CN114733073A - 一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法、系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法、系统及电子设备，包括：获取头颅的三维的头部模型，在头部模型上设定至少三个第一定位点，并在第一定位点对应的用户头部位置放置磁传感器；获取磁刺激线圈模型，在刺激线圈模型上设定至少三个第二定位点，并在第二定位点对应的真实刺激线圈位置放置磁传感器；磁场发生器产生空间磁场，基于多个磁传感器位置，计算出刺激线圈当前位置以及用户头部当前位置，将刺激线圈移动到刺激点，系统基于获取的触发信号启动经颅磁输出刺激脉冲，并同步关闭磁传感器，在当前刺激脉冲完成后开启磁传感器。本方案可以屏蔽经颅磁磁场对电磁导航定位系统的干扰，提高定位精度。

Description

一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法、系统及电子设备

技术领域

本发明涉及经颅磁刺激技术领域，特别涉及一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法、系统及电子设备。

背景技术

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，下文简称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。因其具有无痛、无损伤、无辐射德等优点，在认知神经科学、临床神经精神疾病及康复领域获得越来越多的认可，但刺激位置的准确性是TMS治疗是否有效的一个重要影响因素，人体头颅大小及形状个体差异很大，如何针对不同病症，引导TMS线圈到达特定的脑区进行精准刺激，成为业界难题。

目前已常用的TMS定位方法主要有以下几种：

10-20国际标准导联系统定位：此方法是国际脑电图学会规定的标准电极放置法。这些电极位置标志点能大致的反应颅脑对应关系，该方法简单方便，目前在临床上被广泛使用。但在使用该方法做TMS线圈定位时，往往需要借助确定鼻根点、枕骨隆突和双侧耳前等头部神经解剖学定位标志点，这种大致上确定的刺激点与实际有效部位的误差往往较大。

光学导航定位：此方法是基于红外双目测距原理，由红光学传感器(相机)，表面涂有感光材料的被动标记器，数据处理单元(软件)组成。此方法需事先采集被试头部MRI结构影像，经图像处理算法重建成3D头模。使用时，分别在被试头上和线圈上绑定追踪物，使用光学导航系统配置后对线圈和头颅进行实施跟踪，医生根据专业知识和经验指定刺激点，根据导航系统软件的引导，使线圈刺激焦点与指定刺激点重合，从而实现TMS定位。光学导航设备价格昂贵，使用过程也很繁杂，在临床上很难大量推广；另一方面，由于TMS线圈相对头颅体积很大，很容易造成遮挡，导致刺激线圈定位的误差较大，在科研领域也有很大的局限性。

故现在推出了电磁导航定位刺激线圈的方式，此方法是利用磁场发生器产生一个已知空间分布的磁场，然后根据微型传感器在磁场中测得的磁场数据，对场中物体实现定位，使用时和光学导航定位类似，将传感器嵌入(或绑定)在需追踪的器械上，即可实现对器械的追踪定位，同理在被试头部放置传感器后，可实现对被试头部的追踪定位。相对光学导航定位，电磁导航定位不存在遮挡问题，在没有电磁干扰及大体积的金属存在的环境中，定位精度能达到毫米甚至亚毫米级别。

但是在现有的电磁导航定位的方法中，刺激线圈一般使用铜质导线绕制而成，其在进行刺激输出时会产生高达1Tesla交变磁场，而已有电磁导航定位方案中，磁场发生器能产生的磁场一般在10Gs级别(1T＝10000Gs)，两者共同工作时会导致磁场紊乱，进而导致电磁导航定位发生紊乱而使得系统报错，不利于经颅磁刺激的长期稳定工作。

发明内容

为了克服目前现有的电磁导航方法中磁场紊乱导致定位不准，使得系统报错，不利于稳定刺激的问题，本发明提供基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法、系统及电子设备。

