CN114279435B - 定位导航方法和可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双目摄像机的定位导航方法和可读存储介质，属于经颅磁医疗设备领域。该定位导航方法包括获取用于刺激线圈的空间数据与可视化线圈模型的空间数据之间相互转换的第一变换数据；获取用于患者头部的空间数据与可视化头部模型的空间数据之间相互转换的第二变换数据；根据第一变换数据和第二变换数据获取刺激线圈与患者头部信息之间的相对位置关系，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角；和/或以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。该定位导航方法允许双目摄像机在导航过程中在操作范围内任意移动而不影响导航过程，并允许在同一视窗下展示多个导航视图，增加了操作过程中的灵活性。

Description

定位导航方法和可读存储介质

技术领域

本发明涉及经颅磁医疗设备领域，特别涉及一种基于双目摄像机的定位导航方法和一种可读存储介质。

背景技术

经颅磁刺激(TMS)技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑)，改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术，具有无创、无痛、安全的特点，可用于刺激脑神经、神经根及外周神经。目前广泛用在神经科学、脑科学研究领域和临床疾病的诊断和治疗。

然而在临床应用经颅磁刺激治疗时存在诸多困难，极大的约束了经颅磁刺激技术在精神类和神经类疾病的治疗领域的应用和推广。举例来说，TMS刺激线圈的定位依赖医生经验和技术，主观性较强，刺激线圈放置不准确将影响治疗效果。而且，放置刺激线圈的过程中，患者的大脑结构不可见，而每个人的头部结构不同，定位帽不具有通用性，精度太差。另外，经颅磁刺激治疗每次治疗时间持续15至30分钟，在此过程中，如果患者头部稍有移动，将导致刺激线圈的放置位置发生变化。若将患者头部固定，随着刺激时间的增长，肌肉收缩紧张，患者会感到不适。

光学辅助导航是一种具有代表性的商业化的TMS导航系统。例如，可以利用光学跟踪装置与六轴机器人组成TMS机器人治疗系统。该系统利用机器人夹持刺激线圈，光学跟踪装置由支架固定，在试验者头部固定标记物，用于光学跟踪装置定位头部坐标。

使用光学导航定位系统能够实现经颅磁刺激治疗过程的可视化操作，在一定程度上提高刺激线圈定位的准确性。然而，目前的光学导航定位系统在操作上相对繁琐，如果摄像机被勿触碰可能导致重新注册的问题等。而且，目前的导航定位系统的可视化操作视角单一，不便操作。使用人脸识别和点云匹配的导航定位系统精度没有光学导航精度高(光学导航精度在0.2mm)，在一定程度上减少了人工操作，但同时也引入了更多误差(例如，线圈遮挡人脸点云带来的匹配误差)，并且带来了更复杂的使用问题(例如，有些算法需要患者头部固定)。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种基于双目摄像机的定位导航方法和一种可读存储介质。本发明的定位导航方法和可读存储介质允许双目摄像机在导航过程中在操作范围内任意移动而不影响导航过程，解决了摄像机被勿触碰可能导致重新注册的问题，简化了使用过程，便于用户(例如，医生)进行操作。

本发明的一个目的是提供了一种基于双目摄像机的定位导航方法。

本发明的另一目的是提供了一种可读存储介质。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于双目摄像机的定位导航方法，所述定位导航方法适用于经颅磁刺激治疗仪，所述定位导航方法包括：

步骤S1获取用于刺激线圈的空间数据与可视化线圈模型的空间数据之间相互转换的第一变换数据；

步骤S2获取用于患者头部的空间数据与可视化头部模型的空间数据之间相互转换的第二变换数据；

步骤S3根据第一变换数据和第二变换数据获取刺激线圈与患者头部信息之间的相对位置关系，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角；和/或以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。

具体地，在步骤S3中，展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角的方法包括以下步骤：

步骤S31基于第一变换数据将可视化线圈模型坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的刺激线圈初始姿态坐标系下；

步骤S32基于双目摄像机采集的刺激线圈的信息将双目摄像机下的刺激线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下；

步骤S33基于双目摄像机采集的患者头部的信息将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

步骤S34基于第二转换数据将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到可视化头部模型坐标系下，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角。

进一步地，步骤S32还包括使用双目摄像机实时获取双目摄像机下的刺激线圈的第i姿态矩阵和患者头部的第j姿态矩阵，

在步骤S32中，基于刺激线圈的第i姿态矩阵将双目摄像机下的刺激线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33中，基于患者头部的第j姿态矩阵将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下。

进一步地，在本发明的基于双目摄像机的定位导航方法中，

第一变换数据包括第一变换矩阵，

第二变换数据包括第二变换矩阵，

在步骤S31中，通过可视化线圈模型的坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘第一变换矩阵的逆矩阵，将可视化线圈模型的坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

