CN114073820B - 脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置、方法、设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于认知神经科学技术领域，具体涉及一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置、方法、设备，旨在解决现有技术无法实现基于脑图谱的头皮映射图定量、精确描述刺激线圈位置和方向的问题。本方法包括得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向；将结构磁共振影像与脑网络组图谱进行配准，配准后与个体脑空间的刺激线圈阵列进行映射，得到头皮图谱映射图；计算视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系；获取刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿，若其与个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向的差值大于设定差值阈值，则调整刺激线圈的位姿。本发明实现了基于脑图谱的头皮映射图定量、精确描述刺激线圈位置和方向。
Description
技术领域
本发明属于认知神经科学技术领域，具体涉及一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置、方法、设备。
背景技术
当前，神经科学领域的研究学者们面临的一个重要挑战是精准地定位无创神经调控器械。以经颅磁刺激(Transcranial magnetic stimulation, TMS)和经颅电刺激(Transcranial electrical stimulation, TES) 等为代表的非侵入式神经调控技术，精准的神经调控器械定位可以达到最佳的调控效果。
无创神经调控技术的疗效在精神疾病的临床中受到广泛认可。现有经颅磁刺激技术的临床使用只能根据操作者经验确定刺激线圈的头皮定位，如抑郁症左侧背外侧前额叶靶区的定位方法“5 cm法则”、脑电图的电极定位等。此类无创调控技术难以精准定位调控器械，导致无法有效地作用于目标脑区，使不同受试者的临床效果不一致。为了实现无创调控技术有效调控脑图谱中精细脑区的目的，需要解决头皮上调控器械的精准定位及导航问题。
基于脑图谱确定调控脑区已经成为临床中的主流技术。但是，目前 TMS 靶区定位方法主要采用了传统解剖学脑图谱，由于此类图谱脑区分区范围较大，缺乏精细准确的功能和结构划分信息，导致操作人员在确定刺激靶区时难以实现有效的脑区定位。此外，无创神经调控技术的调控器械需要在受试者头皮表面进行定位，脑图谱提供的精细脑区范围信息与头皮上线圈定位的映射关系尚不清楚。因此，必须解决基于脑图谱头皮映射图的线圈定位问题。
脑网络组图谱是比传统脑图谱精细 4 到 5 倍、全新的活体全脑连接图谱，提供了 246 个脑区的精细分区结果，为神经调控技术提供了精确的调控靶区，受到国内外研究学者们的认可。由于脑网络组图谱只能提供脑区分区结果，无法指导无创神经调控器械的头皮定位，导致无创神经调控技术在基于脑网络组图谱获得目标调控脑区后，仍然缺少调控器械的头皮定位信息。研究基于脑网络组图谱的头皮映射图，将为经颅磁刺激技术的刺激线圈提供标准器械定位方案。首先，脑网络组图谱提供了人群的最大概率脑区分区结果，适用于确定不同被试的同一调控靶区。其次，将人群的脑网络组图谱映射至不同被试的头皮上，获得的人群头皮映射图适用于针对同一调控靶区不同被试的器械定位。因此，基于精细脑网络组图谱的头皮映射图确定目标靶区的器械定位是实现精准调控的必要环节。
现有的经颅磁刺激技术仍然缺乏一个适用于人群调控靶区的精准刺激线圈定位方案。精准的TMS刺激线圈位置和方向需要确定6个参数来定义，包括欧式空间中的位置和方向，其中位置包括x、y、z坐标，方向包括翻滚角、俯仰角和偏航。这与临床定义线圈位置和方向的习惯有很大的区别，难以有效对应，增加了操作人员的使用难度。如美国FDA通过的TMS治疗抑郁症的范式建议，将线圈方向选择为与左侧背外侧前额叶靶区所在沟回垂直方向的影像空间后下方向45°(PA 45)。因此，如何基于脑图谱的头皮映射图定量描述精确线圈位置和方向，实现临床中常规线圈定位方法中线圈与脑沟回的对应关系，仍然是最大的挑战之一。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决的现有技术无法实现基于脑图谱的头皮映射图定量、精确描述刺激线圈位置和方向的问题，本发明第一方面，提出了一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置，该装置包括：经颅磁刺激仪、头部绑带、视觉传感器、手持探针、控制系统；所述控制系统分别通过通信链路与所述经颅磁刺激仪、所述视觉传感器连接；
所述经颅磁刺激仪包括手柄、安装于手柄顶部的刺激线圈；
