CN111760208A - 基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法 - Google Patents

基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法 Download PDF

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CN111760208A CN202010707340.3A CN202010707340A CN111760208A CN 111760208 A CN111760208 A CN 111760208A CN 202010707340 A CN202010707340 A CN 202010707340A CN 111760208 A CN111760208 A CN 111760208A
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张育崧
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Abstract

本申请公开了一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法，所述系统用于自动地向头颅的预设位置进行超声刺激，包括：输入模块、空间定位模块、超声刺激模块、安全椭球确定模块、和控制模块；其中所述输入模块用于输入被试者的脑CT或磁共振扫描数据；所述空间定位模块用于实时获取头颅的三维坐标信息，并实时获取超声刺激模块的三维坐标信息；所述安全椭球确定模块用于确定包围整个头颅并与头颅外表面形成预定安全距离的安全椭球；所述控制模块用于控制所述多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动，使得超声换能器耦合装置与头颅在头皮预设位置形成贴合接触，该自动定位系统和方法具有高空间精度、高可靠性的优点。

Description

基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法
技术领域
本发明涉及经颅超声刺激神经调控技术领域，且具体涉及一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法。
背景技术
神经调控技术是脑功能研究和抑郁症、精神分裂症、脑卒中、帕金森症、癫痫等脑疾病治疗的重要手段。
过去几十年的时间里，已经出现了多种神经调控技术，例如经颅磁刺激(TMS)、经颅超声刺激(TUS)、深部脑刺激(DBS)和经颅直流电刺激(tDCS)等方法。这些神经调控技术通过对脑内特定部位施加特定模式的物理刺激来实现对脑功能的探测或对脑疾病的治疗。其中，经颅超声刺激(TUS)采用低频低强度的脉冲聚焦超声穿透皮肤、颅骨等头部组织，聚焦于颅内一个较小的区域，实现对该区域内(以及与该区域相关联的脑区)的神经活动的调控(增强或抑制)。聚焦超声在穿透头皮和颅骨组织后依然保持较好的聚焦性，从而具有高的空间分辨率，且能够对深部的脑区进行精准刺激；另一方面，超声波是一种机械波，不会干扰电场和磁场，因此TUS与神经电信号及磁共振影像兼容，使用者能够在进行超声刺激的同时记录神经电活动或磁共振影像数据。在安全性方面，TUS使用低强度的脉冲超声进行功能性刺激。现有研究表明TUS不引发脑组织的功能性或器质性损伤，是一种安全的非侵入式神经调控技术。
使用者无法直接观察到低频聚焦超声经过头皮和颅骨后的聚焦位置以及预设的目标靶点位置，需要一个合适的导航系统对超声换能器的摆放进行引导以实现经颅超声的焦域和目标靶点的对位。
另外，由于人体经颅超声刺激的靶点较小，使用的超声换能器焦域较小，导致使用传统方式手工对超声换能器进行定位十分困难，难以发挥经颅超声刺激的空间精度高的优点。且被试头部会随时间增长产生不自主的位移，若超声换能器的位置保持固定不变，则刺激位置的误差会随时间增长而越来越大，此时只能手动对换能器进行重新定位，这一操作过程一方面费时费力，给经颅超声刺激过程带来很大不便，另一方面会造成较大的位置误差，不利于长时间对颅内固定靶点进行精准刺激。
在目前的经颅超声刺激实验中，一般使用支架对超声换能器进行手动固定和定位，这种方式精度较低且调节较为不便。最重要的是，这种方式无法使超声换能器的位置和方向随着被试头部不自主的运动而自动进行调整，这会随着时间的增长而产生极大的误差，导致超声无法精确稳定地刺激颅内靶点。
因此，本领域急需开发一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法，该自动定位系统和方法具有高空间精度、高可靠性的优点，能够充分发挥经颅超声刺激神经调控技术的高空间分辨率优势，解决了现有的经颅超声刺激技术难以自动精确定位的难题，对经颅超声刺激领域的脑功能研究与脑疾病临床治疗具有重大意义。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法，该自动定位系统和方法具有高空间精度、高可靠性的优点，能够充分发挥经颅超声刺激神经调控技术的高空间分辨率优势，解决了现有的经颅超声刺激技术难以自动精确定位的难题，对经颅超声刺激领域的脑功能研究与脑疾病临床治疗具有重大意义。