在步骤S32中，通过将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘刺激线圈的第i姿态矩阵，将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33中，通过将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘患者头部的第j姿态矩阵的逆矩阵，将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

在步骤S34中，通过将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘所述第二变换矩阵，将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到可视化头部模型的坐标系下，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角。

具体地，在步骤S3中，展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角的方法包括以下步骤：

步骤S31’基于第二变换数据将可视化头部模型坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

步骤S32’基于双目摄像机采集的患者头部的信息将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下；

步骤S33’基于双目摄像机采集的刺激线圈的信息将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

步骤S34’基于第一变换数据将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到可视化线圈模型的坐标系下，以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。

进一步地，步骤S32’还包括使用双目摄像机实时获取双目摄像机下的刺激线圈的第k姿态矩阵和患者头部的第l姿态矩阵；

在步骤S32’中，基于患者头部的第l姿态矩阵将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33’中，基于刺激线圈的第k姿态矩阵将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下。

进一步地，在本发明的基于双目摄像机的定位导航方法中，

第一变换数据包括第一变换矩阵，

第二变换数据包括第二变换矩阵，

在步骤S31’中，通过可视化头部模型的坐标系下的可视化头部模型的数据左乘第二变换矩阵的逆矩阵，将可视化头部模型的坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

在步骤S32’中，通过双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据左乘患者头部的第l姿态矩阵，将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33’中，通过摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据左乘刺激线圈的第k姿态矩阵的逆矩阵，将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

在步骤S34’中，通过双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据左乘所述第一变换矩阵，将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到可视化线圈模型的坐标系下，以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。

具体地，在步骤S1中，获取用于刺激线圈的空间数据与可视化线圈模型的空间数据之间相互转换的第一变换数据包括以下步骤：

步骤S11在可视化线圈模型的坐标系中标定至少一个第一参考点的位置；

步骤S12实时获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息；

步骤S13将步骤S12获得的位置信息转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

步骤S14利用步骤S13获得的位置信息和至少一个第一参考点的位置确定所述第一变换数据。

进一步地，在步骤S12中，实时获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息包括以下步骤：

步骤S121根据所述至少一个第一参考点的位置，在刺激线圈上标定至少一个第一标记点的位置；

步骤S122提供定位工具并确定定位工具的初始位置坐标；

步骤S123使用双目摄像机实时获取在所述定位工具位于所述至少一个第一标记点时的双目摄像机下的定位工具的第一姿态矩阵和刺激线圈的第二姿态矩阵；

步骤S124将定位工具的初始位置坐标左乘第一姿态矩阵获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S13中，将步骤S124获得的位置坐标左乘第二姿态矩阵的逆矩阵获得至少一个第一参考点在双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S14中，使用四元数算法或奇异值分解算法求解所述第一变换数据。

具体地，在步骤S2中，获取用于患者头部的空间数据与可视化头部模型的空间数据之间相互转换的第二变换数据包括以下步骤：

步骤S21在可视化头部模型的坐标系中标定至少一个第二参考点的位置；

步骤S22实时获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息；

步骤S23将步骤S22获得的位置信息转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

步骤S24利用步骤S23获得的位置信息和至少一个第二参考点的位置确定所述第二变换数据。

进一步地，在步骤S22中，实时获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息包括以下步骤：

步骤S221根据所述至少一个第二参考点的位置，在患者头部上标定至少一个第二标记点的位置；

步骤S222提供定位工具并确定定位工具的初始位置坐标；

步骤S223使用双目摄像机实时获取在所述定位工具位于所述至少一个第二标记点时的双目摄像机下的定位工具的第五姿态矩阵和患者头部的第六姿态矩阵；

步骤S224将所述定位工具的初始位置坐标左乘第五姿态矩阵获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S23中，将步骤S224中获得的位置坐标左乘第六姿态矩阵的逆矩阵获得至少一个第二参考点在双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S24中，使用四元数算法或奇异值分解算法求解所述第二变换数据。

根据本发明的另一方面，提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现上述实施例中任一实施例所述的基于双目摄像机的定位导航方法。

根据本发明的定位导航方法和可读存储介质具有以下优点中的至少一个：

(1)本发明的定位导航方法和可读存储介质允许双目摄像机在导航过程中在操作范围内任意移动而不影响导航过程，解决了摄像机被勿触碰可能导致重新注册的问题，简化了使用过程，便于用户(例如，医生)进行操作；

(2)本发明的定位导航方法和可读存储介质允许用户根据自己的需要展示导航视图，例如可以同一视窗下展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角和患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角，增加了操作过程中的灵活性，能够更有效地实现追踪，避免了一种视角的单一方式。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的基于双目摄像机的定位导航方法；

图2示出了根据本发明的实施例的确定双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系与可视化线圈模型的坐标系之间的第一变换数据的流程；