所述刺激线圈一侧的中心位置安装有带圆形的跟踪定位标记物的线圈跟踪块，并将所述线圈跟踪块上的跟踪定位标记物作为第一标记物；所述跟踪定位标记物为黑白棋盘格；所述刺激线圈，用于接收所述控制系统下发的磁刺激强度，并按照该磁刺激强度产生所需的磁场强度；
所述手持探针固定于所述刺激线圈的另一侧，且手持探针垂直于所述刺激线圈表面，手持探针的尖端与所述刺激线圈的中心位置重合；
所述头部绑带上固定有带椭圆形的跟踪定位标记物，作为第二标志物；所述第二标志物在受试者佩戴头部绑带时置于受试者头部的正前方；
所述视觉传感器置于受试者头部的右前上方，用于采集所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，并发送至所述控制系统；
所述控制系统，配置为结合所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，计算所述刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，作为第一位姿；基于所述第一位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿。
在一些优选的实施方式中，所述手持探针包括支撑杆和探针，所述支撑杆同侧间隔设置有跟踪定位标记物，分别作为第三标志物和第四标志物，所述第三标志物的截面大于所述第四标志物，所述支撑杆的长度大于所述探针的长度。
本发明的第二方面，提出了一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，基于上述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置，该方法包括以下步骤：
步骤 S100，在 MNI 标准空间中构建头皮表面的刺激线圈阵列位点和方向，并匹配到受试者个体脑空间，得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向；
步骤 S200，获取受试者个体脑部的结构磁共振影像，将所述结构磁共振影像与标准空间的脑网络组图谱进行影像空间配准，得到个体脑分区结果；将所述个体脑分区结果与个体脑空间的刺激线圈阵列位点、方向进行映射，得到头皮图谱映射图；
步骤 S300，结合所述头皮图谱映射图以及视觉传感器实时采集的受试者头部绑带上第一标志物的位姿，计算视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系；
步骤 S400，基于实时获取的线圈跟踪块的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿，作为实时位姿；
计算所述实时位姿与步骤S100中的得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向的差值，若差值大于设定差值阈值，则调整刺激线圈的位姿，并跳转至步骤S100。
在一些优选的实施方式中，所述 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列位点的构建方法为：
步骤 S110，在 MNI 标准空间中的头皮表面标记解剖参考点；所述解剖参考点包括鼻根点 Nz、枕骨隆突点 Iz、右外耳廓前顶点 APR、左外耳廓前顶点 APL；
步骤 S120，获取连接 Nz 和 Iz 的曲线 l1及连接 APR和 APL 的曲线 l2，并将l1 与 l2 相交的点确定为中央点 Cz，将 Cz 投射至 Nz、APR 平面获得 O 点；基于 O、Cz、Nz、APR 建立角度等分坐标系，O 为坐标系原点，Nz 为坐标系 x 轴正向，APR 为坐标系 y轴正向，Cz 为坐标系 z 轴正向；
步骤 S130，连接 Nz - Cz - Iz - O 点，并将 Nz - O - Iz 夹角以 α 为单位等分为 M 份，每个方向的射线与头皮表面相交的点确定为 p(i)；其中，p(1) 为 Nz 点，p(M+1)为 Iz 点，M 为正整数；
步骤 S140，对各点 p(i)，连接 APL – p(i) – APR – O 点，并将夹角以 θ 为单位等分为 M 份，每个方向的射线与头皮表面相交的点确定为 p(i, j), 作为 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列位点；其中，p(i, 1) 为 APL 点，p(i, M+1) 为 APR 点。
在一些优选的实施方式中，所述 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列方向的构建方法为：
确定 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列位姿的法向量及切平面；
将医学影像空间中矢状面从后向前的方向定义为 0 度方向，将0度方向平移至某一线圈阵列位点，即可定位该位点的 0 度方向，以该位点为原点，朝向矢状面的后向方位，表示为 PA0，基于 PA0 即可设定线圈切平面内的其他方向角度。
