CN111289926A - 一种脑磁测量头盔的设计和标定方法 - Google Patents

一种脑磁测量头盔的设计和标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脑磁测量头盔的设计和标定方法。头戴式脑磁测量头盔的设计是根据三维扫描的头部实际形状外扩1cm作为头盔曲面，按照SERF原子磁强计的尺寸布置插槽，在头盔上标记三个基准点用于后续各插槽位置及方向的坐标转换。配合所设计的有基准点标记的头盔，使用三维光学扫描仪或者点位置追踪器确定佩戴头盔时的人脑和头盔的三个基准点，根据坐标系转换关系，由插槽上下表面中心位置坐标实现人脑坐标系下头盔各插槽位置及方向的标定。

Description

一种脑磁测量头盔的设计和标定方法
技术领域
本发明涉及生物医疗仪器领域，特别是一种采用原子磁强计，如SERF(Spin-Exchange Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计进行脑磁测量的装置系统。
背景技术
脑磁图仪(MEG)在癫痫灶定位、精神疾病诊断、认知心理学研究等方面均有广泛的应用。当前的脑磁图仪主要是基于超导量子干涉仪(SQUID)的系统，由于其昂贵的成本以及因需要液氦冷却而导致运行维护成本较高的缺点，该系统的推广使用受到一定的限制。
目前出现了基于SERF原子磁强计的脑磁图系统，该系统使用的SERF原子磁强计可达到与SQUID脑磁图系统相当的灵敏度，能够在常温下使用，运行维护成本低，并且贴近头皮表面可获得更高的信噪比。SERF原子磁强计的探头灵敏度还在不断提高，探头尺寸也在进一步降低，未来在实现芯片式探头基础上可高密度布置，实现脑磁测量。
基于SERF原子磁强计的可穿戴式脑磁测量设备已逐渐进入人们视野。可穿戴式脑磁测量设备通常采用在脑磁测量头盔上布置传感器来采集大脑磁信号。脑磁图研究需要获得在人脑坐标系下传感器的位置及方向信息，SQUID脑磁图设备由于采用固定结构，传感器方向及位置固定，每次脑磁测量只需要记录被试的三个基准点坐标即可实现插槽位置及方向配准。现有的可穿戴式脑磁测量设备通常不包括全脑测量，且由于头盔仅提供载体功能，通常只能获得测量数据，无法同现有商用脑磁测量设备一样获得同数据相匹配的人脑坐标系下的传感器位置及方位信息。然而在脑磁图研究中，传感器的位置及方向信息，是后续相关定源及功能分析研究必不可少的部分，因此需要进行头盔插槽位置及方向在人脑坐标系下的配准。
发明内容
本发明技术解决问题：针对头戴式脑磁测量装置需要获得头盔插槽位置及方向在人脑坐标系下的配准的需求，目前尚无相关方法论述。本发明提出一种脑磁测量头盔的设计和标定方法，可以快速准确获得在人脑坐标系下头盔插槽位置以及方向信息。
本发明描述的一种脑磁测量头盔的设计和标定方法如下：
本发明所述的脑磁测量头盔包括以下结构：头盔曲面、用于放入SERF原子磁强计的插槽、三个基准点、三个用于固定头盔的锁紧结构。所述脑磁测量头盔用于基于SERF原子磁强计的脑磁测量。所述脑磁测量头盔各结构间的位置关系如下：插槽位于头盔曲面上，三个基准点位置为人脑的三个基准点在头盔曲面上的对应位置，锁紧结构分别位于三个基准点正上方1cm处。
所述的脑磁测量头盔的设计方法如以下步骤所示：
(1)根据扫描人脑得到的真实头部形状向外扩张1cm作为头盔曲面。
(2)在(1)中获得的头盔曲面上布置插槽，插槽的长和宽取SERF原子磁强计的长和宽，高度取SERF原子磁强计高度的1/3，插槽的中间镂空，布满全头盔曲面。
(3)在(2)步骤完成后的含插槽的头盔曲面上标记三个基准点。三个基准点选择为鼻根点、左、右耳耳前点在外扩头盔曲面上的对应点，在头盔上分别对应为前基准点，左基准点和右基准点。三个头盔基准点采用凸起球形表示，并涂以颜色用于辨别标记点。头盔上的三个锁紧结构分别设置在三个基准点的上方1cm处，采用螺栓旋入的方式固定。
(4)在(3)步骤完成后的头盔设计文件中记录头盔坐标系下各插槽的位置和方向。其具体方式如下：在设计软件上，以头盔左右基准点的中心为原点，中心到前基准点为X轴，中心到左基准点为Y轴，Z轴垂直XOY面，符合右手螺旋定则，建立头盔坐标系，手动对头盔上的各个插槽进行标号，并记录每个插槽的上表面和下表面的中心位置。各插槽的位置为下表面中心点的位置，各插槽的方向为下表面中心到上表面中心的矢量方向。