图3示出了根据本发明的实施例的确定双目摄像机下的头部初始姿态坐标系与可视化头部模型的坐标系之间的第二变换数据的流程；

图4示出了根据本发明的实施例的展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角的方法；

图5示出了根据本发明的实施例的展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角的方法。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

在本发明的实施例中，提供了一种基于双目摄像机的定位导航方法。该定位导航方法适用于经颅磁刺激治疗仪。如图1所示，所述基于双目摄像机的定位导航方法包括：步骤S1：获取用于刺激线圈的空间数据与可视化线圈模型的空间数据之间相互转换的第一变换数据；步骤S2：获取用于患者头部的空间数据与可视化头部模型的空间数据之间相互转换的第二变换数据；步骤S3：根据第一变换数据和第二变换数据获取刺激线圈与患者头部信息之间的相对位置关系，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角；和/或以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。

本发明的实施例直接获取了刺激线圈和患者头部信息之间的相对位置关系，从而允许摄像机在导航过程中在操作范围内任意移动，不需要在摄像机移动后重新进行注册操作，避免了被勿碰撞或者因视野需要移动摄像机时造成的重复操作，增加了导航的稳定性。

本发明的实施例获取了刺激线圈和患者头部信息之间的相对位置关系，从而允许用户根据需要选择相应的导航视图。例如，用户可以根据所述相对位置关系在同一视窗下展示刺激线圈相对于患者头部运动和患者头部相对于刺激线圈运动的两种可视化视角，以便用户灵活调整刺激线圈或患者头部位置。而且，两种可视化视角能够为用户提供更精准、更便捷的导航指导，提高了处理效率和处理效果。

具体地，在步骤S1中，通过注册刺激线圈来获取第一变换数据，并包括以下步骤：

构建双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系和可视化线圈模型的坐标系；确定双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系与可视化线圈模型的坐标系之间的第一变换数据。在该示例中，利用第一变换数据表示刺激线圈与可视化线圈模型之间的位置对应关系。

进一步地，如图2所示，确定双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系与可视化线圈模型的坐标系之间的第一变换数据包括以下步骤：

步骤S11：在可视化线圈模型的坐标系中标定至少一个第一参考点的位置。可以设置1个、2个、3个、4个或更多的第一参考点。

步骤S12：实时获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息。

步骤S13：将步骤S12获得的位置信息转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下。

步骤S14：利用步骤S13获得的位置信息和至少一个第一参考点的位置确定所述第一变换数据。

进一步地，在步骤S12中，实时获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息包括以下步骤：

步骤S121：根据至少一个第一参考点的位置，在刺激线圈上标定至少一个第一标记点的位置。可以使得可视化线圈模型和刺激线圈的形状相同。优选地，使得至少一个第一标记点的数目与至少一个第一参考点的数目相同。优选地，使得至少一个第一标记点与至少一个第一参考点的相对位置对应。例如，可以设置4个第一标记点，所述4个第一标记点的坐标分别为(1，0，0)、(-1，0，0)、(0，1，0)和(0，-1，0)；同时设置4个第一参考点，所述4个第一参考点的坐标也分别为(1，0，0)、(-1，0，0)、(0，1，0)和(0，-1，0)。

步骤S122：提供定位工具(例如探针)并确定定位工具的初始位置(例如，在双目摄像机下的定位工具的坐标系中的定位工具的初始位置坐标T₀₀)。优选地，可以确定定位工具尖端的初始位置(例如，初始位置坐标)。可以将定位工具尖端位于目标点，以获得目标点的位置信息。所述目标点包括第一标记点、第二验证点、第二标记点和第四验证点(后文将详细描述)。定位工具有助于获得第一参考点(或第一验证点、或第二参考点、或第三验证点)在摄像机坐标系下对应的位置信息(例如，位置坐标)。可替代地，可以通过其他方式获得所述位置信息(例如，位置坐标)。

步骤S123：使用双目摄像机实时获取在定位工具位于至少一个第一标记点时的双目摄像机下的定位工具的第一姿态矩阵Z₁₁和刺激线圈的第二姿态矩阵Z₂₁。具体地，将定位工具和刺激线圈移动到双目摄像机的视野下，然后利用双目摄像机实时获取所述的第一姿态矩阵Z₁₁和第二姿态矩阵Z₂₁。

步骤S124：将定位工具的初始位置坐标T₀₀左乘第一姿态矩阵Z₁₁获得在摄像机坐标系下的定位工具的位置坐标(即，至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置坐标)T₁₀。

在步骤S13中：将定位工具的位置坐标T₁₀左乘第二姿态矩阵的逆矩阵Z₂₁ ^-1获得在双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的定位工具的位置坐标(即，至少一个第一参考点在双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下对应的位置坐标)T₂₀。