在一些优选的实施方式中，计算视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，其方法为：
步骤S310，根据所述头皮图谱映射图，获取结构磁共振影像对应的脑影像空间和
个体脑空间的刺激线圈阵列的转换关系
；在所述结构磁共振影像对应的脑影像空
间中采集头皮表面特征点
，结合
，将
转换为个体脑空间的刺激线圈阵列
中的坐标点
；
步骤S320，实时获取受试者头部绑带上第二标志物在视觉传感器空间下的位姿，
得到受试者头部空间与视觉传感器空间的转换关系
；
步骤S330，根据
与受试者头部空间的头皮表面特征点的相对空间关系一致的原理，
结合
、
，得到脑影像空间与视觉传感器空间之间的转换关系
；结合
、
，得到视觉传感器空间与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系
。
在一些优选的实施方式中，第一标志物的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，其方法为：
在视觉传感器视野范围内，同时采集预构建的第一标记物坐标系在视觉传感器空
间下的位姿
，以及手持探针尖端在视觉传感器下的坐标
；
计算手持探针尖端在所述第一标记物坐标系下的坐标
，所
以，刺激线圈的中心位置在所述第一标记物坐标系下的坐标为
=
；
取下刺激线圈上的手持探针及其固定装置，仅线圈跟踪块固定于刺激线圈上，由于刺
激线圈中心位置相对于第一标记物坐标系是固定不变的，所以
是定值，所以刺激线圈的
中心位置在视觉传感器空间下的坐标为
，又由于
，
所以刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿为
。
在一些优选的实施方式中，所述第一标记物坐标系为以线圈跟踪块的中心位置为原点，以与线圈手柄方向平行的方向作为Z轴，以与刺激线圈水平方向平行的方向作为X轴的坐标系。
本发明的第三方面，提出了一种设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法。
本发明的有益效果：
本发明实现了基于脑图谱的头皮映射图定量、精确描述刺激线圈位置和方向。
1）本发明一方面建立个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向，能够准确描述线圈的位置和方向，另一方面，结合脑网络组图谱建立体脑空间的刺激线圈阵列中脑分区的头皮图谱映射图，基于视觉传感器和探针配准受试者个体的物理空间和脑影像空间，实时追踪刺激线圈的实时位置和方向，将刺激线圈准确定位至具有脑分区信息的头皮定位系统中，能够有效解决无创 TMS刺激线圈定位难以与刺激靶区对应，而且难以量化6个位置和方向参数的问题。
2）本发明所提供的脑网络组图谱的头皮映射图方法将精细的 246 脑区分区对应的无创调控器械定位信息映射至个体头皮上，因此研究学者或临床医生基于本发明方法可以精准、有效地在被试个体头皮上定位调控器械，使得无创器械定位于精细的目标靶区这一技术难题得以解决。
3）基于头皮图谱映射图的线圈定位方法能基于个体的头皮定位点定量描述欧式空间的线圈位置和方向，可以为临床上依据脑沟回走向定位刺激线圈的方法提供对应关系。
附图说明
通过阅读参照以下附图所做的对非限制性实施例所做的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明一种实施例的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置的示意图；
图2是本发明一种实施例的刺激线圈注册过程的示例图；
图2（a）是本发明一种实施例的构建的第一标志物坐标系的示意图；
图2（b）是本发明一种实施例的通过手持探针采取刺激线圈上的点的示意图；
图2（c）是本发明一种实施例的线圈注册的示意图；
图3（a）是本发明一种实施例的黑白棋盘格交叉点和交叉线的示意图；
图3（b）是本发明一种实施例的手持探针详细结构以及构建的Marker坐标系的示意图；
图4是本发明一种实施例的MNI 标准空间的线圈阵列位点和方向构建的示意图；
图4（a）是本发明一种实施例的 MNI 标准空间的线圈阵列位点构建的示意图；
图4（b）是本发明一种实施例的 MNI 标准空间的线圈阵列方向构建的示意图；
图5是本发明一种实施例的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位过程的简略流程示意图；
图6是本发明一种实施例的基于个体脑空间的刺激线圈阵列、头皮图谱映射图进行刺激线圈实时位姿定位的流程示意图；
图7是本发明一种实施例的头皮图谱映射图建立过程的示意图；
图8是本发明一种实施例的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置，如图1所示，该装置包括：经颅磁刺激仪、头部绑带、视觉传感器、手持探针、控制系统；所述控制系统分别通过通信链路与所述经颅磁刺激仪、所述视觉传感器连接；
所述经颅磁刺激仪包括手柄、安装于手柄顶部的刺激线圈；