本发明为解决上述技术问题，提供一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法，包括如下步骤：步骤S1：获取头颅的三维的头部模型，在头部模型上设定至少三个第一定位点，并在第一定位点对应的用户头部位置放置磁传感器；步骤S2：获取磁刺激线圈模型，在刺激线圈模型上设定至少三个第二定位点，并在第二定位点对应的真实刺激线圈位置放置磁传感器；步骤S3：磁场发生器在用户头颅区域产生空间磁场，系统基于多个磁传感器位置，计算出刺激线圈当前位置以及用户头部当前位置；步骤S4：操作者根据系统实时计算得到的线圈当前位置以及用户头部当前位置，将刺激线圈移动到刺激点，系统基于获取的触发信号启动经颅磁输出刺激脉冲，并同步关闭磁传感器，在当前刺激脉冲完成后开启磁传感器。

优选地，步骤S1具体包括如下步骤：步骤S11：获取用户的二维MRI图像数据，进行三维的头部模型重建；步骤S12：在三维的头部模型上标记至少三个第一定位点。

优选地，步骤S4具体包括如下步骤：步骤S41：刺激线圈移动到刺激点，系统发出刺激启动的触发信号；步骤S42：磁传感器基于触发信号的时序，关闭采集；步骤S43：刺激线圈基于触发信号的时序，开启刺激输出；步骤S44：当前刺激输出完成后，磁传感器延后预定时间启动采集。

优选地，在步骤S1中，基于刺激点的位置，将第一定位点设置在头部模型与刺激点相反的位置。

本发明还提供一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激系统，包括：模型重建单元，用于获取头颅的三维的头部模型，在头部模型上设定至少三个第一定位点；传感器布置单元，用于在刺激线圈上设定至少三个第二定位点，并在第二定位点以及用户对应头部模型上的第一定位点的设置磁传感器；坐标配准单元，用于磁场发生器在用户头颅区域产生空间磁场，刺激线圈基于多个磁传感器定位用户头颅的位置；刺激控制单元，用于刺激线圈移动到刺激点，基于获取的触发信号启动刺激线圈，同步关闭磁传感器，在当前刺激完成后开启磁传感器。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行上述任一项中所述的基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法；所述处理器被设置为通过所述计算机程序执行上述任一项中所述的基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法、系统及电子设备，具有以下优点：

通过在单个刺激点的刺激过程中同步关闭磁传感器，使得刺激线圈工作时产生的磁场与磁场发生器的磁场之间的互相干扰不会被磁传感器采集，进而在单个刺激输出甚至是整个刺激过程中都不会出现位置坐标紊乱的问题，避免由于磁场紊乱带来的系统报错的问题，确保刺激过程的稳定运行。本方案可以屏蔽经颅磁磁场对电磁导航定位系统的干扰，提高定位精度。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法的整体流程图。

图2为头部模型中设定第一定位点的示例图。

图3为本发明第一实施例提供的一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法中步骤S1的流程图。

图4为本发明第一实施例提供的一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法中步骤S4的流程图。

图5为触发脉冲的时序图。

图6为本发明第二实施例提供的一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激系统的模块图。

图7为本发明第三实施例提供的一种电子设备的模块图。

附图标记说明：

1、模型重建单元；2、传感器布置单元；3、坐标配准单元；4、刺激控制单元；

10、存储器；20、处理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取头颅的三维的头部模型，在头部模型上设定至少三个第一定位点，并在第一定位点对应的用户头部位置放置磁传感器；

步骤S2：获取磁刺激线圈模型，在刺激线圈模型上设定至少三个第二定位点，并在第二定位点对应的真实刺激线圈位置放置磁传感器；

步骤S3：磁场发生器在用户头颅区域产生空间磁场，系统基于多个磁传感器位置，计算出刺激线圈当前位置以及用户头部当前位置；

步骤S4：操作者根据系统实时计算得到的线圈当前位置以及用户头部当前位置，将刺激线圈移动到刺激点，系统基于获取的触发信号启动经颅磁输出刺激脉冲，并同步关闭磁传感器，在当前刺激脉冲完成后开启磁传感器。

可以理解，在步骤S1中，用户头颅的三维模型可以通过MRI图像处理的方式获得，针对每个用户不同的头颅形状获取不同的头部模型，以便于在后续的刺激工作中具有更加准确的模型数据。

可以理解，在步骤S1和步骤S2中，第一定位点和第二定位点的数量至少为三个，也即通过至少三点定位的方式准确建立空间坐标系，以便于在空间范围内准确获得头部模型的坐标，并进行坐标配准。