在步骤S14中，使用四元数算法或奇异值分解(SVD)算法求解第一变换数据。在一示例中，第一变换数据包括第一变换矩阵B₁。具体地，使用四元数算法或SVD算法，根据双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的定位工具的初始位置坐标T₂₀和在可视化线圈模型的坐标系下的第一参考点的坐标，来计算从刺激线圈的位置坐标变换到第一参考点的坐标的第一变换矩阵B₁。

在本发明的实施例中，利用定位工具的初始位置和标定的第一参考点位置来计算刺激线圈和可视化线圈模型之间的位置对应关系，从而即使双目摄像机在操作范围内移动位置，也不需要重新注册的过程。因此，本发明的定位导航方法简化了操作流程，增加了设备的便利性。

在本发明的实施例中，位置坐标为4×1矩阵，例如(x_i,y_i,z_i,1)^T。姿态矩阵为4×4矩阵，例如，R表示3×3的旋转矩阵，T表示3×1的平移矩阵。在获得转置的姿态矩阵时，本发明的实施例也可以将转置的位置坐标乘以转置的姿态矩阵来进行坐标变换。

进一步地，如图2所示，在步骤S1中，通过注册刺激线圈来获取第一变换数据还包括以下步骤：

步骤S15：在可视化线圈模型的坐标系中标定第一验证点的位置。可以设置一个第一验证点，例如选择可视化线圈模型的坐标系中的(0,0,0)作为第一验证点。然而，本领域技术人员清楚的是，也可以选择其他位置坐标，或者选择两个、三个或更多个第一验证点。

步骤S16：根据第一验证点的位置，在刺激线圈上标定第二验证点的位置，其中第一验证点在可视化线圈模型的坐标系中的位置与第二验证点的位置对应。可以设置一个、两个、三个或更多个第二验证点。第一验证点的数目与第二验证点的数目相等。例如，当第一验证点为可视化线圈模型的坐标系中的(0,0,0)时，第二验证点为双目摄像机下的刺激线圈初始姿态的坐标系中的(0,0,0)。

步骤S17：使用第一变换数据将定位工具的初始位置转换到可视化线圈模型的坐标系下，计算第一验证点的位置和可视化线圈模型的坐标系下的定位工具的位置之间的欧氏距离，并根据所述欧氏距离判断刺激线圈是否注册成功。

在一示例中，判断刺激线圈是否注册成功包括以下步骤：

步骤S171：使得定位工具位于第二验证点处，将定位工具和刺激线圈移动到双目摄像机的视野下，并使用双目摄像机获取在定位工具位于第二验证点时的双目摄像机下的定位工具的第三姿态矩阵Z₁₂和刺激线圈的第四姿态矩阵Z₂₂；

步骤S172：将定位工具的初始位置坐标T₀₀左乘第三姿态矩阵Z₁₂获得在摄像机的坐标系下的定位工具的位置坐标T₁₁；

步骤S173：将定位工具的位置坐标T₁₁左乘第四姿态矩阵的逆矩阵Z₂₂ ^-1获得在摄像机下的刺激线圈初始姿态的坐标系下的定位工具的位置坐标T₂₁；

步骤S174：将定位工具的位置坐标T₂₁左乘第一变换矩阵B₁获得在可视化线圈模型的坐标系下的定位工具的位置坐标T₃₁；

步骤S175：计算定位工具的位置坐标T₃₁和第一验证点的位置坐标的欧氏距离d₁；

步骤S176：判断欧氏距离d₁与设定阈值(具体地大于0mm且小于等于2mm，优选地在0.5-1.5mm之间，更优选地为1mm)的大小，在欧氏距离d₁小于等于设定阈值时，则注册刺激线圈成功，并执行步骤S2；在欧氏距离d₁大于设定阈值时，则注册刺激线圈失败，返回并执行步骤S1。

例如，第一验证点的位置坐标为(x₁，y₁，z₁)，定位工具的位置坐标T₃₁为(x₂，y₂，z₂)，那么欧氏距离

在一个实施例中，在步骤S2中，通过注册患者头部信息来获取第二变换数据，并包括以下步骤：

构建双目摄像机下的头部初始姿态坐标系和可视化头部模型的坐标系；确定双目摄像机下的头部初始姿态坐标系与可视化头部模型的坐标系之间的第二变换数据。

在一个示例中，可视化头部模型为核磁共振成像(MRI)数据所形成的模型。所述核磁共振成像包括患者的T1加权成像、T2加权成像、扩散加权成像和弥散张量成像中的任一种。例如，可视化头部模型为T1加权成像，其是3维图像。