所述刺激线圈一侧的中心位置安装有带圆形的跟踪定位标记物的线圈跟踪块，并将所述线圈跟踪块上的跟踪定位标记物作为第一标记物；所述跟踪定位标记物为黑白棋盘格；所述刺激线圈，用于接收所述控制系统下发的磁刺激强度，并按照该磁刺激强度产生所需的磁场强度；
所述手持探针固定于所述刺激线圈的另一侧，且手持探针垂直于所述刺激线圈表面，手持探针的尖端与所述刺激线圈的中心位置重合；
所述头部绑带上固定有带椭圆形的跟踪定位标记物，作为第二标志物；所述第二标志物在受试者佩戴头部绑带时置于受试者头部的正前方；
所述视觉传感器置于受试者头部的右前上方，用于采集所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，并发送至所述控制系统；
所述控制系统，配置为结合所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，计算所述刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，作为第一位姿；基于所述第一位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿。
为了更清晰地对本发明脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置进行说明，下面结合附图对本发明装置一种实施例中各模块进行展开详述。
本发明的一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置，包括：经颅磁刺激仪、头部绑带、视觉传感器、手持探针、控制系统；所述控制系统分别通过通信链路与所述经颅磁刺激仪、所述视觉传感器连接；
如图2（c）所示，所述经颅磁刺激仪包括手柄、安装于手柄顶部的刺激线圈；
所述刺激线圈一侧的中心位置安装有带圆形的跟踪定位标记物的线圈跟踪块，并将所述线圈跟踪块上的跟踪定位标记物作为第一标记物；所述跟踪定位标记物为黑白棋盘格；所述刺激线圈，用于接收所述控制系统下发的磁刺激强度，并按照该磁刺激强度产生所需的磁场强度；
所述手持探针固定于所述刺激线圈的另一侧，且手持探针垂直于所述刺激线圈表面，手持探针的尖端与所述刺激线圈的中心位置重合。
如图3（b）所示，所述手持探针包括支撑杆和探针，所述支撑杆同侧间隔设置有跟踪定位标记物，分别作为第三标志物和第四标志物，所述第三标志物的截面大于所述第四标志物，所述支撑杆的长度大于所述探针的长度，第三标志物为中心对称结构；第三标志物为椭圆形的黑白棋盘格；第四标志物为圆形的黑白棋盘格；第三标志物与第四标志物之间的间隔可以根据实际情况设置。
所述头部绑带上固定有带椭圆形的跟踪定位标记物，作为第二标志物；所述第二标志物在受试者佩戴头部绑带时置于受试者头部的正前方；
所述视觉传感器包括摄影机、相机，其置于受试者头部的右前上方，用于采集所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，并发送至所述控制系统；
所述控制系统包括计算机、GPU，配置为结合所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，计算所述刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，作为第一位姿；基于所述第一位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿。
需要说明的是，上述实施例提供的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第二实施例的一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，如图 5、6、8 所示，基于上述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置，该方法包括以下步骤：
步骤 S100，在 MNI 标准空间中构建头皮表面的刺激线圈阵列位点和方向，并匹配到受试者个体脑空间，得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向；
步骤 S200，获取受试者个体脑部的结构磁共振影像，将所述结构磁共振影像与标准空间的脑网络组图谱进行影像空间配准，得到个体脑分区结果；将所述个体脑分区结果与个体脑空间的刺激线圈阵列位点、方向进行映射，得到头皮图谱映射图；
步骤 S300，结合所述头皮图谱映射图以及视觉传感器实时采集的受试者头部绑带上第一标志物的位姿，计算视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系；
步骤 S400，基于实时获取的线圈跟踪块的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿，作为实时位姿；
计算所述实时位姿与步骤S100中的得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向的差值，若差值大于设定差值阈值，则调整刺激线圈的位姿，并跳转至步骤S100。
