CN109701160A - 影像引导下可见光定位导航装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种影像引导下可见光定位导航装置及方法，包括图像工作站及配套功能软件系统、经颅磁刺激线圈、标记件、空间定位传感器、探针、双目相机。本发明的有益效果：利用可见光光学空间定位重建图像技术，采用基于光学的双目相机结合由医学影像建立的大脑三维模型数据进行导航，利用可见光光学定位新技术替代传统的近红外技术进行空间定位，实现神经、精神、康复等领域临床精准干预和治疗，解决重复经颅磁刺激仪、中频刺激仪等康复产品应用中的定位靠个人经验的瓶颈问题，提升无创干预治疗的空间定位水平，实现抑郁症、儿童自闭症等疾病磁刺激精确干预的突破。

Description

影像引导下可见光定位导航装置及方法

技术领域

本发明涉及一种影像引导下可见光定位导航装置及方法。

背景技术

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation TMS)是Barker等于1985年首先创立的一种皮层刺激方法，具有无痛、无损伤、操作简便、安全可靠等优点，很快得到临床应用。所谓“经颅”是说明磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑皮质，实际应用中并不局限于头脑的刺激，外周神经肌肉同样可以刺激。

磁刺激是一种物理刺激形式，它是利用时变电流流入线圈，产生高强度时变脉冲磁场，时变脉冲磁场在组织内产生感应电场和感生电流，感应电流使某些可兴奋组织产生兴奋的一种刺激方法。目前常用磁刺激的方法是通过电容器储存电能，再通过线圈放电，脉冲大电流通过线圈时形成强脉冲磁场，进而产生感生电场，从而达到刺激的目的。

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，刺激时手持刺激线圈，根据人手指的响应改变线圈位置寻找靶点，最终确定位置后固定线圈。较精确的定位方法可采用经颅磁刺激导航系统，目前有两种，一种是机器视觉定位导航系统；另一种是光学定位导航系统。对于光学定位导航系统，主要包括医学影像三维成像、空间三维定位、图像融合定位跟踪驱动线圈三部分，目前仅有加拿大NDI公司生产，垄断包括导航系统的三维测量和定位技术。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种影像引导下可见光定位导航装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种影像引导下可见光定位导航装置，包括：

图像工作站及配套功能软件系统，其可依据导入的医学影像数据进行建模，通过显示器向医生显示解剖面视图和3D模型；

经颅磁刺激线圈，其为由铜线绕制成的蝶形线圈，所述经颅磁刺激线圈与高压脉冲电源连接，所述高压脉冲电源包括充电电源、控制电路和放电开关；

标记件，其包括跟踪器一以及跟踪器二，所述跟踪器一固定于患者头部。所述跟踪器二固定于所述经颅磁刺激线圈上；

空间定位传感器，其连接与所述图像工作站及配套功能软件系统，用于实时测量所述跟踪器一和跟踪器二的位置；

探针，其与所述图像工作站及配套功能软件系统连接，所述探针用于在患者头部点击选定配准点，所述图像工作站及配套功能软件系统通过获取所述探针位资数据，确定物理世界中配准点位置；

双目相机，其连接与所述图像工作站及配套功能软件系统，用于图像数据采集并将采集的数据传送给所述图像工作站及配套功能软件系统。

进一步地，所述跟踪器以及探针上均设有黑白卡标记，所述黑白卡标记由基本黑白图案组成，黑白图案中设有交叉的特诊点。

进一步地，一种影像引导下可见光定位导航装置的影像引导下可见光定位导航方法，包括以下步骤：

S1.在图像工作站及配套功能软件系统中导入患者头部的医学影像数据，图像工作站及配套功能软件系统依据医学影像数据进行建模，通过显示器显示患者头部解剖面视图和3D模型；

S2.依据医学解剖特征，通过系统交互设备选定3个配准点，为建立患者头部与医学影像的映射关系提供参考，并确定治疗靶点；

S3.将各个标记件与各自目标对象进行固定，并进行线圈验证；

S4.使用探针依次在患者头部点击选定的配准点，图像工作站及配套功能软件系统通过获取探针位资数据，依次确定物理世界中配准点位置；

S5.根据定位到的标记件的位资及对应目标的坐标系统映射关系求解目标运动方案，并通过显示器为操作者握持经颅磁刺激线圈提供导航视图指引。

进一步地，所述医学影像数据包括MRI影像数据、CT影像数据。

进一步地，所述3个配准点包括患者头部鼻根、左侧乳突、右侧乳突。

进一步地，所述S5中，利用空间双目相机获取到的有效视野内的实时数据，完成对跟踪器一、跟踪器二的位姿确定，进而得出患者头部与经颅磁刺激线圈之间的位置关系，之后经过导航算法得出经颅磁刺激线圈应该进行的运动方向，并通过导航视图提供运动指引。

