的扫描图像，进而确定靶点101(病灶)的三维空间坐标，将线圈放在大脑上方，通过视觉扫描传感器 302获得线圈与大脑整体的三维空间坐标信息，提取线圈中心点的坐标；然后将靶点101与线圈中心的三维空间坐标信息传送至定位装置4，经过定位装置4中的计算单元401得到线圈的空间角度，机械臂403根据空间角度的数据将线圈旋转到设计的位置，如此使得线圈的磁场定向作用于靶点101。重复如上步骤放置多个线圈，通过多个线圈的磁场矢量叠加作用不仅使得磁场定向刺激目标脑区而且目标脑区的磁场强于非目标脑区，在治疗的过程中减轻了对非目标脑区的影响。
实施例二：
如图3所示，计算单元401连接到机械臂403和视觉监测传感器302，机械臂401与视觉监测传感器302相连，视觉监测传感器302与PC端404 相连。扫描装置3通过模块将数据传送至定位装置4中的计算单元401。定位装置中的机械臂夹着刺激装置中的线圈。根据技术方案的实现步骤，首先通过CT仪扫描图像确定目标靶点101(病灶)的三维空间坐标。根据病灶的位置，初选一个距离病灶较近的位置作为线圈的中心点位置，手动将线圈放置于此处然后用定位装置4中的机械臂夹住。首先通过CT仪对脑区1内部的扫描图像，进而确定靶点101(病灶)的三维空间坐标，将线圈放在大脑上方，通过视觉扫描传感器302获得线圈与大脑整体的三维空间坐标信息，提取线圈中心点的坐标；然后将靶点101与线圈中心的三维空间坐标信息传送至定位装置4，经过定位装置4中的计算单元401得到线圈的空间角度，将空间角度信息传送至视觉监测传感器402在PC端404显示出来作为标准位置，同时将空间角度的信息传送到机械臂403，机械臂403根据空间角度的数据将线圈旋转到指定的位置，视觉监测传感器402监测机械臂403最终的位置并与标准位置进行对比，如果有偏差反馈到机械臂403直至与标准位置一致，如此线圈精确地移动到指定位置，线圈产生的磁场定向作用于靶点 101。重复如上步骤放置多个线圈，通过多个线圈的磁场矢量叠加作用不仅使得磁场定向刺激靶点101且目标脑区的磁场强于非目标脑区，在治疗的过程中减轻了对非目标脑区的影响。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，其特征在于：包括能够设置在脑区(1)表层的刺激装置(2)、能够对脑区(1)及刺激装置(2)进行扫描的扫描装置(3)及能够对刺激装置(2)进行定位操作的定位装置(4)；
所述扫描装置(3)与所述定位装置(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，其特征在于：所述扫描装置(3)包括脑区扫描仪(301)及能够对刺激装置(2)进行扫描的视觉扫描传感器(302)，所述脑区扫描仪(301)及视觉扫描传感器(302)均与所述定位装置(4)连接。
3.根据权利要求2所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，其特征在于：所述定位装置(4)包括计算单元(401)及能够定位刺激装置(2)的机械臂结构(403)；
所述脑区扫描仪(301)及视觉扫描传感器(302)均与计算单元(401)相连，所述计算单元(401)与所述机械臂结构(403)连接。
4.根据权利要求3所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，其特征在于：所述计算单元(401)通过视觉监测传感器(402)检测所述机械臂结构(403)。
5.根据权利要求4所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，其特征在于：所述视觉监测传感器(402)能够将监测所述机械臂结构(403)移动位置信息传输至PC端(404)。
6.根据权利要求3-5任一项所述的一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统，其特征在于：所述刺激装置(2)包括多个能够被所述机械臂结构(403)抓取的线圈，多个线圈排列设置在所述脑区(1)表层。
7.一种定向叠加目标脑区的经颅磁刺激系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：扫描装置(3)对脑区(1)内部及设置在脑区(1)表层的线圈进行扫描，提取脑区(1)内的靶点(101)及每一线圈中心的三维空间坐标信息；
S2：扫描装置(3)将靶点(101)与每一线圈中心的三维空间坐标信息传送至定位装置(4)；
S3：计算单元(401)首先根据靶点(101)及每一线圈中心的三维空间坐标信息进行计算，求解线圈平面在三维空间中的空间角度，具体计算公式及步骤如下：
(1)设靶点(101)的空间坐标为(x0，y0，z0)，每一线圈的中心坐标为(xk，yk，zk)，k为线圈编号；
(2)靶点(101)和单一线圈中心的连线为线圈的法向量n，方向由线圈中心指向靶点(101)；
(3)以单一线圈的几何中心为局部坐标系中心，线圈的径向平面为xoy平面，法向量方向为z轴，采用右手坐标系，建立各个线圈的局部坐标系；则每个线圈在局部坐标系下的法向量为n′；
根据空间坐标变换公式，即可求得线圈的空间角度εx,εy,εz；
n′＝(0,0,1)
n＝[R(εz)·R(εx)·R(εy)]·n′+(xk,yk,zk)
其中R(εx),R(εy),R(εz)为旋转矩阵；
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