CN114870262A - 经颅磁定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种经颅磁定位系统及方法，该系统包括：佩戴于目标头部的定位架，定位架包括架体和第一示踪标记；结构光组件，用于捕获包括目标头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云；红外组件，用于捕获第一示踪标记；处理器，用于将结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取目标头部与第一示踪标记的相对位置关系；根据红外组件捕获的第一示踪标记，以及相对位置关系，获取目标头部的空间位姿。该方法通过结构光采集患者头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云并进行配准，可实现快速注册，缩短治疗准备时间，提升效率，同时，基于红外组件的高采样率，可实现患者头部的动态追踪。

Description

经颅磁定位系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种经颅磁定位系统及方法。

背景技术

磁刺激治疗是现代医学中一种无损、无痛、无接触、非侵袭性的技术，在神经科学领域的研究，临床医学的诊断、治疗、康复具有广泛的应用。其基本原理是法拉第电磁感应原理：时变的电流通过刺激线圈，在刺激线圈周围产生时变的感应磁场，感应磁场作用于生物组织，使局部生物组织产生感应电流，引起神经纤维的膜电位去极化，产生动作电位，引起神经细胞兴奋或抑制兴奋、肌肉收缩、激素分泌、突触调制等生物效应，进而达到治疗的目的。磁刺激可以作用于大脑神经，也可以作用于周围神经，作用于大脑神经的磁刺激通常称为经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS），磁刺激的目标组织部位通常称为靶点。

导航经颅磁赋予经颅磁定位和导航功能，可引导刺激线圈精准地移动到指向靶点的刺激点，以实施精准地磁刺激。现有技术中，一般通过获取患者的医学影像，例如磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）获取患者个体化的脑区结构，确定病灶、获取靶点；同时，基于外部设备捕获患者头部的空间位姿，经过配准、定位、导航等一系列步骤将刺激线圈引导到指向靶点的刺激点，以实施精准的磁刺激，其中，配准的过程又可以称为注册。

在医疗设备领域中，外科手术导航与经颅磁导航存在相似之处：外科手术导航通过精准识别目标头部空间位姿，并引导手术末端器械执行手术操作；而导航经颅磁是通过精准的识别目标头部空间位姿，引导刺激线圈走位，并实施磁刺激。但是，两者在技术要求上存在差异，外科手术中为避免术中患者头部运动，通常使用夹具等方式将患者头部固定在手术台上，由于患者头部是相对静止状态，对患者头部空间位姿识别的采样率要求不高，即，采用较低的采样频率也能够满足引导末端器械执行手术操作的要求。而经颅磁刺激作为一种无创的治疗方案，不存在安全风险，为避免夹持患者头部带来的不适感，在现有的应用场景中，接受磁刺激治疗的患者头部可以自由活动，因此，对于头部空间位姿的识别需要较高的采样频率，才能满足经颅磁导航的要求。综上可知，在一些情况下，外科手术导航的方法未必适用于导航经颅磁。

现有技术采用的经颅磁定位方法，患者注册时间长，治疗前需做长时间的准备工作，效率低。

发明内容

本发明实施例提供一种导航经颅磁系统和方法，以克服现有技术注册时间长，治疗前需做长时间的准备工作，效率低的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种经颅磁定位系统，所述系统包括：

佩戴于目标头部的定位架，所述定位架包括架体和第一示踪标记；

结构光组件，用于捕获包括目标头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云；

红外组件，用于捕获所述第一示踪标记；

处理器，用于将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取所述目标头部与所述第一示踪标记的相对位置关系；根据所述红外组件捕获的第一示踪标记，以及所述相对位置关系，获取所述目标头部的空间位姿。

可选地，所述结构光组件包括结构光投影装置和结构光捕获装置。

可选地，所述结构光组件捕获的结构光点云包括位置信息和RGB信息。

可选地，所述佩戴于目标头部的定位架可以被替换为面部示踪器，所述面部示踪器包括面具和第一示踪标记。

可选地，所述系统还包括：

配准笔，用于扫掠目标头部，以通过所述红外组件获取目标头部的红外点云；

所述处理器，还用于在将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准之后，采用所述红外点云对配准结果进行校准。