本发明的第一方面，提供了一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统，所述系统用于自动地向头颅的预设位置进行超声刺激，包括：输入模块、空间定位模块、超声刺激模块、安全椭球确定模块、和控制模块；
其中，
所述输入模块用于输入被试者的脑CT或磁共振扫描数据；
所述空间定位模块用于实时获取头颅的三维坐标信息，并实时获取超声刺激模块的三维坐标信息；其中，所述空间定位模块包括红外光学定位设备和刚体，所述红外光学定位设备用于发射和接收红外光；
所述超声刺激模块包括多自由度机械臂和安装在所述多自由度机械臂末端的超声换能器耦合装置，所述超声换能器耦合装置包括超声换能器；
所述刚体包括第一刚体和第二刚体，所述的第一刚体被设置或安置在被试者的头颅上，从而提供头颅的三维坐标信息；而所述的第二刚体被设置或安置在所述超声换能器耦合装置上，从而提供所述超声换能器耦合装置的三维坐标信息；
所述安全椭球确定模块基于被试者的脑CT或磁共振扫描数据获得被试者头颅的三维尺寸，并基于头颅的三维坐标信息，确定包围整个头颅并与头颅外表面形成预定安全距离的安全椭球；
所述控制模块与空间定位模块通信连接，所述控制模块基于从所述空间定位模块获得的所述超声换能器耦合装置的三维坐标信息，控制所述多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动，从而使得超声换能器耦合装置与头颅在头皮预设位置形成贴合接触，和/或使已形成贴合接触的超声换能器耦合装置远离头皮从而解除贴合接触；其中，在形成贴合接触的移动过程中，先将超声换能器耦合装置移动到椭球预设位置，并且超声换能器耦合装置的取向与相应的头皮预设位置和椭球预设位置的连线是重合的，然后使超声换能器耦合装置从椭球预设位置移动至头皮预设位置，从而形成贴合接触；其中，椭球预设位置为头颅中心点与头皮预设位置的连线与安全椭球面的交点。
在另一优选例中，所述系统还包括计算模块，所述计算模块用于计算超声换能器耦合装置的(a)初始的三维坐标信息、(b)与头皮预设位置对应的三维坐标信息、(c)与椭球预设位置对应的三维坐标信息、和(d)最短移动路径，其中，所述最短移动路径是当需将超声换能器耦合装置从某一头皮预设位置移动至下一头皮预设位置时，超声换能器耦合装置沿椭球面移动的最短路径。
在另一优选例中，在所述多自由度机械臂处于初始状态时，控制模块接收到刺激命令，控制多自由度机械臂带动所述超声换能器耦合装置以最短路径使超声换能器的工作端移动到达安全椭球表面。
在另一优选例中，在所述超声换能器耦合装置正在对头皮进行刺激时，控制模块接收到新的刺激命令，控制超声刺激模块停止超声刺激，并引导多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置沿超声换能器的轴向方向远离头颅运动，直到超声换能器的工作端到达安全椭球表面。
在另一优选例中，所述系统还包括接触度监测模块，所述接触度监测模块包括压力传感器，所述压力传感器设置在所述超声换能器耦合装置上，用于监测所述超声换能器耦合装置工作端与头皮贴合接触处的压力数据。
在另一优选例中，所述系统还包括接触判断模块，所述接触判断模块基于所述空间定位模块的数据、所述接触度监测模块的压力传感器的压力数据以及多自由度机械臂的各个关节的受力数据，判断超声换能器位置是否与头皮预设位置贴合接触。
在另一优选例中，若超声换能器实际位置与头皮预设位置没有贴合接触，则所述控制模块控制所述超声换能器进行重新定位和调整。
在另一优选例中，所述系统还包括输出模块，所述输出模块用于实时输出(a)实时的头颅中心的三维坐标信息，(b)实时的超声换能器耦合装置的三维坐标信息，(c)所述压力传感器检测到的压力数据(d)多自由度机械臂的各个关节的受力数据。
在另一优选例中，所述自动定位系统还包括显示界面，用于显示输出模块输出的数据。
在另一优选例中，所述输入模块还包括用于输入待刺激的头皮预设位置的三维坐标信息。
在另一优选例中，所述三维坐标信息包括位置信息和方向信息。
在另一优选例中，所述安全椭球的中心点与所述的头颅中心点是重合的。
在另一优选例中，所述的安全椭球确定模块，基于受试者(subject)头颅的三维尺寸，计算出头颅中心点所在的位置以及头颅大小，然后在被试者的头颅周围的安全距离处拟合建立能够包围整个头颅的安全椭球。
在另一优选例中，所述的安全椭球确定模块还基于头颅的三维坐标信息，确定即时的安全椭球的中心和取向，使得所述即时的安全椭球的中心点与所述的头颅中心点的重合的安全椭球的取向与头颅的取向是相对恒定(或完全一致的)。
在另一优选例中，所述计算模块与空间定位模块通信连接。
在另一优选例中，在所述多自由度机械臂的近端设有法兰盘，在所述超声换能器耦合装置上设置有带有凸起的连接板，通过所述法兰盘和所述连接板将所述多自由度机械臂与所述超声换能器耦合装置固定连接。
在另一优选例中，在所述连接板上开有与法兰盘相对应的若干个螺纹孔，所述连接板与所述法兰盘之间使用螺丝固定。
在另一优选例中，多自由度机械臂为具有力回馈安全防护功能的机械臂。
在另一优选例中，所述的计算模块通过以下方式确定最短移动路径(简称为“最短路径”)：