本发明的有益效果：利用可见光光学空间定位重建图像技术，采用基于光学的双目相机结合由医学影像建立的大脑三维模型数据进行导航，利用可见光光学定位新技术替代传统的近红外技术进行空间定位，实现神经、精神、康复等领域临床精准干预和治疗，解决重复经颅磁刺激仪、中频刺激仪等康复产品应用中的定位靠个人经验的瓶颈问题，提升无创干预治疗的空间定位水平，实现抑郁症、儿童自闭症等疾病磁刺激精确干预的突破。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种影像引导下可见光定位导航装置及方法示意图；

图2是根据本发明实施例所述的一种影像引导下可见光定位导航装置的黑白卡标记示意图；

图3是根据本发明实施例所述的一种影像引导下可见光定位导航装置的探针示意图；

图4是根据本发明实施例所述的一种影像引导下可见光定位导航装置的跟踪器一示意图；

图5是根据本发明实施例所述的一种影像引导下可见光定位导航装置的跟踪器二示意图；

图中：101、解剖面视图和3D模型；102、患者头部；103、跟踪器一；104、双目相机；105、跟踪器二；106、经颅磁刺激线圈；107、探针；201、黑白卡标记一；202、黑白卡标记二；203、黑白卡标记三。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明实施例的一种影像引导下可见光定位导航装置，包括：

图像工作站及配套功能软件系统，其可依据导入的医学影像数据进行建模，通过显示器向医生显示解剖面视图和3D模型101；

经颅磁刺激线圈106，其为由铜线绕制成的蝶形线圈，所述经颅磁刺激线圈106与高压脉冲电源连接，所述高压脉冲电源包括充电电源、控制电路和放电开关；

标记件，其包括跟踪器一103以及跟踪器二105，如图4-5所示，所述跟踪器一103固定于患者头部102，所述跟踪器二105固定于所述经颅磁刺激线圈106上；

空间定位传感器，其连接与所述图像工作站及配套功能软件系统，用于实时测量所述跟踪器一103和跟踪器二105的位置；

探针，其与所述图像工作站及配套功能软件系统连接，如图3所示，所述探针用于在患者头部102点击选定配准点，所述图像工作站及配套功能软件系统通过获取所述探针位资数据，确定物理世界中配准点位置；

双目相机104，其连接与所述图像工作站及配套功能软件系统，用于图像数据采集并将采集的数据传送给所述图像工作站及配套功能软件系统。

如图2所示，本发明一种实施例中，所述跟踪器以及探针上均设有黑白卡标记，所述黑白卡标记由基本黑白图案组成，黑白图案中设有交叉的特诊点，包括黑白卡标记一201、黑白卡标记二202、黑白卡标记三203。

根据本发明一种实施例的一种影像引导下可见光定位导航装置的影像引导下可见光定位导航方法，包括以下步骤：

S1.导入数据建立三维模型，在图像工作站及配套功能软件系统中导入患者头部的医学影像数据，图像工作站及配套功能软件系统经过算法处理建立对应的三维模型数据，并在显示交互界面展示；

S2.关键点标记，在显示交互界面，通过鼠标或操作手柄，在解剖面视图中确定刺激靶点，图像工作站及配套功能软件系统根据图像坐标系到患者头部102坐标系的变换关系，实时在3D视图区域中以一个小圆球标记显示出选定的关键点；

S3.标记件固定与线圈验证，将所述跟踪器一103固定于患者头部，确保跟踪器一103坐标系与患者头部坐标系的刚性变换的时间一致性，将所述跟踪器二105固定于所述经颅磁刺激线圈106上，确保跟踪器二105坐标系与经颅磁刺激线圈106坐标系的刚性变换的时间一致性，通过空间定位传感器实时测量跟踪器一103和跟踪器二105的位置，在图像工作站及配套功能软件系统的线圈验证界面，使用所述探针点击经颅磁刺激线圈106上的验证点进行线圈验证，保证之前链接好的经颅磁刺激线圈106再次使用时无明显定位漂移发生；