进一步地，如图3所示，确定双目摄像机下的头部初始姿态坐标系与可视化头部模型的坐标系之间的第二变换数据包括以下步骤：

步骤S21：在可视化头部模型的坐标系中标定至少一个第二参考点的位置。可以设置1个、2个、3个、4个或更多的第二参考点。

步骤S22：实时获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息；

步骤S23：将步骤S22获得的位置信息转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

步骤S24：利用步骤S23获得的位置信息和至少一个第二参考点的位置确定所述第二变换数据。

进一步地，在步骤S22中，实时获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息包括以下步骤：

步骤S221：根据所述至少一个第二参考点的位置，在患者头部上标定至少一个第二标记点的位置。可以使得可视化头部模型和患者头部的形状相同。优选地，使得至少一个第二标记点的数目与至少一个第二参考点的数目相同。优选地，使得至少一个第二标记点的位置与至少一个第二参考点的位置对应。例如，可以设置4个第二标记点，所述4个第二标记点分别为左右耳珠、鼻根和鼻尖所对应的坐标。

步骤S222：提供定位工具(例如探针)并确定定位工具的初始位置(例如，在双目摄像机下的定位工具的坐标系中的定位工具的初始位置坐标T₀₀)。优选地，可以确定定位工具尖端的初始位置(例如，初始位置坐标)。可以将定位工具尖端位于第二标记点，以有助于获得第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息。可替代地，可以通过其他方式获得所述位置信息(例如，位置坐标)。

步骤S223：使用双目摄像机实时获取在定位工具位于所述至少一个第二标记点时的双目摄像机下的定位工具的第五姿态矩阵Z₁₃和患者头部的第六姿态矩阵Z₂₃。具体地，将定位工具和患者头部移动到双目摄像机的视野下，然后利用双目摄像机实时获取第五姿态矩阵Z₁₃和第六姿态矩阵Z₂₃。

步骤S224：将定位工具的初始位置坐标T₀₀左乘第五姿态矩阵Z₁₃获得在摄像机坐标系下的定位工具的位置坐标(即，至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置坐标)T₁₂。

在步骤S23中，将定位工具的位置坐标(至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置坐标)T₁₂左乘第六姿态矩阵的逆矩阵Z₂₃ ^-1获得在双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的定位工具的位置坐标(即，至少一个第二参考点在双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下对应的位置坐标)T₄₂。

在步骤S24中，使用四元数算法或奇异值分解算法求解第二变换数据。在一示例中，第二变换数据包括第二变换矩阵B₂。具体地，使用四元数算法或SVD算法，根据双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的定位工具的初始位置坐标T₄₂和在可视化头部模型的坐标系下的第二参考点的坐标，来计算从患者头部的位置坐标变换到第二参考点的坐标的第二变换矩阵B₂。

在本发明的实施例中，利用定位工具的初始位置和标定的第二参考点位置来计算患者头部和可视化头部模型之间的位置对应关系，从而即使双目摄像机在操作范围内移动位置，也不需要重新注册的过程。因此，本发明的定位导航方法简化了操作流程，增加了设备的便利性。

进一步地，如图3所示，在步骤S2中，通过注册患者头部信息来获取第二变换数据还包括以下步骤：

步骤S25：在可视化头部模型的坐标系中标定第三验证点的位置。可以设置一个第三验证点，例如选择可视化头部模型的坐标系中的嘴巴对应的位置坐标作为第三验证点。然而，本领域技术人员清楚的是，也可以选择其他位置坐标(例如，鼻翼两侧对应的位置坐标)，或者选择两个、三个或更多个第三验证点。

步骤S26：根据第三验证点的位置，在患者头部上标定第四验证点的位置，其中第三验证点在可视化头部模型的坐标系中的位置与第四验证点的位置对应。可以设置一个、两个、三个或更多个第四验证点。第三验证点的数目与第四验证点的数目相等。例如，当选择可视化头部模型的坐标系中的嘴巴所对应的坐标作为第三验证点时，可以选择患者头部的嘴巴所对应的坐标作为第四验证点。

步骤S27：使用第二变换数据将定位工具的初始位置转换到可视化头部模型的坐标系下，计算第三验证点的位置和可视化头部模型的坐标系下的定位工具的位置之间的欧氏距离，并根据所述欧氏距离判断患者头部信息是否注册成功。

判断患者头部信息是否注册成功的步骤与判断刺激线圈是否注册成功的步骤类似，在此不再进行赘述。

如图4所示，展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角的方法包括以下步骤：

步骤S31：基于第一变换数据将可视化线圈模型的坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下。例如，第一变换数据包括第一变换矩阵B₁。可以通过可视化线圈模型的坐标系中可视化线圈模型的数据左乘第一变换矩阵的逆矩阵B₁ ^-1，将可视化线圈模型的坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下。