所述的脑磁测量头盔的标定方法是在人脑坐标系下对头盔曲面各插槽位置和方向进行标定。首先获得佩戴头盔时人脑和头盔的三维结构信息；再建立人脑坐标系，根据坐标转换关系，计算得到人脑坐标系下头盔曲面上插槽的位置及方向信息。
具体包括以下步骤：
(1)佩戴头盔并旋紧螺栓使头盔固定于头上，用三维光学扫描仪对头部进行扫描，获得佩戴头盔状态下的三维信息；或者采用点位置追踪器依次记录脑的三个基准点和头盔的三个基准点的位置信息；
(2)根据(1)中记录的信息以人脑的三个基准点，鼻根点、左、右耳耳前点三个点建立右手直角坐标系为人脑坐标系，坐标原点O取左右耳耳前点的中心位置，X轴指向鼻根点，Y轴指向左耳耳前点，Z轴垂直于XOY平面，符合右手定则，得到位于人脑坐标系下头盔中三个基准点的位置信息；
(3)由(2)中得到的人脑坐标系下的头盔基准点的位置信息，根据头盔坐标系相对于人脑坐标系的旋转矩阵A和平移矩阵O将头盔坐标系下所有头盔曲面上插槽上下表面中心位置转换到人脑坐标系，完成头盔上插槽位置和方向在人脑坐标系下的标定。
第一步，建立头盔坐标系。头盔三个基准点在人脑坐标系下的坐标
Figure BDA0002387609010000031
Figure BDA0002387609010000032
为头盔前基准点坐标，
Figure BDA0002387609010000033
为头盔左基准点坐标，
Figure BDA0002387609010000034
为头盔右基准点坐标。以头盔左基准点和右基准点坐标的中点为坐标原点
Figure BDA0002387609010000035
即：
Figure BDA0002387609010000036
头盔坐标系的X轴单位向量在人脑坐标系的表示：
Figure BDA0002387609010000037
同理可得，头盔坐标系的Y轴单位向量在人脑坐标系的表示：
Figure BDA0002387609010000038
根据右手定则可得头盔坐标系的Z轴单位向量在人脑坐标系的表示：
Figure BDA0002387609010000039
第二步，根据旋转矩阵和平移矩阵进行坐标系转换。头盔坐标系相对于人脑坐标系的旋转矩阵A定义为：
Figure BDA00023876090100000310
取
Figure BDA00023876090100000311
为平移矩阵，此时头盔坐标系下插槽i的上下表面的坐标
Figure BDA00023876090100000312
和
Figure BDA00023876090100000313
变换到人脑坐标系下的坐标
Figure BDA00023876090100000314
和
Figure BDA00023876090100000315
为：
Figure BDA00023876090100000316
Figure BDA00023876090100000317
即取为插槽i的位置,插槽i的方向向量为：
Figure BDA00023876090100000318
依次计算各个头盔插槽的插槽位置和方向，最终将初始保存的头盔坐标系下插槽的位置和方向信息转换到每次测量时相对应的人脑坐标系下。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)传统的用于脑磁测量的头盔为SQUID脑磁图设备中的桶式结构，该设备结构固定无法进行适配性设计，且由于设备需要增加冷却装置导致头盔中的传感器无法紧贴头皮布置。头戴式脑磁测量头盔可针对大脑个体差异灵活设计，采用3D打印技术根据真实头部大小定做头盔，头盔的适配性更强。本方案的头盔配合SERF原子磁强计使用可使设备更加贴近头皮，测量效果更好。
(2)相比于传统SQUID脑磁图设备，需要使用特定的三个标定线圈在开机时采集信号进行标定，该方法耗时且精度低，并且不适用于早期可穿戴式脑磁测量设备传感器数目少的情况下使用。本发明提出的头盔标定方法借助光学扫描设备根据基准点对应关系能够准确快速得到人脑坐标系下插槽的位置及方向，适用于可穿戴脑磁图设备。