S4.空间配准，使用所述探针依次点击患者头部102鼻根、左侧乳突、右侧乳突完成配准，得到物理世界中跟踪器一103坐标系与患者头部坐标系之间的坐标变换关系以及头部3D模型与物理空间头部的映射关系，实现定位跟踪器一103和跟踪器二105以确定患者头部和经颅磁刺激线圈106之间的空间位置关系；

S5.导航引导，利用空间双目相机104获取到的有效视野内的实时数据，完成对跟踪器一103、跟踪器二105的位姿确定，进而得出患者头部与经颅磁刺激线圈106之间的位置关系，之后经过导航算法得出经颅磁刺激线圈106应该进行的运动方向，并通过导航视图提供运动指引。

本发明一种实施例中，所述医学影像数据包括MRI影像数据、CT影像数据。

本发明采用多模态影像融合和三维实时跟踪技术，实现磁刺激治疗部位的精确规划和探头精确定位，实现磁刺激仪的精准干预与治疗；创建多模态接口，与肌电图仪、脑电图等设备联机使用；治疗时可根据需要选择多种型号的磁刺激线圈使用，使用灵活；利用虚拟现实技术，将磁刺激线圈的物理尺寸和磁场分布模型同时建模，融合并显示在治疗规划界面上，配套功能软件系统包含各种磁刺激线圈的模型库。

以上所述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 (6)

1.一种影像引导下可见光定位导航装置，其特征在于，包括： 图像工作站及配套功能软件系统，其可依据导入的医学影像数据进行建模，通过显示器向医生显示解剖面视图和3D模型（101）； 经颅磁刺激线圈（106），其为由铜线绕制成的蝶形线圈，所述经颅磁刺激线圈（106）与高压脉冲电源连接，所述高压脉冲电源包括充电电源、控制电路和放电开关； 标记件，其包括跟踪器一（103）以及跟踪器二（105），所述跟踪器一（103）固定于患者头部（102），所述跟踪器二（105）固定于所述经颅磁刺激线圈（106）上； 空间定位传感器，其连接与所述图像工作站及配套功能软件系统，用于实时测量所述跟踪器一（103）和跟踪器二（105）的位置； 探针（107），其与所述图像工作站及配套功能软件系统连接，所述探针（107）用于在患者头部（102）点击选定配准点，所述图像工作站及配套功能软件系统通过获取所述探针（107）位资数据，确定物理世界中配准点位置； 双目相机，其连接与所述图像工作站及配套功能软件系统，用于图像数据采集并将采集的数据传送给所述图像工作站及配套功能软件系统。

2.根据权利要求1所述的一种影像引导下可见光定位导航装置，其特征在于，所述跟踪器以及探针上均设有黑白卡标记，所述黑白卡标记由基本黑白图案组成，黑白图案中设有交叉的特诊点。

3.根据权利要求1所述的一种影像引导下可见光定位导航装置的影像引导下可见光定位导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在图像工作站及配套功能软件系统中导入患者头部（102）的医学影像数据，图像工作站及配套功能软件系统依据医学影像数据进行建模，通过显示器显示患者头部（102）解剖面视图和3D模型；

S2.依据医学解剖特征，通过系统交互设备选定3个配准点，为建立患者头部（102）与医学影像的映射关系提供参考，并确定治疗靶点；

S3.将各个标记件与各自目标对象进行固定，并进行线圈验证；

S4.使用探针（107）依次在患者头部（102）点击选定的配准点，图像工作站及配套功能软件系统通过获取探针位资数据，依次确定物理世界中配准点位置；

S5.根据定位到的标记件的位资及对应目标的坐标系统映射关系求解目标运动方案，并通过显示器为操作者握持经颅磁刺激线圈（106）提供导航视图指引。

4.根据权利要求3所述的一种影像引导下可见光定位导航方法，其特征在于，所述医学影像数据包括MRI影像数据、CT影像数据。

5.根据权利要求3所述的一种影像引导下可见光定位导航方法，其特征在于，所述3个配准点包括患者头部（102）鼻根、左侧乳突、右侧乳突。

6.根据权利要求3所述的一种影像引导下可见光定位导航方法，其特征在于，所述S5中，利用空间双目相机（104）获取到的有效视野内的实时数据，完成对跟踪器一（103）、跟踪器二（105）的位姿确定，进而得出患者头部与经颅磁刺激线圈（106）之间的位置关系，之后经过导航算法得出经颅磁刺激线圈（106）应该进行的运动方向，并通过导航视图提供运动指引。