当需要将超声换能器耦合装置工作端从安全椭球表面一点a0以最短的路径移动到安全椭球表面处于预设新刺激靶点上方的位置b0时，其中位置a0为超声换能器耦合装置工作端的当前位置，位置b0为头皮预设位置的轴向延长线与安全椭球表面的交点，即椭球预设位置(头皮预设位置的法线与椭球表面相交的交点)；则先以头颅中心点为坐标原点，将安全椭球各轴按照比例放缩成为一个圆球体，并将位置a0点、位置b0点的坐标也相应放缩，获得相应的虚拟位置a和b，构建以球心为圆心，a、b两点在圆上的一个圆，并确定该圆的劣弧段，从而获得从放缩后的a点到放缩后的b点的圆球路径坐标序列，然后将所述圆球路径坐标序列放缩回(或映射到)所述的安全椭球表面，从而确定从安全椭球上a0点到b0点的最短路径。
在另一优选例中，该圆的劣弧段即为从a到b的最短路径。
在另一优选例中，采用以下公式计算圆球路径坐标序列：
设a点(即a0经放缩后的对应点)的坐标为(Xa,Ya,Za)，b点(即b0经放缩后的对应点)坐标为(Xb,Yb,Zb)，则对应的球坐标系坐标分别为
Figure BDA0002595278380000051
则通过如下参数方程：
Figure BDA0002595278380000052
Figure BDA0002595278380000053
Figure BDA0002595278380000054
Figure BDA0002595278380000055
计算出从放缩后的a点到放缩后的b点的圆球路径坐标序列。
本发明的第二方面，提供了一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)提供被试者的脑CT或磁共振扫描数据；
(b)获取头颅的实时三维坐标信息，并基于步骤(a)中的脑CT或磁共振扫描数据获得的头颅的三维尺寸，从而建立包围整个头颅并与头颅表面形成预定安全距离的实时安全椭球；
(c)实时获取超声换能耦合装置的三维坐标信息；
(d)基于步骤(b)中建立的实时安全椭球和步骤(c)中的超声换能耦合装置的三维坐标信息，控制多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动并调整超声换能器耦合装置的角度朝向，从而使得超声换能器耦合装置与头颅在头皮预设位置形成贴合接触；在形成贴合接触的移动过程中，先将超声换能器耦合装置移动到椭球预设位置，并且超声换能器耦合装置的取向与相应的头皮预设位置和椭球预设位置的连线是重合的，然后使超声换能器耦合装置从椭球预设位置移动至头皮预设位置，从而形成贴合接触；其中，椭球预设位置为头颅中心点与头皮预设位置的连线与安全椭球面的交点。
在另一优选例中，所述方法还包括：在步骤(d)之后，
(e)判断所述超声换能器的实际位置是否与头皮预设位置贴合接触，若超声换能器的实际位置与头皮预设位置没有贴合接触，重新执行步骤(c)和(d)，对超声换能器耦合装置进行重新定位和调整，若超声换能器实际位置与头皮预设位置贴合接触，执行步骤(f)；
(f)控制超声换能器耦合装置对被试者的头皮预设位置执行超声刺激。
在另一优选例中，步骤(b)和(c)中，通过红外光学定位设备对刚体发射红外线并接收刚体反射的红外线，实时确定头颅三维坐标信息和实时的超声换能器耦合装置的三维坐标信息。
在另一优选例中，所述刚体包括第一刚体和第二刚体，所述的第一刚体被设置或安置在被试者的头颅上，从而提供头颅的三维坐标信息；而所述的第二刚体被设置或安置在所述超声换能器耦合装置上，从而提供所述超声换能器耦合装置的三维坐标信息。
在另一优选例中，当超声换能器耦合装置正在执行超声刺激时，所述自动定位方法还包括：使已形成贴合接触的超声换能器耦合装置远离头皮从而解除贴合接触。
在另一优选例中，所述方法是非诊断和非治疗性的。
在另一优选例中，所述的方法是采用权利要求1所述的基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统进行。
在另一优选例中，所述方法还包括：
通过以下方式确定最短移动路径(简称为“最短路径”)：
当需要将超声换能器耦合装置工作端从安全椭球表面一点a0以最短的路径移动到安全椭球表面处于预设新刺激靶点上方的位置b0时，其中位置a0为超声换能器耦合装置工作端的当前位置，位置b0为头皮预设位置的轴向延长线与安全椭球表面的交点，即椭球预设位置(头皮预设位置的法线与椭球表面相交的交点)；则先以头颅中心点为坐标原点，将安全椭球各轴按照比例放缩成为一个圆球体，并将位置a0点、位置b0点的坐标也相应放缩，获得相应的虚拟位置a和b，构建以球心为圆心，a、b两点在圆上的一个圆，并确定该圆的劣弧段，从而获得从放缩后的a点到放缩后的b点的圆球路径坐标序列(即圆球面上的最短移动路径线)，然后将所述圆球路径坐标序列放缩回(或映射到)所述的安全椭球表面，从而确定从安全椭球上a0点到b0点的最短路径。
在另一优选例中，该圆的劣弧段即为从a到b的最短路径。
在另一优选例中，采用以下公式计算圆球路径坐标序列：
设a点(即a0经放缩后的对应点)的坐标为(Xa,Ya,Za)，b点(即b0经放缩后的对应点)坐标为(Xb,Yb,Zb)，则对应的球坐标系坐标分别为
Figure BDA0002595278380000071
则通过如下参数方程：
Figure BDA0002595278380000072
Figure BDA0002595278380000073
Figure BDA0002595278380000074
Figure BDA0002595278380000075