附图说明
图1为头盔设计图；图中：头盔曲面1、SERF原子磁强计插槽2、头盔基准点3、螺栓4；
图2为头盔坐标系示意图；
图3为佩戴头盔示意图；
图4为人脑坐标系；
图5为转换后插槽位置及方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述的脑磁测量头盔如图1所示，包括以下结构：头盔曲面1、用于放入SERF原子磁强计的插槽2、三个基准点3、三个用于固定头盔的锁紧结构4。所述脑磁测量头盔用于基于SERF原子磁强计的脑磁测量。插槽2位于头盔曲面1上，三个基准点3位置为人脑的三个基准点在头盔曲面1上的对应位置，锁紧结构4分别位于三个基准点3正上方1cm处。
脑磁测量头盔的设计方法如以下步骤所示：
(1)根据扫描人脑得到的真实头部形状向外扩张1cm作为头盔曲面1。
(2)在(1)中获得的头盔曲面上布置插槽2，插槽2的长和宽取SERF原子磁强计的长和宽，高度取SERF原子磁强计高度的1/3，插槽2的中间镂空，布满全头盔曲面1。
(3)在(2)步骤完成后的含插槽2的头盔曲面1上标记三个基准点3。三个基准点3选择为鼻根点、左、右耳耳前点在外扩头盔曲面上的对应点，在头盔上分别对应为前基准点，左基准点和右基准点。三个头盔基准点采用凸起球形表示，并涂以颜色用于辨别标记点。头盔上的三个锁紧结构4分别设置在三个基准点3的上方1cm处，采用螺栓旋入的方式固定。
(4)在(3)步骤完成后的头盔设计文件中记录头盔坐标系下各插槽2的位置和方向。其具体方式如下：在设计软件上，以头盔左右基准点的中心为原点，中心到前基准点为X轴，中心到左基准点为Y轴，Z轴垂直XOY面，符合右手螺旋定则，建立头盔坐标系，如图2所示，手动对头盔上的各个插槽进行标号，并记录每个插槽的上表面和下表面的中心位置。各插槽的位置为下表面中心点的位置，各插槽的方向为下表面中心到上表面中心的矢量方向。
所述的脑磁测量头盔的标定方法是在人脑坐标系下对头盔曲面1各插槽2位置和方向进行标定。首先获得佩戴头盔时人脑和头盔的三维结构信息；再建立人脑坐标系，根据坐标转换关系，计算得到人脑坐标系下头盔曲面上插槽的位置及方向信息。
具体包括以下步骤：
(1)佩戴头盔并旋紧螺栓使头盔固定于头上，如图3所示，用三维光学扫描仪对头部进行扫描，获得佩戴头盔状态下的三维信息；或者采用点位置追踪器依次记录脑的三个基准点和头盔的三个基准点的位置信息；
(2)根据(1)中记录的信息以人脑的三个基准点鼻根点、左、右耳耳前点三个点建立右手直角坐标系为人脑坐标系，如图4所示。坐标原点O取左右耳耳前点的中心位置，X轴指向鼻根点，Y轴指向左耳耳前点，Z轴垂直于XOY平面，符合右手定则，得到位于人脑坐标系下头盔中三个基准点的位置信息；
(3)由(2)中得到的人脑坐标系下的头盔基准点的位置信息，根据头盔坐标系相对于人脑坐标系的旋转矩阵A和平移矩阵O将头盔坐标系下所有头盔曲面上插槽上下表面中心位置转换到人脑坐标系，完成头盔上插槽位置和方向在人脑坐标系下的标定。
第一步，建立头盔坐标系。头盔三个基准点在人脑坐标系下的坐标
Figure BDA0002387609010000051
Figure BDA0002387609010000052
为头盔前基准点坐标，
Figure BDA0002387609010000053
为头盔左基准点坐标，
Figure BDA0002387609010000054
为头盔右基准点坐标。以头盔左基准点和右基准点坐标的中点为坐标原点
Figure BDA0002387609010000055
即：
Figure BDA0002387609010000056
头盔坐标系的X轴单位向量在人脑坐标系的表示：
Figure BDA0002387609010000057
同理可得，头盔坐标系的Y轴单位向量在人脑坐标系的表示：
Figure BDA0002387609010000058
根据右手定则可得头盔坐标系的Z轴单位向量在人脑坐标系的表示：
Figure BDA0002387609010000061
第二步，根据旋转矩阵和平移矩阵进行坐标系转换。头盔坐标系相对于人脑坐标系的旋转矩阵A定义为：