为了更清晰地对本发明脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法进行说明，下面结合附图5、6、8对本发明方法一种实施例中各步骤进行展开详述。
步骤 S100，在 MNI 标准空间中构建头皮表面的刺激线圈阵列位点和方向，并匹配到受试者个体脑空间，得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向；
刺激线圈阵列位点和方向需要满足两个基本要求：第一，它为受试者个体目标调控脑区和头皮表面提供一对一的映射；第二，为了考虑群体层面个体间的解剖结构等差异，不同个体头皮上的每个线圈阵列位置在神经解剖学上基本一致。
线圈阵列位点是基于角度等分坐标系建立的，其基本思想在标准脑空间进行等角度比例划分，射线与头皮相交的点确定为标准空间的线圈阵列位点，然后将其配准至个体脑空间即可获得个体脑空间的线圈阵列位姿。在本实施例中，通过如下步骤在标准空间的头皮表面建立线圈阵列位点，如图4（a）所示：
步骤 S110，在 MNI 标准空间中的头皮表面标记解剖参考点；
本发明中解剖参考点至少为 3 个，在本实施例中，优选 4个解剖参考点，包括鼻根点 Nz、枕骨隆突点Iz、右外耳廓前顶点 APR、左外耳廓前顶点APL；其中，MNI 标准空间在本发明中优选使用MNI 152标准模板。
步骤 S120，获取连接 Nz 和 Iz 的曲线 l1及连接 APR 和 APL 的曲线 l2，并将l1 与 l2 相交的点确定为中央点 Cz，将 Cz 投射至 Nz、APR 平面获得 O 点；基于 O、Cz、Nz、APR 建立角度等分坐标系，O 为坐标系原点，Nz 为坐标系 x 轴正向，APR 为坐标系 y轴正向，Cz 为坐标系 z 轴正向；
步骤 S130，连接 Nz - Cz - Iz - O 点，并将 Nz - O - Iz 夹角以 α 为单位等分为 M 份，每个方向的射线与头皮表面相交的点确定为 p(i)；其中，p(1) 为 Nz 点，p(M+1) 为 Iz 点，M 为正整数；
步骤 S140，对各点 p(i)，连接 APL – p(i) – APR – O 点，并将夹角以 θ 为单位等分为 M 份，每个方向的射线与头皮表面相交的点确定为 p(i, j), 作为 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列位点；其中，p(i, 1) 为 APL 点，p(i, M+1) 为 APR 点。
基于以上步骤获得的 MNI 标准空间的线圈阵列位点 p(i,j)，然后将标准空间配准至个体脑空间即可获得个体脑空间的刺激线圈阵列位点。为了建立线圈方向，首先确定头皮曲面上的任意阵列点 p(i, j) 的法向量及切平面，然后将与医学影像后前位 PA 平行的方向定为 PA0，设定线圈方向的过程即为在切平面内将线圈中心绕着法向量旋转一定角度，如4（b）所示。刺激线圈方向建立的具体过程如下：
对每个刺激线圈阵列位点，通过拟合该刺激线圈阵列位点与周围相邻刺激线圈阵列位点的曲面，然后求解曲面上该阵列位点的朝头皮外方向的法线，根据该阵列位点的法线即可求解经过该位点并垂直法线的切平面；
将切平面与医学影像空间中矢状面从后向前的方向定义为 0 度方向，将 0 度方向平移至某一线圈阵列位点，即可定位该位点的 0 度方向，以该位点为原点，朝向矢状面的后向方位，表示为 PA0，基于 PA0 即可设定刺激线圈切平面内的其他方向角度。
其中，图5、图6、图7中的线圈头皮定位系统即个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向。
步骤 S200，获取受试者个体脑部的结构磁共振影像，将所述结构磁共振影像与标准空间的脑网络组图谱进行影像空间配准，得到个体脑分区结果；将所述个体脑分区结果与个体脑空间的刺激线圈阵列位点、方向进行映射，得到头皮图谱映射图；
在本实施例中，将标准空间的脑网络组图谱配准到受试者个体的结构磁共振影像空间（简称为脑影像空间），得到个体脑分区信息，即个体脑图谱，再将其投射至个体脑空间的刺激线圈阵列的位姿（即位点和方向），获得头皮图谱映射图，由此提供靶区定位，如图7所示。具体如下：
步骤S210，将脑网络组图谱与获取的个体脑部的结构磁共振影像进行影像空间配准，获得个体脑分区结果，由图谱获得个体各脑区的中心点和范围等信息；
步骤S220，基于个体脑区分区结果与个体脑空间的刺激线圈阵列进行头皮脑分区映射。本发明中优选计算个体脑空间的刺激线圈阵列中任意位点(p)与脑区任意皮质点(c)的距离，将与p点最小距离的皮质c点所属脑区(i)定义为头皮p点所属脑区(i)。
步骤 S300，结合所述头皮图谱映射图以及视觉传感器实时采集的受试者头部绑带上第一标志物的位姿，计算视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系；
在本实施例中，通过视觉传感器和手持探针建立物理空间受试者头部空间、脑影像空间、个体脑空间的刺激线圈阵列的对应关系，如图6所示，其中图6中的线圈空间即个体脑空间的刺激线圈阵列。具体如下：