计算出从放缩后的a点到放缩后的b点的圆球路径坐标序列。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为本发明的基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统的示意图，其中所述自动定位系统在图1所示的虚框内；
图2为根据本申请实施例1的基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统示意图；
图3为根据本申请实施例1的多自由度机械臂与超声换能器耦合装置连接处结构示意图；
图4为根据本申请实施例1的多自由度机械臂末端的结构示意图。
各附图中，各标识如下：
1-六轴机械臂
11-六轴机械臂末端
12-法兰盘
2-超声换能器耦合装置
21-连接板
3-空间定位模块
31-第一刚体
32-第二刚体
4-主控制计算机
具体实施方式
本发明人通过广泛而深入的研究，首次开发了一种基于多自由度机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统和方法。本发明的定位系统和方法解决了现有的经颅超声刺激技术难以自动精确定位的难题，对经颅超声刺激领域的脑功能研究与脑疾病临床治疗具有重大意义；并且实现了刺激流程的自动化、便捷化、高效化，同时使用红外光学导航系统对人头部以及超声换能器的位置进行实时追踪，能极大提高人体经颅超声刺激的准确性及安全性。另外，本发明提出的控制多自由度机械臂改变超声换能器刺激靶点的安全路径生成算法，通过设定安全椭球的方式控制机械臂在人头部以外的范围移动，既保证了机械臂移动的安全性，又提高了自动定位系统在两个刺激靶点之间的切换速度。
术语
如本文所使用的，术语“近端”、“远端”指的是靠近被试者头颅的一端称为“近端”，远离被试者头颅的一端称为“远端”；
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
在本发明中，所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本发明的主要优点：
(a)本发明的自动定位系统和方法具有高空间精度、高可靠性的优点，能够充分发挥经颅超声刺激神经调控技术的高空间分辨率优势；
(b)本发明的自动定位系统和方法使得经颅超声刺激能够脱离手动摆放超声换能器的传统方式，实现了刺激流程的自动化、便捷化、高效化，同时使用红外光学导航系统对人头部以及超声换能器的位置进行实时追踪，能极大提高人体经颅超声刺激的准确性及安全性；
(c)本发明提出的控制多自由度机械臂改变超声换能器刺激靶点的安全路径生成算法，通过设定安全椭球的方式控制机械臂在人头部以外的范围移动，既保证了机械臂移动的安全性，又提高了自动定位系统在两个刺激靶点之间的切换速度；
(d)本发明的自动定位方法和系统，基于红外光学的空间定位模块能够引导机械臂将超声换能器耦合装置摆放到指定位置，保证经颅超声刺激的实时高精度；
(e)在本发明超声换能器耦合装置内置的压力传感器有效检测耦合装置与头颅的贴合状态，并以贴合状态作为反馈引导机械臂把超声换能器耦合装置放置到合适的位置，保证超声换能器耦合装置和头皮处于合适的贴合状态，避免超声换能器耦合装置和头皮(及涂抹在头皮上的耦合剂)贴合不良而在两者之间存在空气间隙，从而避免由于换能器耦合装置内的液体、空气、涂抹在头皮上的耦合剂这三种介质之间阻抗不匹配导致的超声波无法有效从超声换能器耦合装置传播到头皮；
(f)本发明的自动定位系统和方法解决了现有技术中定位不准的难题，对经颅超声刺激领域的脑功能研究与脑疾病临床治疗具有重大意义。
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明提供了一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统，所述系统用于自动地向头颅的预设位置进行超声刺激，包括：输入模块、空间定位模块、超声刺激模块、安全椭球确定模块、和控制模块。
该超声刺激模块用于对经颅超声刺激的靶点进行自动定位与刺激。其中，超声换能器耦合装置可以将内部超声换能器发出的聚焦超声波通过耦合介质传导到与其紧密接触的头颅内部。多自由度机械臂可以沿指定路径运动并将超声换能器摆放到预设的刺激靶点。
其中，所述输入模块用于输入被试者的脑CT或磁共振扫描数据；
所述空间定位模块用于实时获取头颅的三维坐标信息，并实时获取超声刺激模块的三维坐标信息；其中，所述空间定位模块包括红外光学定位设备和多个刚体，所述红外光学定位设备用于发射和接收红外光；
所述超声刺激模块包括多自由度机械臂和安装在所述多自由度机械臂末端的超声换能器耦合装置，所述超声换能器耦合装置包括超声换能器；
所述刚体包括第一刚体和第二刚体，所述的第一刚体被设置或安置在被试者的头颅上，从而提供头颅的三维坐标信息；而所述的第二刚体被设置或安置在所述超声换能器耦合装置上，从而提供所述超声换能器耦合装置的三维坐标信息；
所述安全椭球确定模块基于被试者的脑CT或磁共振扫描数据获得被试者头颅的三维尺寸，并基于头颅的三维坐标信息，确定包围整个头颅并与头颅外表面形成预定安全距离的安全椭球；