可选地，所述系统还包括：

机械臂，用于在获取目标头部的空间位姿后，引导夹持于所述机械臂末端的刺激线圈走位。

第二方面，本发明实施例提供了一种经颅磁定位方法，所述方法应用于第一方面任一项所述的经颅磁定位系统，所述方法包括：

通过结构光组件获取结构光点云；所述结构光点云包括目标头部轮廓和第一示踪标记；

将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取所述目标头部与所述第一示踪标记的相对位置关系；

根据红外组件捕获的第一示踪标记，以及所述相对位置关系，获取所述目标头部的空间位姿。

可选地，当所述经颅磁定位系统包括配准笔时，所述方法还包括：

使用所述配准笔扫掠目标头部，通过所述红外组件获取目标头部的红外点云；

在将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准之后，采用所述红外点云对配准结果进行校准。

可选地，当所述经颅磁定位系统包括机械臂时，所述根据所述红外组件捕获的第一示踪标记，以及所述相对位置关系，获取所述目标头部的空间位姿之后，所述方法还包括：

引导夹持于所述机械臂末端的刺激线圈走位。

本发明实施例提供了一种经颅磁定位系统及方法，所述系统包括：佩戴于目标头部的定位架，所述定位架包括架体和第一示踪标记；结构光组件，用于捕获包括目标头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云；红外组件，用于捕获所述第一示踪标记；处理器，用于将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取所述目标头部与所述第一示踪标记的相对位置关系；根据所述红外组件捕获的第一示踪标记，以及所述相对位置关系，获取所述目标头部的空间位姿。该方法通过结构光采集患者头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云并进行配准，可实现快速注册，缩短治疗准备时间，提升效率，同时，基于红外组件的高采样率，可实现患者头部的动态追踪。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种经颅磁定位系统的结构示意图；

图2是本发明实施例示例的一种定位架的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种经颅磁定位系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种经颅磁定位方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种经颅磁定位方法的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种经颅磁定位系统的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种配准笔的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的又一种经颅磁定位方法的流程示意图；

图9是本发明实施例提供的再一种经颅磁定位方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。

本发明实施例提供了一种经颅磁定位系统及方法，该系统包括定位架、结构光组件、红外组件和处理器，定位架上包括可以被结构光组件和红外组件识别的第一示踪标记。使用过程中，患者佩戴定位架，结构光组件捕获包括患者头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云，并与基于患者医学影像获取的头部轮廓进行配准，获取患者头部与第一示踪标记的相对位置关系；通过红外组件实时捕获第一示踪标记的空间位姿，即可根据患者头部与第一示踪标记的相对位置关系实时获取患者头部的空间位姿。本发明该方法通过结构光采集患者头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云并进行配准，可实现快速注册，缩短治疗准备时间，提升效率，同时，基于红外组件的高采样率，可实现患者头部的动态追踪。

本发明下述实施例中的目标，可以指人，也可以指动物，例如应用于动物实验场景中的经颅磁定位及导航。

下面将结合几个具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明，各个实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

在第一种实施例中，图1是本发明实施例提供的一种经颅磁定位系统的结构示意图，如图1所示，该系统可以包括：定位架10、结构光组件20、红外组件30和处理器40。

其中，定位架10用于佩戴于目标头部，以保持与目标头部的相对位置不变。

图2是本发明实施例示例的一种定位架的结构示意图，如图2所示，定位架10可以包括架体11和第一示踪标记12。其中，架体11用于佩戴于目标面部，第一示踪标记12固定于架体上。第一示踪标记12可以是被动的反光球，能够反射红外组件30投射的红外光并被捕获，参照图2所述。第一示踪标记12也可以是主动的红外发光标记，主动发射的红外光可以被红外组件30捕获。

在一种可能的实现方式中，佩戴于目标头部的定位架10可以被替换为面部示踪器，面部示踪器包括面具和第一示踪标记。面部示踪器具体可以参照CN114562987A所公开的技术方案。

结构光组件20，用于捕获包括目标头部轮廓和第一示踪标记12的结构光点云。

示例性的，结构光组件20可以包括结构光投射装置和结构光捕获装置。结构光投射装置向佩戴有定位架的患者头部投射结构光，被结构光捕获装置捕获，进而获取包括目标头部轮廓和第一示踪标记12的结构光点云。

在一些可能的实现方式中，结构光组件20还可以包括RGB相机，RGB相机用于同步捕获图像的颜色信息，并基于现有的算法将结构光点云的位置信息和RGB信息匹配，使得结构光点云既包括位置信息，也包括RGB信息。

结构光编码技术通常包括时间编码、空间编码和直接编码，以及多种编码方式的组合。结构光编码通常在编码速度和编码精度上权衡，高精度的结构光点云编码速度较慢，使得结构光点云在动态场景中难以满足实时性要求。而采用低精度的结构光点云虽然可以提高采样率，但会导致较大的误差。为保证较小的误差，通常需采用高精度的结构光点云以满足精度要求。