步骤S32：基于双目摄像机采集的刺激线圈的信息将双目摄像机下的刺激线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下。例如，使用双目摄像机实时获取双目摄像机下的刺激线圈的第i姿态矩阵Z_1i和患者头部的第j姿态矩阵Z_2j，以采集刺激线圈和患者头部的信息。进一步地，通过将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘刺激线圈的第i姿态矩阵Z_1i，将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下。

步骤S33：基于双目摄像机采集的患者头部的信息(例如患者头部的第j姿态矩阵Z_2j)将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下。例如，通过将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘患者头部的第j姿态矩阵的逆矩阵Z_2j ^-1，将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下。

步骤S34：基于第二转换数据将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到可视化头部模型坐标系下，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角。例如，第二变换数据包括第二变换矩阵B₂。可以通过将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘第二变换矩阵B₂，将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到可视化头部模型的坐标系下，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角。

在本发明的实施例中，利用第一变换数据(例如第一变换矩阵)和第二变换数据(例如第二变换矩阵)，以将可视化线圈模型的坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到可视化头部模型的坐标下，从而可以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角。所以本发明的导航定位方法能够为用户提供刺激线圈相对于患者头部运动的导航视图，以便于用户在该视角中找到目标位置。

如图5所示，展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角的方法包括以下步骤：

步骤S31’：基于第二变换数据将可视化头部模型坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下。例如，第二变换数据包括第二变换矩阵B₂。可以通过可视化头部模型的坐标系下的可视化头部模型的数据左乘第二变换矩阵的逆矩阵B₂ ^-1，将可视化头部模型的坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下。

步骤S32’：基于双目摄像机采集的患者头部的信息将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下。例如，使用双目摄像机实时获取双目摄像机下的刺激线圈的第k姿态矩阵Z_1k和患者头部的第l姿态矩阵Z_2l。进一步地，通过双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据左乘患者头部的第l姿态矩阵Z_2l，将双目摄像机下的患者头部初始姿态的坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下。

步骤S33’：基于双目摄像机采集的刺激线圈的信息(例如，刺激线圈的第k姿态矩阵Z_1k)将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下。例如，通过摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据左乘刺激线圈的第k姿态矩阵的逆矩阵Z_2k ^-1，将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下。

步骤S34’：基于第一变换数据将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到可视化线圈模型的坐标系下，以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。例如，第一变换数据包括第一变换矩阵B₁。可以通过双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据左乘所述第一变换矩阵B₁，将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到可视化线圈模型的坐标系下，以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。

在本发明的实施例中，利用第一变换数据(例如第一变换矩阵)和第二变换数据(例如第二变换矩阵)，以将可视化线圈模型的坐标系下的可视化头部模型的数据转换到可视化线圈模型的坐标下，从而可以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。所以本发明的导航定位方法能够为用户提供患者头部相对于刺激线圈运动的导航视图，以便于用户在该视角中找到目标位置。

因此，本发明的实施例的导航定位方法允许用户根据需要选择患者头部相对于刺激线圈运动的导航视图和刺激线圈相对于患者头部运动的导航视图中的一个或两个，以增加使用的灵活性。

在本发明的实施例中，提供了一种可读存储介质。所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现上述实施例中任一实施例所述的定位导航方法。

本发明的实施例的“可读存储介质”是指参与向处理器提供程序或指令以供执行的任何介质。所述介质可以采用多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘或磁盘，诸如存储设备。易失性介质包括动态存储器，诸如主存储器。传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含总线的导线。传输介质还可以采用声波或光波的形式，诸如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间生成的声波或光波。可读存储介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何具有孔图案的其他物理介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、如下所述的载波、或计算机可从其中进行读取的任何其他介质。

在本发明的实施例中，提供了一种定位导航系统。所述定位导航系统适用于经颅磁刺激治疗仪。所述定位导航系统包括信号采集装置、显示装置和分别与信号采集装置和显示装置进行数据传输的服务端。信号采集装置用于采集刺激线圈和患者头部的数据。信号采集装置包括能够与服务端进行数据传输的双目摄像机。例如，双目摄像机能够实施获取刺激线圈和患者头部的姿态矩阵，以便于进行不同坐标系下的数据的转换。显示装置用于展示可视化线圈模型和可视化头部模型。显示装置包括计算机显示屏幕或图形用户界面。服务端被配置成能够执行根据前述实施例所述的可读存储介质中的程序或指令。

通过上述定位导航方法，本发明的定位导航系统允许在导航过程中移动双目摄像机，而不需要重新注册，从而便于用户的操作。

在本发明的实施例中，提供了一种经颅磁刺激治疗仪。该经颅磁刺激治疗仪包括刺激线圈。刺激线圈可以在快速变换的电流作用下产生时变磁场，时变磁场在颅内进一步引起感应电流，产生的感应电流使神经原模电位产生变换，使得神经元兴奋或抑制，以达到治疗的效果。刺激线圈的形状可以为圆形、8字形、H形、锥子形中的任一种。