所述控制模块与空间定位模块通信连接，所述控制模块基于从所述空间定位模块获得的所述超声换能器耦合装置的三维坐标信息，控制所述多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动，从而使得超声换能器耦合装置与头颅在头皮预设位置形成贴合接触，和/或使已形成贴合接触的超声换能器耦合装置远离头皮从而解除贴合接触；其中，在形成贴合接触的移动过程中，先将超声换能器耦合装置移动到椭球预设位置，并且超声换能器耦合装置的取向与相应的头皮预设位置和椭球预设位置的连线是重合的，然后使超声换能器耦合装置从椭球预设位置移动至头皮预设位置，从而形成贴合接触；其中，椭球预设位置为头颅中心点与头皮预设位置的连线与安全椭球面的交点。
优选地，所述系统还包括计算模块，所述计算模块用于计算超声换能器耦合装置的(a)初始的三维坐标信息、(b)与头皮预设位置对应的三维坐标信息；(c)与椭球预设位置对应的三维坐标信息；用于(d)当需将超声换能器耦合装置从某一头皮预设位置移动至下一头皮预设位置时，计算沿椭球面移动的最短路径。
优选地，所述系统还包括接触度监测模块，所述接触度监测模块包括压力传感器，所述压力传感器设置在所述超声换能器耦合装置上，用于监测所述超声换能器耦合装置工作端与头皮贴合接触处的压力数据。压力传感器检测到的压力信息即为耦合装置工作端与头颅贴合处的压力，可以由此判断耦合装置与头颅的接触状态。
优选地，多自由度机械臂为具有力回馈等安全防护功能的机械臂，多自由度机械臂的作用力回馈数据是从机械臂中获取到的各个关节的实时受力情况，可以用来判断超声换能器耦合装置与头颅的接触状态以及多自由度机械臂是否与外界物体发生碰撞。
优选地，所述系统还包括接触判断模块，所述接触判断模块基于所述空间定位模块的数据、所述接触度监测模块的压力传感器的压力数据以及多自由度机械臂的各个关节的受力数据，判断超声换能器位置是否与头皮预设位置贴合接触。
优选地，所述系统还包括输出模块，所述输出模块用于实时输出(a)实时的头颅中心的三维坐标信息，(b)实时的超声换能器耦合装置的三维坐标信息，(c)所述压力传感器检测到的压力数据(d)多自由度机械臂的各个关节的受力数据。
本发明还提供了一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位方法，包括以下步骤：
(a)提供被试者的脑CT或磁共振扫描数据；
(b)获取头颅的实时三维坐标信息，并基于步骤(a)中的脑CT或磁共振扫描数据获得的头颅的三维尺寸，从而建立包围整个头颅并与头颅表面形成预定安全距离的实时安全椭球；
(c)实时获取超声换能耦合装置的三维坐标信息；
(d)基于步骤(b)中建立的实时安全椭球和步骤(c)中的超声换能耦合装置的三维坐标信息，控制多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动并调整超声换能器耦合装置的角度朝向，从而使得超声换能器耦合装置与头颅在头皮预设位置形成贴合接触；在形成贴合接触的移动过程中，先将超声换能器耦合装置移动到椭球预设位置，并且超声换能器耦合装置的取向与相应的头皮预设位置和椭球预设位置的连线是重合的，然后使超声换能器耦合装置从椭球预设位置移动至头皮预设位置，从而形成贴合接触；其中，椭球预设位置为头颅中心点与头皮预设位置的连线与安全椭球面的交点。
下面结合附图对本发明做进一步说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提出一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位方法和系统。该系统可对被试头部的位置进行基于红外光学定位的实时追踪，并利用多自由度机械臂，实时引导超声换能器到达预定的位置和角度，并保证移动过程以及刺激过程的安全，从而实现高空间精度、高可靠性的经颅超声刺激。
参考图1-2，本实施例的基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位方法和系统，包括：超声刺激模块、基于红外光学的空间定位模块3和主控计算机4；
其中：超声刺激模块由多自由度机械臂1以及连接于机械臂末端的超声换能器耦合装置2组成，用于对经颅超声刺激的刺激靶点进行自动定位与刺激。基于红外光学的空间定位模块3，能够实时监测超声换能器和人的头部相对于红外光学空间定位设备探测器的三维位置和姿态角度。主控计算机4与超声刺激模块和基于红外光学的空间定位模块3相连，用于控制超声换能器开始与停止刺激，以及控制多自由度机械臂的运动路径跟随头部位置姿态变化，使得进行超声刺激时超声换能器的聚焦点始终保持在预定的刺激靶点上，并保证刺激过程的安全。
该超声刺激模块包括以六轴机械臂1为例的多自由度机械臂以及连接于六轴机械臂1末端的超声换能器耦合装置2，六轴机械臂1选用市场上有效工作半径700mm左右、重复定位精度±0.1mm左右的具有力回馈等安全防护功能的机械臂，可实现对末端的任意坐标定位以及按指定轨迹移动。超声换能器耦合装置2是可以将内部超声换能器发出的聚焦超声波通过耦合介质传导到与其紧密接触的头颅内部的机械装置。
如图3和4所示显示了六轴机械臂与超声换能器耦合装置2的具体连接方式。六轴机械臂(1)第六轴的末端(六轴机械臂末端)11设有一个带14个M6螺纹孔的法兰盘12；超声换能器耦合装置2上设置有一个带有凸起的圆形连接板21。加工连接板21使其直径与法兰盘12一致，在其内圈与法兰盘12相对位置上打4个M6通孔。使用4颗M6长螺丝穿过通孔，将连接板21安装在法兰盘12上，确保固定紧实。