红外组件30，用于捕获第一示踪标记12。

红外组件30可以是双目或多目的红外采集装置，当第一示踪标记12采用被动的反光球时，红外组件30还可以包括红外发射装置。

双目红外相机可以高速拍摄红外图像，准确捕获图像中的第一示踪标记12，并基于三角测距原理获取第一示踪标记12的空间坐标。双目红外相机相比于结构光具有高采样率的优势，因此可以更好的满足动态场景中的实时性要求。

处理器40，为本系统中的控制单元，可用于控制结构光组件20、红外组件30执行采集命令，并执行预设的算法。

处理器40可以用于将结构光组件20捕获的目标头部轮廓，与基于目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取目标头部与第一示踪标记12的相对位置关系。

示例性的，处理器40可以识别表征目标头部轮廓的结构光点云，以及表征第一示踪标记12的结构光点云，并基于两者的三维坐标得到第一示踪标记12和面部点云特征的相对位置关系。处理器40还可以根据患者的MRI提取患者的头部轮廓，并将包括目标头部轮廓部分的结构光点云与基于MRI提取的头部轮廓配准，即可获取目标头部与第一示踪标记12的相对位置关系。

处理器40还可以根据红外组件30捕获的第一示踪标记12，以及上述相对位置关系，获取目标头部的空间位姿。

由于红外组件30可以以较高的采样率实时采集第一示踪标记12的空间位姿，并基于目标头部与第一示踪标记12的相对位置关系，计算出目标头部在空间中的位姿。该方法可以保证较好的实时性。

本发明实施例提供的经颅磁定位系统，包括定位架、结构光组件、红外组件和处理器，定位架包括架体和第一示踪标记。在定位过程中，患者佩戴定位架，结构光组件捕获包括患者头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云，并与基于患者医学影像获取的头部轮廓进行配准，获取患者头部与第一示踪标记的相对位置关系，完成注册过程。进一步的，通过红外组件实时捕获第一示踪标记的空间位姿，即可根据患者头部与第一示踪标记的相对位置关系实时获取患者头部的空间位姿。本发明该方法通过结构光采集患者头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云并进行配准，可实现快速注册，缩短治疗准备时间，提升效率，同时，基于红外组件的高采样率，可实现患者头部的动态追踪。

在上述实施例的基础上，一种可能的实现方式中，图3是本发明实施例提供的另一种经颅磁定位系统的结构示意图，在图1的基础上，如图3所示，该系统还可以包括：

机械臂50，用于在获取目标头部的空间位姿后，引导夹持于机械臂末端的刺激线圈走位。

机械臂50为执行单元，刺激线圈固定于机械臂末端，可以通过控制机械臂50将刺激线圈走位到预设的刺激点，对目标实时磁刺激。

一种可能的实现方式中，机械臂50的空间位姿可以使预配准的，即可以根据已知的结构关系，或，预先标定的位置确定红外组件30与机械臂50的相对位置关系。另一种可能的实现方式中，机械臂50的末端可以包括第二示踪标记，红外组件30通过捕获机械臂末端的第二示踪标记，获取机械臂末端的空间位姿。

图4是本发明实施例提供的一种经颅磁定位方法的流程示意图，如图4所示，该方法可以包括：

S101、通过结构光组件获取结构光点云。

其中，结构光点云包括目标头部轮廓和第一示踪标记。

S102、将结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取目标头部与第一示踪标记的相对位置关系。

S103、根据红外组件捕获的第一示踪标记，以及相对位置关系，获取目标头部的空间位姿。

该方法具体可以参照上述实施例，此处不再赘述。

当经颅磁定位系统包括机械臂50时，图5是本发明实施例提供的另一种经颅磁定位方法的流程示意图，如图5所示，在步骤S103之后，该方法还包括：

S104、引导夹持于机械臂末端的刺激线圈走位。

在第二种实施例中，图6是本发明实施例提供的又一种经颅磁定位系统的结构示意图，如图6所示，该系统可以包括：定位架10、结构光组件20、红外组件30、处理器40和配准笔60。

定位架10用于佩戴于目标头部，以保持与目标头部的相对位置不变。

配准笔60，包括笔体61和固定于笔体61上的第三示踪标记62。配准笔60可以用于扫掠目标头部，以通过红外组件30获取目标头部的红外点云。

图7是本发明实施例提供的一种配准笔的结构示意图。如图7所示，包括笔体61和第三示踪标记62。

结构光组件20，用于捕获包括目标头部轮廓和第一示踪标记12的结构光点云。

红外组件30，用于捕获第一示踪标记12和配准笔60上的第三示踪标记62。

在一种可能的实现方式中，处理器40可以用于将结构光组件20捕获的目标头部轮廓，与基于目标的医学影像获取的头部轮廓配准之后，采用红外点云对配准结果进行校准，并获取目标头部与第一示踪标记的相对位置关系。