步骤S310，根据所述头皮图谱映射图，获取结构磁共振影像对应的脑影像空间和
个体脑空间的刺激线圈阵列的转换关系
；在所述结构磁共振影像对应的脑影像空
间中采集头皮表面特征点
，结合
，将
转换为个体脑空间的刺激线圈阵列
中的坐标点
；
步骤S320，对受试者进行头部注册，即通过视觉传感器实时获取受试者头部绑带
上第二标志物在视觉传感器空间下的位姿，得到受试者头部空间与视觉传感器空间的转换
关系
；
步骤S330，根据
与受试者头部空间的头皮表面特征点的相对空间关系一致的原
理，结合
、
，得到脑影像空间与视觉传感器空间之间的转换关系
；结合
、
，得到视觉传感器空间与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系
；
步骤S340，通过手持探针采集头皮表面特征点
，手持探针针尖坐标即为头皮表
面特征点坐标，基于转换关系
可获得手持探针针尖在视觉传感器下的坐标
，该
坐标即为头皮表面特征点在视觉传感器下的坐标
；
基于个体脑空间的刺激线圈阵列与视觉传感器空间之间的转换关系
，计算视觉传感器下头皮表面特征点
在个体脑空间的刺激线圈阵列下的坐标
。
其中，步骤S310、步骤S340这两个步骤的参数
重合，是因为表示的是同一
个点。这两个步骤联合起来，就可以将影像空间的点转换到个体脑空间，S340可以将真实头
皮上的点转换到个体脑空间，由此实现3个空间任意点的配准。
通过步骤S320、步骤S330、步骤S340即可实现将真实被试头皮上的任意位点与个体脑空间的刺激线圈阵列下的位置配准，即操作者在个体脑空间的刺激线圈阵列中任意规划一个刺激线圈位置，都可以与被试空间的头皮位置配准。
步骤 S400，基于实时获取的线圈跟踪块的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿，作为实时位姿；
计算所述实时位姿与步骤S100中的得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向的差值，若差值大于设定差值阈值，则调整刺激线圈的位姿，并跳转至步骤S100。
在本实施例中，先获取的线圈跟踪块的中心位置在视觉传感器空间下的位姿。具体如下：
先建立第一标记物坐标系：在本实施例中，优选在刺激线圈的线圈跟踪快上第一标记物建立一个以线圈跟踪块的中心位置为原点的标记物坐标系；第一标记物坐标系的Z轴与线圈手柄方向平行， X轴与线圈水平方向平行，如图2(a)所示，通过视觉传感器可以获取第一标记物坐标系在视觉传感器空间下的位姿。
然后优选使用带有跟踪标记物的手持探针，通过视觉传感器可以获取探针尖端在视觉传感器下的坐标。将手持探针固定在刺激线圈上，且手持探针垂直于线圈表面，探针尖端与线圈中心位置重合，如图2(b)所示。
其中，手持探针的尖端在视觉传感器下的坐标的获取方法为：
在手持探针上，本发明通过黑白棋盘格可以构成一个Marker坐标系{HandMar}，
Marker坐标系原点到手持探针尖端的平移变换
已知，通过视觉传感器可以获取
Marker坐标系在视觉传感器坐标系{Cam}下的位姿
，进而可得到手持探针的尖端在
视觉传感器下的坐标
。
其中，手持探针对应的Marker坐标系的构建过程为：
通过视觉传感器，可以识别黑白棋盘格交叉点
，有两条假象的直线
在
的中心交叉。从
的中心向外看，左边黑色右边白色的是
，即图3（a）中的
，左边白色右边黑色的是
，即图3（a）中的
，
通常设计为彼此
垂直；如图3（a）所示；
垂直于两条
的单位矢量，位于
上的向量称为
。将两个
排在
一起，使得一个的
与另一个的
共线，则
端的
称为
的
，
端的
称为
的
，两个
构成一个
，其中一个
比另一个
长，两个
之间的角度在8~172度范围之内。每一个
都有自己的
坐标系，坐标系基于右手法则，它的原点位于较长的
的中间，
轴是从原点指向较长
矢量的
，
轴垂直于两个
，朝里指向
，而
轴方向则通过右手法则进行定
义，如图3（b）所示。
一个或多个
构成一个
，
用于固定在需要跟踪的物体表面，其
坐标系等同于与第一个
的坐标系。
这样通过视觉传感器可以获取
在视觉传感器坐标系下的坐标，还可以获取
原点在视觉传感器坐标系下的坐标以及
坐标系与视觉传感器坐标系的转换
关系。
最后，基于构建的第一标记物坐标系，获取第一标志物的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，即图2（c）的线圈注册过程；具体如下：
在视觉传感器视野范围内，同时采集预构建的第一标记物坐标系在视觉传感器空
间下的位姿
，以及手持探针尖端在视觉传感器下的坐标
；
计算手持探针尖端在所述第一标记物坐标系下的坐标
，所
以，刺激线圈的中心位置在所述第一标记物坐标系下的坐标为
=
；
取下刺激线圈上的手持探针及其固定装置，仅线圈跟踪块固定于刺激线圈上，由于刺
激线圈中心位置相对于第一标记物坐标系是固定不变的，所以
是定值，所以刺激线圈的
中心位置在视觉传感器空间下的坐标为
，又由于
，
所以刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿为