可选地，作为一种实施例，在步骤S1和步骤S2中，第一定位点和第二定位点的设置位置可以为：基于刺激点的位置，将第一定位点设置在头部模型与刺激点相反的位置。例如，如图2中所示，A点为用户的鼻尖位置，则第一定位点的位置则为用户的后脑勺对应鼻尖的位置，B点为用户右脑靠近耳朵上沿的位置，则第一定位点的位置则为左脑的相应位置，刺激线圈上的第二定位点需要设置在刺激线圈背离用户一侧的表面上，可以在最大程度降低刺激线圈对磁场的屏蔽作用。

可以理解，在步骤S2和步骤S3中，磁场发生器用于在刺激空间内产生一个覆盖的已知频率和固定方向的高频磁场，磁传感器将测量到的磁场数据转换为电信号，而系统中的信号转换器将电信号放大、滤波处理后转换为数字信号，信号处理器将转换后的数字信号进行二次处理，计算出对应磁传感器所处的空间位置坐标，磁场发生器、磁传感器、信号转换器及信号处理器组成电磁导航定位的定位功能系统。

可以理解，在步骤S3中，通过确定磁传感器的坐标位置，结合头部模型的三维坐标，将头部模型和磁传感器的坐标系进行配准，使得头部模型的位置转换为与磁传感器相同的世界坐标系，以通过磁场的方式快速确定头颅的位置。

可以理解，在步骤S4中，当前步骤完成对刺激模板的坐标系配准后，对用户的头部进行刺激，而刺激点可根据在头部模型上选定位置坐标来确认，刺激线圈基于系统模型上的坐标位置移动到用户头颅对应的位置上。此时，刺激设备发出触发信号，基于触发信号开启刺激线圈，并同步关闭磁传感器，确保在刺激过程中磁传感器的关闭状态。

请参阅图3，步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：获取用户的二维MRI图像数据，进行三维的头部模型重建。

步骤S12：在三维的头部模型上标记至少三个第一定位点。

可以理解，在步骤S11中，磁共振成像(MRI)是一种非侵入性成像技术，可产生三维详细的解剖图像。它通常用于疾病检测，诊断和治疗监测。它基于复杂的技术，可以激发并检测在组成活体组织的水中发现的质子旋转轴方向的变化。而在本实施例中，MRI图像处理及重建部分实现通过二维MRI图像数据进行人体头颅的三维重建，坐标转换及配准部分将重建后的3D模型和实际头颅进行标定配准，导入系统的线圈模型和实际线圈进行标定配准。

请参阅图4，步骤S4具体包括如下步骤：

步骤S41：刺激线圈移动到刺激点，系统发出刺激启动的触发信号。

步骤S42：磁传感器基于触发信号的时序，关闭采集。

步骤S43：刺激线圈基于触发信号的时序，开启刺激输出。

步骤S44：当前刺激输出完成后，磁传感器延后预定时间启动采集。

可以理解，在步骤S42和步骤S43中，磁传感器的关闭和刺激线圈的启动为同时发生，如图5中的时序图可知，TMS脉冲输出单元在接收到触发信号后，输出脉宽为320～360us之间的高压电脉冲，此脉冲通过刺激线圈后形成脉宽为320～360us之间的磁场。在接收到触发信号时，时序控制模块关闭磁传感器信号采集500us，即可彻底排除刺激线圈输出磁场对电磁导航定位系统的干扰。

而在步骤S44中，当前刺激输出完成后，磁传感器延后预定时间启动采集，可以避免电子开关的响应-动作时间带来的定位系统不准确的问题，确保每次磁传感器的开启时，刺激输出完全停止。

请参阅图6，本发明第二实施例还提供一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激系统。用于执行上述第一实施例中基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法，该基于电磁导航定位的经颅磁刺激系统可以包括：