Figure BDA0002387609010000062
取
Figure BDA0002387609010000063
为平移矩阵，此时头盔坐标系下插槽i的上下表面的坐标
Figure BDA0002387609010000064
和
Figure BDA0002387609010000065
变换到人脑坐标系下的坐标
Figure BDA0002387609010000066
和
Figure BDA0002387609010000067
为：
Figure BDA0002387609010000068
Figure BDA0002387609010000069
即取为插槽i的位置,插槽i的方向向量为：
Figure BDA00023876090100000610
依次计算各个头盔插槽的插槽位置和方向，最终将初始保存的头盔坐标系下插槽的位置和方向信息转换到每次测量时相对应的人脑坐标系下。即完成人脑坐标系下插槽位置及方向的标定，如图5所示。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种脑磁测量头盔，其特征在于：所述脑磁测量头盔包括头盔曲面、用于放入SERF原子磁强计的插槽、三个基准点、三个用于固定头盔的锁紧结构；所述脑磁测量头盔用于基于SERF原子磁强计的脑磁测量；插槽位于头盔曲面上，三个基准点位置为人脑的三个基准点在头盔曲面上的对应位置，锁紧结构分别位于三个基准点正上方1cm处。
2.一种脑磁测量头盔的设计方法，其特征在于，步骤如下：
(1)根据扫描人脑得到的真实头部形状向外扩张1cm作为头盔曲面；
(2)在获得的头盔曲面上布置插槽，插槽的长和宽取SERF原子磁强计的长和宽，高度取SERF原子磁强计高度的1/3，插槽的中间镂空，布满全头盔曲面；
(3)在含插槽的头盔曲面上标记三个基准点，三个基准点选择为鼻根点、左、右耳耳前点在外扩头盔曲面上的对应点，在头盔上分别对应为前基准点，左基准点和右基准点，三个头盔基准点采用凸起球形表示，并涂以颜色用于辨别标记点，头盔上的三个锁紧结构分别设置在三个基准点的上方1cm处，采用螺栓旋入的方式固定；
(4)在(3)步骤完成后的头盔设计文件中记录头盔坐标系下各插槽的位置和方向，其具体方式如下：以头盔左右基准点的中心为原点，中心到前基准点为X轴，中心到左基准点为Y轴，Z轴垂直XOY面，符合右手螺旋定则，建立头盔坐标系，手动对头盔上的各个插槽进行标号，并记录每个插槽的上表面和下表面的中心位置，各插槽的位置为下表面中心点的位置，各插槽的方向为下表面中心到上表面中心的矢量方向。
3.一种脑磁测量头盔的标定方法，其特征在于：所述标定方法是在人脑坐标系下对头盔曲面各插槽位置和方向进行标定，首先获得佩戴头盔时人脑和头盔的三维结构信息；再建立人脑坐标系，根据坐标转换关系，计算得到人脑坐标系下头盔曲面上插槽的位置及方向信息；
具体包括以下步骤：
(1)佩戴头盔并旋紧螺栓使头盔固定于头上，用三维光学扫描仪对头部进行扫描，获得佩戴头盔状态下的三维信息；或者采用点位置追踪器依次记录脑的三个基准点和头盔的三个基准点的位置信息；
(2)根据(1)中记录的信息以人脑的三个基准点，鼻根点、左、右耳耳前点三个点建立右手直角坐标系为人脑坐标系，坐标原点O取左右耳前点的中心位置，X轴指向鼻根点，Y轴指向左耳耳前点，Z轴垂直于XOY平面，符合右手定则，得到位于人脑坐标系下头盔中三个基准点的位置信息；
(3)由步骤(2)得头盔三个基准点在人脑坐标系下的坐标
Figure FDA0002387609000000021
后，建立头盔坐标系，以头盔左点和右点坐标的中点为坐标原点
Figure FDA0002387609000000022
得到头盔坐标系的X、Y、Z轴单位向量在人脑坐标系的表示为
Figure FDA0002387609000000023
根据头盔坐标系相对于人脑坐标系的旋转矩阵A和平移矩阵O将头盔坐标系下所有头盔曲面上插槽上下表面中心位置转换到人脑坐标系，完成头盔上插槽位置和方向在人脑坐标系下的标定。
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