。
即通过视觉传感器实时获取线圈跟踪块上的第一标记物在视觉传感器空间下的
位姿，根据上述方法，可实时计算出刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿 
，再结合视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列的空间转换矩阵
，
可进一步计算刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿
，作为实时位
姿。
计算所述实时位姿与步骤S100中的得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向的差值，若差值大于设定差值阈值，则调整刺激线圈的位姿，并跳转至步骤S100，重新实现刺激线圈的位姿定位。
本发明第三实施例的一种设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法。
所述技术领域的技术人员可以清楚的了解到，未描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，本申请上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF 等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如 Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网（LAN）或广域网（WAN）—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨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/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，基于脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位装置，该装置包括：经颅磁刺激仪、视觉传感器和控制系统；所述控制系统分别通过通信链路与所述经颅磁刺激仪、所述视觉传感器连接；所述经颅磁刺激仪包括手柄、安装于手柄顶部的刺激线圈；所述刺激线圈一侧的中心位置安装有带圆形的跟踪定位标记物的线圈跟踪块，并将所述线圈跟踪块上的跟踪定位标记物作为第一标记物；所述跟踪定位标记物为黑白棋盘格；所述刺激线圈，用于接收所述控制系统下发的磁刺激强度，并按照该磁刺激强度产生所需的磁场强度；其特征在于，所述装置还包括：头部绑带和手持探针；所述手持探针包括支撑杆和探针，所述支撑杆同侧间隔设置有跟踪定位标记物，分别作为第三标志物和第四标志物，所述第三标志物的截面大于所述第四标志物，所述支撑杆的长度大于所述探针的长度；所述手持探针固定于所述刺激线圈的另一侧，且手持探针垂直于所述刺激线圈表面，手持探针的尖端与所述刺激线圈的中心位置重合；所述头部绑带上固定有带椭圆形的跟踪定位标记物，作为第二标志物；所述第二标志物在受试者佩戴头部绑带时置于受试者头部的正前方；所述视觉传感器置于受试者头部的右前上方，用于采集所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，并发送至所述控制系统；所述控制系统，配置为结合所述刺激线圈的线圈跟踪块上的第一标志物的位姿、所述头部绑带上第二标志物的位姿以及手持探针尖端的坐标，计算所述刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，作为第一位姿；基于所述第一位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿；该方法包括以下步骤：
步骤 S100，在 MNI 标准空间中构建头皮表面的刺激线圈阵列位点和方向，并匹配到受试者个体脑空间，得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向；
步骤 S200，获取受试者个体脑部的结构磁共振影像，将所述结构磁共振影像与标准空间的脑网络组图谱进行影像空间配准，得到个体脑分区结果；将所述个体脑分区结果与个体脑空间的刺激线圈阵列位点、方向进行映射，得到头皮图谱映射图；
步骤 S300，结合所述头皮图谱映射图以及视觉传感器实时采集的受试者头部绑带上第一标志物的位姿，计算视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系；
步骤 S400，基于实时获取的线圈跟踪块的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，结合所述视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，得到刺激线圈在个体脑空间的刺激线圈阵列中实时的位姿，作为实时位姿；