该基于红外光学的空间定位模块3，是一种能够测量绑定多个(等于或者大于3个)特制红外反射小球的刚体(以下简称“刚体”)的位置和角度信息的光学测量系统。本实施例使用了加拿大NDI公司的Polaris Vicra红外光学定位仪作为空间定位设备。该空间定位设备会通过刚体上绑定的多个红外反射小球位置判断刚体的类型，位置坐标和姿态角度。运用空间定位模块，可以通过佩戴在被试头部的第一刚体31来捕捉被试头部的微小运动偏移，同时通过安装在超声换能器耦合装置2上的第二刚体32来获取耦合装置2的当前位置，发送给主控计算机4导航系统并与预设超声换能器相对于头部的摆放位置和朝向进行比对，实时纠正导航参数。之后引导六轴机械臂1改变超声换能器耦合装置2的位置，使超声换能器的焦点始终保持在预设靶点上，避免被试头部运动导致超声焦点与颅内预设靶点的位置偏离误差。
在使用前需要对超声换能器耦合装置2上的第二刚体32进行配准操作，以确定该第二刚体32相对空间定位设备的位置，为之后进行预设超声换能器摆放位置及方向的计算提供参照。配准操作使用特殊的针状刚体(第二刚体32)；首先控制六轴机械臂1回归到初始化位置，之后将针状刚体(第二刚体32)的针尖放置于超声换能器耦合装置2的刚体定位标记点上，保持针尖不动，令针状刚体做轴端固定的旋转操作。使用NDI定位系统软件开发包中的配准程序即可计算出针尖所在的空间位置，即刚体定位标记点的位置相对于空间定位设备的位置，作为超声换能器耦合装置2定位的基准坐标原点。
该系统还包括接触度监测模块，该接触度监测模块设置在超声换能器耦合装置2上，刺激过程开始后，需要对贴合程度进行监测从而通过主控计算机4对超声换能器进行调整，具体地，主控计算机通过控制一个电磁阀将所使用的超声换能器耦合装置的排气孔与一个压力传感器的压力测试端相通，形成一个封闭的空间，使任何对超声换能器耦合装置工作端与头颅贴合处的压力被传导到压力传感器中，从而可以被监测到。
主控计算机4与六轴机械臂1通过RJ45网线相连，可以通过发送坐标数据使六轴机械臂1移动到指定的位置，同时六轴机械臂1可通过网络回传实际所在的坐标以及机械臂1各轴力回馈数据到主控计算机4。
主控计算机4同时与超声换能器耦合装置2相连，可以发送信号使超声换能器耦合装置2中的超声换能器开始或停止刺激，同时超声换能器耦合装置2可回传当前超声换能器耦合装置内部的压力数据，供主控计算机4判断当前耦合装置与头部的接触状况。具体地，主控计算机4包括接触判断模块，接触判断模块对超声换能器耦合装置内部的压力数据进行判断的方式为：主控计算机4的微处理器定时对压力传感器中的压力进行采样，若发现压力发生变化，则推断耦合装置与头皮的接触状态发生了改变，将新的状态报告给主控计算机4。主控计算机4根据获取到的压力数据，实时判断超声换能器耦合耦合装置2与头颅的贴合状态，并根据此状态控制六轴机械臂1实时调整超声换能器耦合耦合装置的位置。接触判断模块对六轴机械臂作用力回馈数据进行判断的方式为：带有扭力监测功能的六轴机械臂可以向主控计算机4上报其各个关节的受力情况。主控计算机4可以对收到的受力数据进行分析，通过各关节受力的细微变化来判断超声换能器耦合装置与头颅的贴合状态，并根据此状态控制机械臂实时调整超声换能器耦合装置的位置。另外，若发现某一关节受力过大，则可能是关节部分与其他物体发生了碰撞。此时主控计算机将会立刻停止正在进行的移动过程并报警，待机械臂与被碰撞的物体分离后再继续移动。即主控计算机4能够通过综合多路传感数据以及脑CT或磁共振结构影像，使得进行超声刺激时超声换能器的聚焦点始终保持在预定的刺激靶点上，并保证刺激过程的安全。
主控计算机4同时与基于红外光学的空间定位模块3相连，基于NDI公司提供的定位系统API软件包开发，可通过USB串口通信获取到所追踪的被试头部的刚体以及耦合装置上的刚体的实时位置信息。
主控计算机4控制整个系统进行刺激的主要过程如下：被试就位后，设备操作者在主控计算机4上确定一个目标刺激靶点，之后主控计算机4通过安全路径生成算法，生成从当前位置到目标位置的路径并控制六轴机械臂1沿路径到新的目标刺激靶点开始刺激；随后，主控计算机4不断将收到的被试头部实时位置信息与当前超声换能器耦合装置位置信息比对，计算出新的超声换能器耦合装置2位置坐标并发送给六轴机械臂1；当设备操作者需要改变目标刺激靶点时，主控计算机4则停止刺激并重复上述流程。其中控制六轴机械臂1改变超声换能器刺激靶点的安全路径生成算法，其具体流程为：
(1)产生新刺激靶点：
设备操作者操作主控计算机4指定一个新的刺激靶点，即主控计算机从设备操作者处收到改变刺激靶点的指令，若当前六轴机械臂1正处于初始状态或处于承载着超声换能器耦合装置2在某一靶点对被试头颅进行刺激的状态，则继续进行下一步。若六轴机械臂1处于其他状态，或新的刺激靶点与原刺激靶点相同，则忽略更改刺激靶点的请求。
(2)计算安全椭球：
主控计算机4从基于红外光学的空间定位模块获取当前被试头部上第一刚体的位置，也就是说主控计算机4通过基于红外光学的空间定位模块传来的数据，结合被试脑CT或磁共振扫描数据推算出头颅中心点所在的位置，同时从被试脑CT或磁共振扫描数据得到头颅的三维尺寸，进一步计算得出能够包围整个头颅并与头颅表面形成一定安全距离的椭球(以下简称“安全椭球”)的具体参数。椭球上任意一点到头颅表面的距离都不应小于安全距离，这一安全距离以3-4cm为宜。