在另一种可能的实现方式中，处理器40也可以用红外组件30获取的目标头部的红外点云，与基于目标的医学影像获取的头部轮廓配准，然后采用结构光点云对配准结果进行配准，并获取目标头部与第一示踪标记的相对位置关系。

通过采用红外点云或者结构光点云进行校准，可以进一步提升配准精度。

处理器40还可以根据红外组件30捕获的第一示踪标记12，以及上述相对位置关系，获取目标头部的空间位姿。

本发明该实施例提供的经颅磁定位系统，包括定位架、结构光组件、红外组件、处理器和配准笔，定位架上包括第一示踪标记，配准笔上包括第三示踪标记。在定位过程中，患者佩戴定位架，结构光组件捕获包括患者头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云；配准笔扫掠患者头部，红外组件捕获患者头部的红外点云，通过与基于患者医学影像获取的头部轮廓进行配准和校准，获取患者头部与第一示踪标记的相对位置关系，完成注册过程。进一步的，通过红外组件实时捕获第一示踪标记的空间位姿，即可根据患者头部与第一示踪标记的相对位置关系实时获取患者头部的空间位姿。本法该方法可以提高配准的精度，进而提升经颅磁定位的系统精度。同时，基于红外组件的高采样率，可实现患者头部的动态追踪。

本发明实施例中，参照图3所示，也可以包括机械臂50，具体不再赘述。

图8是本发明实施例提供的又一种经颅磁定位方法的流程示意图，如图8所示，该方法可以包括：

S201、通过结构光组件获取结构光点云。

其中，结构光点云包括目标头部轮廓和第一示踪标记。

S202、使用配准笔扫掠目标头部，通过红外组件获取目标头部的红外点云。

S203、将结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于目标的医学影像获取的头部轮廓配准之后，采用红外点云对配准结果进行校准，并获取目标头部与第一示踪标记的相对位置关系。

S204、根据红外组件捕获的第一示踪标记，以及相对位置关系，获取目标头部的空间位姿。

该方法具体可以参照上述实施例，此处不再赘述。

当经颅磁定位系统包括机械臂50时，图9是本发明实施例提供的再一种经颅磁定位方法的流程示意图，如图9所示，在步骤S204之后，该方法还包括：

S205、引导夹持于机械臂末端的刺激线圈走位。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种经颅磁定位系统，其特征在于，所述系统包括：

佩戴于目标头部的定位架，所述定位架包括架体和第一示踪标记；

结构光组件，用于捕获包括目标头部轮廓和第一示踪标记的结构光点云；

红外组件，用于捕获所述第一示踪标记；

处理器，用于将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取所述目标头部与所述第一示踪标记的相对位置关系；根据所述红外组件捕获的第一示踪标记，以及所述相对位置关系，获取所述目标头部的空间位姿。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述结构光组件包括结构光投影装置和结构光捕获装置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述结构光组件捕获的结构光点云包括位置信息和RGB信息。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述佩戴于目标头部的定位架可以被替换为面部示踪器，所述面部示踪器包括面具和第一示踪标记。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

配准笔，用于扫掠目标头部，以通过所述红外组件获取目标头部的红外点云；

所述处理器，还用于在将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准之后，采用所述红外点云对配准结果进行校准。

6.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

机械臂，用于在获取目标头部的空间位姿后，引导夹持于所述机械臂末端的刺激线圈走位。

7.一种经颅磁定位方法，所述方法应用于权利要求1-6所述的经颅磁定位系统，其特征在于，所述方法包括：

通过结构光组件获取结构光点云；所述结构光点云包括目标头部轮廓和第一示踪标记；

将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准，并获取所述目标头部与所述第一示踪标记的相对位置关系；

根据红外组件捕获的第一示踪标记，以及所述相对位置关系，获取所述目标头部的空间位姿。

8.根据权利要求7所述的方法，当所述经颅磁定位系统包括配准笔时，其特征在于，所述方法还包括：

使用所述配准笔扫掠目标头部，通过所述红外组件获取目标头部的红外点云；

在将所述结构光组件捕获的目标头部轮廓，与基于所述目标的医学影像获取的头部轮廓配准之后，采用所述红外点云对配准结果进行校准。

9.根据权利要求7所述的方法，当所述经颅磁定位系统包括机械臂时，其特征在于，所述根据所述红外组件捕获的第一示踪标记，以及所述相对位置关系，获取所述目标头部的空间位姿之后，所述方法还包括：

引导夹持于所述机械臂末端的刺激线圈走位。

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