刺激线圈包括光学跟踪构件，以允许刺激线圈的信息被信号采集装置捕获到。例如，刺激线圈包括4-8个(优选地4-6个)光学跟踪构件和支撑光学跟踪构件的第一支架。在一示例中，光学跟踪构件和第一支架设置在刺激线圈的背面。光学跟踪构件可以包括反射红外光的反光球。信号采集装置能够接收到反光球反射的红外光，从而获取到刺激线圈的信息(例如，姿态矩阵)。在一示例中，可以在刺激线圈中选择相应的点作为第一标定点，并使用凹槽的贴纸粘附，以便于获取刺激线圈的信息。

该经颅磁刺激治疗仪包括设于患者头部的探测装置。探测装置能够允许获取患者头部的信息。探测装置包括光学跟踪构件，以允许患者头部的信息被信号采集装置捕获到。例如，探测装置可以为头戴装置。在一示例中，探测装置包括4-8个(优选地4-6个)光学跟踪构件和支撑光学跟踪构件的第二支架。第一支架与第二支架不同，以便于信号采集装置区分刺激线圈和探测装置。光学跟踪构件可以包括反射红外光的反光球。信号采集装置能够接收到反光球反射的红外光，从而获取到患者头部的信息(例如，姿态矩阵)。在一示例中，可以在患者头部上选择相应的点作为第二标定点，并使用凹槽的贴纸粘附，以便于获取患者头部的信息。

该经颅磁刺激治疗仪包括可读存储介质，该可读存储介质通过处理器与刺激线圈和探测装置通信。所述可读存储介质为前述实施例中任一实施例所述的可读存储介质。

该经颅磁刺激治疗仪包括定位导航系统，该定位导航系统分别与刺激线圈和探测装置通信。所述定位导航系统为前述实施例中任一实施例所述的定位导航系统。

可选地，所述经颅磁刺激治疗仪还包括探针。探针可以获取刺激线圈和患者头部的位置信息。例如，可以将探针(例如探针尖端)放在刺激线圈的第一标定点或患者头部的第二标定点上，并使用信号采集装置(例如双目摄像机)获取探针的位置信息，经过转换后可以间接地获得刺激线圈或患者头部的位置信息。在一示例中，探针包括4-8个(优选地4-6个)光学跟踪构件和支撑光学跟踪构件的第三支架。光学跟踪构件可以包括反射红外光的反光球。信号采集装置能够接收到反光球反射的红外光，从而获取到探针的信息(例如，姿态矩阵)。

在一示例中，经颅磁刺激治疗仪在定位导航过程中利用了探针尖端的位置信息。例如，探针包括4个反光球，可以在工装过程中测量出每个反光球与探针尖端的距离，从而可以获得探针尖端在探针坐标系下的初始位置坐标。由此，用户可以方便地获得探针尖端的位置坐标。

本发明的经颅磁刺激治疗仪允许摄像机在导航过程中在操作范围内任意移动，不需要在摄像机移动后重新进行注册操作，避免了被勿碰撞或者因视野需要移动摄像机时造成的重复操作，增加了导航的稳定性。

本发明的经颅磁刺激治疗仪允许用户根据需要选择相应的导航视图，例如，可以同屏展示两种可视化视角，以便用户随时调整刺激线圈或患者头部位置。而且，两种可视化视角能够位用户提供更精准、更便捷的导航指导，提高了处理效率和处理效果。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (11)

1.一种基于双目摄像机的定位导航方法，所述定位导航方法适用于经颅磁刺激治疗仪，所述定位导航方法包括：

步骤S1获取用于刺激线圈的空间数据与可视化线圈模型的空间数据之间相互转换的第一变换数据；

步骤S2获取用于患者头部的空间数据与可视化头部模型的空间数据之间相互转换的第二变换数据；

步骤S3根据第一变换数据和第二变换数据获取刺激线圈与患者头部信息之间的相对位置关系，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角；和/或以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角，

在步骤S3中，展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角的方法包括以下步骤：

步骤S31基于第一变换数据将可视化线圈模型坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

步骤S32基于双目摄像机采集的刺激线圈的信息将双目摄像机下的刺激线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下；

步骤S33基于双目摄像机采集的患者头部的信息将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

步骤S34基于第二转换数据将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到可视化头部模型坐标系下，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角。

2.根据权利要求1所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

步骤S32还包括使用双目摄像机实时获取双目摄像机下的刺激线圈的第i姿态矩阵和患者头部的第j姿态矩阵，

在步骤S32中，基于刺激线圈的第i姿态矩阵将双目摄像机下的刺激线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33中，基于患者头部的第j姿态矩阵将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下。