(3)控制机械臂到安全椭球表面：
此时主控计算机4控制六轴机械臂1开始运动，运动的路径与机械臂当前位置有关。若当前机械臂处于初始状态，则主控计算机向机械臂发出指令，使其控制的超声换能器耦合装置工作端沿最短路径移动，直到超声换能器耦合装置工作端到达安全椭球表面，以减少第一次启动刺激所需要的时间；若当前机械臂正承载着超声换能器耦合装置在被试头颅表面进行刺激，则主控计算机需要首先控制超声换能器耦合装置停止刺激，之后再向机械臂发出指令使其回退，做沿超声换能器的轴向方向远离头部的运动，直到超声换能器耦合装置工作端到达安全椭球表面，以达到使超声换能器耦合装置安全地与头颅分离的目的。
(4)控制机械臂到预设位置：
此时需要将超声换能器耦合装置工作端从安全椭球表面一点a0以最短的路径移动到安全椭球表面处于预设新刺激靶点上方的位置b0时，其中位置a0为超声换能器耦合装置工作端的当前位置，位置b0为头皮预设位置的轴向延长线与安全椭球表面的交点，即椭球预设位置(头皮预设位置的法线与椭球表面相交的交点)；由球面两点间的最短距离是通过这两点的大圆的劣弧段可知，先以头颅中心点为坐标原点，将安全椭球各轴按照比例放缩成为一个圆球体，并将位置a0点、位置b0点的坐标也相应放缩，获得相应的虚拟位置a和b，构建以球心为圆心，a、b两点在圆上的一个圆，并确定该圆的劣弧段，从而获得从放缩后的a点到放缩后的b点的圆球路径坐标序列，然后将所述圆球路径坐标序列放缩回(或映射到)所述的安全椭球表面，从而确定从安全椭球上a0点到b0点的最短路径。
该圆的劣弧段即为从a到b的最短路径。采用以下公式计算圆球路径坐标序列：设a点放缩后坐标为(Xa,Ya,Za)，b点放缩后坐标为(Xb,Yb,Zb)，其对应的球坐标系坐标分别为
Figure BDA0002595278380000161
则通过如下参数方程：
Figure BDA0002595278380000162
Figure BDA0002595278380000163
Figure BDA0002595278380000164
Figure BDA0002595278380000165
可计算出从放缩后的a点到放缩后的b点的路径坐标序列，将该坐标序列放缩回椭球上，即可得到椭球上a0点到b0点的最短路径；将该路径发送给多自由度机械臂例如六轴机械臂1，控制其运动将超声换能器耦合装置送至头皮预设位置上方。随后控制机械臂调整超声换能器耦合装置的朝向，使得超声换能器实际位置与头皮预设位置的轴向延长线重合，最后引导多自由度机械臂沿头皮预设位置的轴向方向缓慢靠近头部运动，直到基于红外光学的空间定位模块传回的数据判断超声换能器耦合装置工作端到达头皮预设位置并与头皮贴合，换言之，调整超声换能器朝向，使超声换能器运动到头皮预设位置的法线与椭球表面相交的交点(即椭球预设位置)，然后缓慢沿朝向法线向头皮移动，直到与头皮相接触。
(5)确认完全贴合：
主控计算机4通过综合基于红外光学的空间定位模块传回的数据、超声换能器耦合装置内部的压力数据以及六轴机械臂1的力回馈数据等多种数据来源确认超声换能器位置无误，若空间定位模块显示超声换能器实际位置与预设超声换能器摆放位置偏差过大，则重复步骤(3)和步骤(4)，对超声换能器进行重新定位。若耦合装置内部压力过小或机械臂力回馈过小，则推断可能贴合不够紧密，此时主控计算机可通过主动报警等方式提示设备操作者检查贴合情况。若所有数据来源均显示耦合装置已成功与头颅贴合，则继续进行下一步。
(6)开始刺激：
主控计算机控制超声换能器开始对新的目标靶点进行刺激。控制多自由度机械臂改变超声换能器刺激靶点的安全路径生成算法流程结束。
本实施例将经颅超声刺激使用的超声换能器耦合装置固定在多自由度机械臂最末轴末端，并将机械臂固定于治疗环境附近。由于多自由度机械臂具有灵活的运动能力，可通过编程自动将其末端的超声换能器放置在活动区域内任意指定位置，且可朝向任意方向，从而避免人工改变超声换能器位置的繁琐操作。需说明的是，本实施例的多自由度机械臂1采用的是六轴机械臂，但本发明中所述的多自由度机械臂并不仅限于六轴机械臂，也可为其他满足性能要求的多轴多自由度机械臂。同时，本实施例还提出使用基于红外光学的空间定位模块对被试头部以及超声换能器耦合装置进行实时追踪，获知二者精确位置并发送到主控计算机进行计算，从而使机械臂末端的超声换能器耦合装置位置随人头部位置的变化而实时变化，解决了长时间固定靶点刺激时的误差问题。最后，为了解决使用多自由度机械臂移动超声换能器耦合装置的安全问题，本发明提出了一种用于控制多自由度机械臂改变超声换能器刺激靶点的安全路径生成算法，有效保证了使用本系统进行刺激过程的安全性。
在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，所述系统用于自动地向头颅的预设位置进行超声刺激，包括：输入模块、空间定位模块、超声刺激模块、安全椭球确定模块、和控制模块；
其中，
所述输入模块用于输入被试者的脑CT或磁共振扫描数据；
所述空间定位模块用于实时获取头颅的三维坐标信息，并实时获取超声刺激模块的三维坐标信息；其中，所述空间定位模块包括红外光学定位设备和刚体，所述红外光学定位设备用于发射和接收红外光；
所述超声刺激模块包括多自由度机械臂和安装在所述多自由度机械臂末端的超声换能器耦合装置，所述超声换能器耦合装置包括超声换能器；