计算所述实时位姿与步骤S100中的得到个体脑空间的刺激线圈阵列位点和方向的差值，若差值大于设定差值阈值，则调整刺激线圈的位姿，并跳转至步骤S100。
2.根据权利要求 1 所述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，其特征在于，所述 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列位点的构建方法为：
步骤 S110，在 MNI 标准空间中的头皮表面标记解剖参考点，作为头皮表面特征点；所述解剖参考点包括鼻根点 Nz、枕骨隆突点 Iz、右外耳廓前顶点 APR、左外耳廓前顶点APL；
步骤 S120，获取连接 Nz 和 Iz 的曲线 l1 及连接 APR和 APL 的曲线 l2，并将 l1与l2 相交的点确定为中央点 Cz，将 Cz 投射至 Nz、APR 平面获得 O 点；基于 O、Cz、Nz、APR 建立角度等分坐标系，O 为坐标系原点，Nz 为坐标系 x 轴正向，APR 为坐标系 y 轴正向，Cz 为坐标系 z 轴正向；
步骤 S130，连接Nz - Cz - Iz - O 点，并将 Nz - O - Iz 夹角以 α 为单位等分为M 份，每个方向的射线与头皮表面相交的点确定为 p(i)；其中，p(1) 为 Nz 点，p(M+1)为Iz 点，M 为正整数；
步骤 S140，对各点 p(i)，连接 APL – p(i) – APR – O 点，并将夹角以 θ 为单位等分为 M 份，每个方向的射线与头皮表面相交的点确定为 p(i, j), 作为 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列位点；其中，p(i, 1) 为 APL 点，p(i, M+1) 为 APR 点。
3.根据权利要求2所述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，其特征在于，所述 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列方向的构建方法为：
确定 MNI 标准空间中头皮表面的刺激线圈阵列位姿的法向量及切平面；
将医学影像空间中矢状面从后向前的方向定义为 0 度方向，将 0 度方向平移至某一刺激线圈阵列位点，即可定位该位点的 0 度方向，以该位点为原点，朝向矢状面的后向方位，表示为 PA0，基于 PA0 即可设定刺激线圈切平面内的其他方向角度。
4.根据权利要求 1 中所述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，其特征在于，计算视觉传感器与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系，其方法为：
步骤S310，根据所述头皮图谱映射图，获取结构磁共振影像对应的脑影像空间和个体脑空间的刺激线圈阵列的转换关系
；在所述结构磁共振影像对应的脑影像空间中采集头皮表面特征点
，结合
，将
转换为个体脑空间的刺激线圈阵列中的坐标点
；
步骤S320，实时获取受试者头部绑带上第二标志物在视觉传感器空间下的位姿，得到受试者头部空间与视觉传感器空间的转换关系
；
步骤S330，根据
与受试者头部空间的头皮表面特征点的相对空间关系一致的原理，结合
、
，得到脑影像空间与视觉传感器空间之间的转换关系
；结合
、
，得到视觉传感器空间与个体脑空间的刺激线圈阵列之间的转换关系
。
5.根据权利要求 1 所述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，其特征在于，第一标志物的中心位置在视觉传感器空间下的位姿，其方法为：
在视觉传感器视野范围内，同时采集预构建的第一标记物坐标系在视觉传感器空间下的位姿
，以及手持探针尖端在视觉传感器下的坐标
；
计算手持探针尖端在所述第一标记物坐标系下的坐标
，所以，刺激线圈的中心位置在所述第一标记物坐标系下的坐标为
=
；
取下刺激线圈上的手持探针及其固定装置，仅线圈跟踪块固定于刺激线圈上，由于刺激线圈中心位置相对于第一标记物坐标系是固定不变的，所以
是定值，所以刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的坐标为
，又由于
，所以刺激线圈的中心位置在视觉传感器空间下的位姿为
。
6.根据权利要求 5所述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法，其特征在于，所述第一标记物坐标系为以线圈跟踪块的中心位置为原点，以与线圈手柄方向平行的方向作为Z轴，以与刺激线圈水平方向平行的方向作为X轴的坐标系。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-6任一项所述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-6任一项所述的脑图谱导航的经颅磁刺激线圈位姿定位方法。
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