3.根据权利要求2所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

第一变换数据包括第一变换矩阵，

第二变换数据包括第二变换矩阵，

在步骤S31中，通过可视化线圈模型的坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘第一变换矩阵的逆矩阵，将可视化线圈模型的坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

在步骤S32中，通过将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘刺激线圈的第i姿态矩阵，将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33中，通过将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘患者头部的第j姿态矩阵的逆矩阵，将摄像机坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

在步骤S34中，通过将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据左乘所述第二变换矩阵，将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化线圈模型的数据转换到可视化头部模型的坐标系下，以展示刺激线圈相对于患者头部运动的可视化视角。

4.根据权利要求1所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

在步骤S3中，展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角的方法包括以下步骤：

步骤S31’基于第二变换数据将可视化头部模型坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

步骤S32’基于双目摄像机采集的患者头部的信息将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下；

步骤S33’基于双目摄像机采集的刺激线圈的信息将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

步骤S34’基于第一变换数据将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到可视化线圈模型的坐标系下，以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。

5.根据权利要求4所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

步骤S32’还包括使用双目摄像机实时获取双目摄像机下的刺激线圈的第k姿态矩阵和患者头部的第l姿态矩阵；

在步骤S32’中，基于患者头部的第l姿态矩阵将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33’中，基于刺激线圈的第k姿态矩阵将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下。

6.根据权利要求5所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

第一变换数据包括第一变换矩阵，

第二变换数据包括第二变换矩阵，

在步骤S31’中，通过可视化头部模型的坐标系下的可视化头部模型的数据左乘第二变换矩阵的逆矩阵，将可视化头部模型的坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

在步骤S32’中，通过双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据左乘患者头部的第l姿态矩阵，将双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到摄像机坐标系下；

在步骤S33’中，通过摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据左乘刺激线圈的第k姿态矩阵的逆矩阵，将摄像机坐标系下的可视化头部模型的数据转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

在步骤S34’中，通过双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据左乘所述第一变换矩阵，将双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下的可视化头部模型的数据转换到可视化线圈模型的坐标系下，以展示患者头部相对于刺激线圈运动的可视化视角。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

在步骤S1中，获取用于刺激线圈的空间数据与可视化线圈模型的空间数据之间相互转换的第一变换数据包括以下步骤：

步骤S11在可视化线圈模型的坐标系中标定至少一个第一参考点的位置；

步骤S12实时获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息；

步骤S13将步骤S12获得的位置信息转换到双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下；

步骤S14利用步骤S13获得的位置信息和至少一个第一参考点的位置确定所述第一变换数据。

8.根据权利要求7所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

在步骤S12中，实时获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息包括以下步骤：

步骤S121根据所述至少一个第一参考点的位置，在刺激线圈上标定至少一个第一标记点的位置；

步骤S122提供定位工具并确定定位工具的初始位置坐标；

步骤S123使用双目摄像机实时获取在所述定位工具位于所述至少一个第一标记点时的双目摄像机下的定位工具的第一姿态矩阵和刺激线圈的第二姿态矩阵；

步骤S124将定位工具的初始位置坐标左乘第一姿态矩阵获得至少一个第一参考点在摄像机坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S13中，将步骤S124获得的位置坐标左乘第二姿态矩阵的逆矩阵获得至少一个第一参考点在双目摄像机下的线圈初始姿态坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S14中，使用四元数算法或奇异值分解算法求解所述第一变换数据。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

在步骤S2中，获取用于患者头部的空间数据与可视化头部模型的空间数据之间相互转换的第二变换数据包括以下步骤：

步骤S21在可视化头部模型的坐标系中标定至少一个第二参考点的位置；

步骤S22实时获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息；

步骤S23将步骤S22获得的位置信息转换到双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下；

步骤S24利用步骤S23获得的位置信息和至少一个第二参考点的位置确定所述第二变换数据。

10.根据权利要求9所述的基于双目摄像机的定位导航方法，其中，

在步骤S22中，实时获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置信息包括以下步骤：

步骤S221根据所述至少一个第二参考点的位置，在患者头部上标定至少一个第二标记点的位置；

步骤S222提供定位工具并确定定位工具的初始位置坐标；

步骤S223使用双目摄像机实时获取在所述定位工具位于所述至少一个第二标记点时的双目摄像机下的定位工具的第五姿态矩阵和患者头部的第六姿态矩阵；

步骤S224将所述定位工具的初始位置坐标左乘第五姿态矩阵获得至少一个第二参考点在摄像机坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S23中，将步骤S224中获得的位置坐标左乘第六姿态矩阵的逆矩阵获得至少一个第二参考点在双目摄像机下的头部初始姿态坐标系下对应的位置坐标；

在步骤S24中，使用四元数算法或奇异值分解算法求解所述第二变换数据。

11.一种可读存储介质，其中，

所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现权利要求1-10中任一项所述的基于双目摄像机的定位导航方法。