所述刚体包括第一刚体和第二刚体，所述的第一刚体被设置或安置在被试者的头颅上，从而提供头颅的三维坐标信息；而所述的第二刚体被设置或安置在所述超声换能器耦合装置上，从而提供所述超声换能器耦合装置的三维坐标信息；
所述安全椭球确定模块基于被试者的脑CT或磁共振扫描数据获得被试者头颅的三维尺寸，并基于头颅的三维坐标信息，确定包围整个头颅并与头颅外表面形成预定安全距离的安全椭球；
所述控制模块与空间定位模块通信连接，所述控制模块基于从所述空间定位模块获得的所述超声换能器耦合装置的三维坐标信息，控制所述多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动，从而使得超声换能器耦合装置与头颅在头皮预设位置形成贴合接触，和/或使已形成贴合接触的超声换能器耦合装置远离头皮从而解除贴合接触；其中，在形成贴合接触的移动过程中，先将超声换能器耦合装置移动到椭球预设位置，并且超声换能器耦合装置的取向与相应的头皮预设位置和椭球预设位置的连线是重合的，然后使超声换能器耦合装置从椭球预设位置移动至头皮预设位置，从而形成贴合接触；其中，椭球预设位置为头颅中心点与头皮预设位置的连线与安全椭球面的交点。
2.如权利要求1所述的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，所述系统还包括计算模块，所述计算模块用于计算超声换能器耦合装置的(a)初始的三维坐标信息、(b)与头皮预设位置对应的三维坐标信息、(c)与椭球预设位置对应的三维坐标信息、和(d)最短移动路径，其中，所述最短移动路径是当需将超声换能器耦合装置从某一头皮预设位置移动至下一头皮预设位置时，超声换能器耦合装置沿椭球面移动的最短路径。
3.如权利要求2所述的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，在所述多自由度机械臂处于初始状态时，控制模块接收到刺激命令，控制多自由度机械臂带动所述超声换能器耦合装置以最短路径使超声换能器的工作端移动到达安全椭球表面。
4.如权利要求1所述的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，在所述超声换能器耦合装置正在对头皮进行刺激时，控制模块接收到新的刺激命令，控制超声刺激模块停止超声刺激，并引导多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置沿超声换能器的轴向方向远离头颅运动，直到超声换能器的工作端到达安全椭球表面。
5.如权利要求1所述的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，所述系统还包括接触度监测模块，所述接触度监测模块包括压力传感器，所述压力传感器设置在所述超声换能器耦合装置上，用于监测所述超声换能器耦合装置工作端与头皮贴合接触处的压力数据。
6.如权利要求5所述的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，所述系统还包括接触判断模块，所述接触判断模块基于所述空间定位模块的数据、所述接触度监测模块的压力传感器的压力数据以及多自由度机械臂的各个关节的受力数据，判断超声换能器位置是否与头皮预设位置贴合接触。
7.如权利要求5所述的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，所述系统还包括输出模块，所述输出模块用于实时输出(a)实时的头颅中心的三维坐标信息、(b)实时的超声换能器耦合装置的三维坐标信息、(c)所述压力传感器检测到的压力数据、(d)多自由度机械臂的各个关节的受力数据。
8.如权利要求1所述的人体经颅超声刺激自动定位系统，其特征在于，在所述多自由度机械臂的近端设有法兰盘，在所述超声换能器耦合装置上设置有带有凸起的连接板，通过所述法兰盘和所述连接板将所述多自由度机械臂与所述超声换能器耦合装置固定连接。
9.一种基于机械臂的人体经颅超声刺激自动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)提供被试者的脑CT或磁共振扫描数据；
(b)获取头颅的实时三维坐标信息，并基于步骤(a)中的脑CT或磁共振扫描数据获得的头颅的三维尺寸，从而建立包围整个头颅并与头颅表面形成预定安全距离的实时安全椭球；
(c)实时获取超声换能耦合装置的三维坐标信息；
(d)基于步骤(b)中建立的实时安全椭球和步骤(c)中的超声换能耦合装置的三维坐标信息，控制多自由度机械臂带动超声换能器耦合装置移动并调整超声换能器耦合装置的角度朝向，从而使得超声换能器耦合装置与头颅在头皮预设位置形成贴合接触；在形成贴合接触的移动过程中，先将超声换能器耦合装置移动到椭球预设位置，并且超声换能器耦合装置的取向与相应的头皮预设位置和椭球预设位置的连线是重合的，然后使超声换能器耦合装置从椭球预设位置移动至头皮预设位置，从而形成贴合接触；其中，椭球预设位置为头颅中心点与头皮预设位置的连线与安全椭球面的交点。
10.如权利要求9所述的自动定位方法，其特征在于，当超声换能器耦合装置正在执行超声刺激时，所述自动定位方法还包括：使已形成贴合接触的超声换能器耦合装置远离头皮从而解除贴合接触。
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