模型重建单元1，用于执行上述步骤S1，用于获取头颅的三维的头部模型，在头部模型上设定至少三个第一定位点，并在第一定位点对应的用户头部位置放置磁传感器。

传感器布置单元2，用于执行上述步骤S2，用于获取磁刺激线圈模型，在刺激线圈模型上设定至少三个第二定位点，并在第二定位点对应的真实刺激线圈位置放置磁传感器。

坐标配准单元3，用于执行上述步骤S3，用于磁场发生器在用户头颅区域产生空间磁场，系统基于多个磁传感器位置，计算出刺激线圈当前位置以及用户头部当前位置。

刺激控制单元4，用于执行上述步骤S4，用于操作者根据系统实时计算得到的线圈当前位置以及用户头部当前位置，将刺激线圈移动到刺激点，系统基于获取的触发信号启动经颅磁输出刺激脉冲，并同步关闭磁传感器，在当前刺激脉冲完成后开启磁传感器。

请参阅图7，本发明第三实施例提供一种用于实施上述基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法的电子设备，所述电子设备包括存储器10和处理器20，所述存储器10中存储有运算机程序，所述运算机程序被设置为运行时执行上述任一项基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法实施例中的步骤。所述处理器20被设置为通过所述运算机程序执行上述任一项基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法实施例中的步骤。

可选地，在本实施例中，上述电子设备可以位于运算机网络的多个网络设备中的至少一个网络设备。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法、系统及电子设备，具有以下优点：

通过在单个刺激点的刺激过程中同步关闭磁传感器，使得刺激线圈工作时产生的磁场与磁场发生器的磁场之间的互相干扰不会被磁传感器采集，进而在单个刺激输出甚至是整个刺激过程中都不会出现位置坐标紊乱的问题，避免由于磁场紊乱带来的系统报错的问题，确保刺激过程的稳定运行。本方案可以屏蔽经颅磁磁场对电磁导航定位系统的干扰，提高定位精度。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。

在该计算机程序被处理器执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请所述的计算机存储器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。计算机存储器例如可以是——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。

计算机存储器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，计算机可读信号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，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，所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。

以上仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：获取头颅的三维的头部模型，在头部模型上设定至少三个第一定位点，并在第一定位点对应的用户头部位置放置磁传感器；

步骤S2：获取磁刺激线圈模型，在刺激线圈模型上设定至少三个第二定位点，并在第二定位点对应的真实刺激线圈位置放置磁传感器；

步骤S3：磁场发生器在用户头颅区域产生空间磁场，系统基于多个磁传感器位置，计算出刺激线圈当前位置以及用户头部当前位置；

步骤S4：操作者根据系统实时计算得到的线圈当前位置以及用户头部当前位置，将刺激线圈移动到刺激点，系统基于获取的触发信号启动经颅磁输出刺激脉冲，并同步关闭磁传感器，在当前刺激脉冲完成后开启磁传感器。

2.如权利要求1中所述基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法，其特征在于：步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：获取用户的二维MRI图像数据，进行三维的头部模型重建；

步骤S12：在三维的头部模型上标记至少三个第一定位点。

3.如权利要求1中所述基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法，其特征在于：步骤S4具体包括如下步骤：

步骤S41：刺激线圈移动到刺激点，系统发出刺激启动的触发信号；

步骤S42：磁传感器基于触发信号的时序，关闭采集；

步骤S43：刺激线圈基于触发信号的时序，开启刺激输出；

步骤S44：当前刺激输出完成后，磁传感器延后预定时间启动采集。

4.如权利要求1中所述基于电磁导航定位的经颅磁刺激方法，其特征在于：在步骤S1中，基于刺激点的位置，将第一定位点设置在头部模型与刺激点相反的位置。

5.一种基于电磁导航定位的经颅磁刺激系统，其特征在于，包括：

模型重建单元，用于获取头颅的三维的头部模型，在头部模型上设定至少三个第一定位点；

传感器布置单元，用于在刺激线圈上设定至少三个第二定位点，并在第二定位点以及用户对应头部模型上的第一定位点的设置磁传感器；

坐标配准单元，用于磁场发生器在用户头颅区域产生空间磁场，刺激线圈基于多个磁传感器定位用户头颅的位置；

刺激控制单元，用于刺激线圈移动到刺激点，基于获取的触发信号启动刺激线圈，同步关闭磁传感器，在当前刺激完成后开启磁传感器。

6.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于：所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至4任一项中所述人脸活体识别网络训练方法；

所述处理器被设置为通过所述计算机程序执行所述权利要求1至4任一项中所述人脸活体识别网络训练方法。

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