CN116328191A - 一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法。本发明不仅能够将患者头部立体模型、手术计划与真实患者自动化的精准融合，同时能够在混合现实环境下直观立体的引导经颅磁刺激手术，新颖、高效、精准，方便使用者进行操作。本发明能够使得此类治疗的可视化程度、精度及安全性增强，显著减少治疗时间，提升治疗精度，提高患者的康复率，从而降低患者的痛苦，具有一定的社会价值和经济价值。

Description

一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法
技术领域
本发明涉及精准神经外科医学领域，具体是一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法。
背景技术
随着我国人口老龄化程度加大，癫痫及帕金森等神经内科疾病发病人数不断增加。提高癫痫及帕金森疾病的诊疗水平，进而对患者的病灶靶点位置、患者病灶周围颅内组织器官相对位置及受损程度进行精细化评估，从而改善患者预后、提高患者生活质量，降低患者治疗的成本，是本领域的重要研究方向。
目前，先进技术手段辅助治疗癫痫及帕金森病逐渐成为临床治疗的热点，作为一种先进医疗手段，经颅磁刺激技术(TMS)被广泛应用于此类研究中，相较于传统的治疗方案，经颅磁刺激技术具有许多优点：
1、靶点明确、无损伤，患者治疗后恢复快的优点，通常以磁场发生器产生的瞬时电流脉冲通入放置在头部表面的线圈中以产生时变磁场，磁场穿过颅骨在脑组织诱导感应电场，作用在神经元上使其去极化或超极化，改变皮层兴奋性，无需传统的开颅手术，在精准的治疗导航设备引导下，结合治疗前精准的治疗规划，患者无创伤，治疗后恢复快。
2、基于混合现实引导的经颅磁刺激治疗，能够使得医生在治疗前进行直观的病情评估，并综合治疗前CT图像、核磁图像及MRV血管图像，进行精准的多模态图像融合，使得医生治疗时能够直观观察路径、脑血管及颅内器官的所在位置，减少耗时，提高精度。
通过研究表明，线圈能否按照治疗前的规划精准的放置在预定位置，对治疗的疗效至关重要，而目前国内主流手术模式仍为依靠医生的主观经验，难以保证精准性；此外，在治疗过程中，医生往往难以直观观察线圈与重要脑组织结构的相对位置关系，使得治疗的精准性难以保障。手术引导过程中的空间注册与直观引导至关重要，其能直接影响患者的术后恢复过程。同时，术前医学影像与现实视觉相契合的突破口在于术前医学影像与患者的注册，目前，针对经颅磁刺激手术导航空间注册，国内外的相关研究主要分为两大类：
1、交互式空间注册算法，此种方法通过医生手动将患者的术前数据映射到混合现实空间渲染中，作为混合现实空间注册的常用模式，其具有操作简单、耗时较短的优点，然而，此种方法严重依赖医生的临床经验，其精度难以控制，空间注册误差较大，仅适用于对精度要求不高的手术中，很难应用于经颅磁刺激手术导航。
2、基于人工标记物的空间注册算法，此种方法通过在患者头皮粘贴铅粒、金属电极贴等人工标记物，并进行术前医学影像扫描，手术过程中通过医生使用探针手动选取标记物坐标进行空间注册。作为手术导航最主流的空间注册方法，此种算法精度相对较高，然而，由于术中患者体部粘贴的标记物容易发生移动和脱落，且医生手动选取标记物会造成额外的误差，操作步骤复杂耗时较长。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、对术前医学影像进行信息读取和三维可视化显示：读取患者的术前医学影像，进行术前医学影像的解析，得到术前医学影像所包含的患者信息、像素信息和图像信息；再进行三维可视化显示，医生再针对三维可视化显示结果添加患者的临床诊断信息，从而完成术前医学影像的信息提取与图像读取；
步骤2、对术前医学影像进行图像处理：通过基于高斯核函数的图像插值算法，获得术前医学影像的横断面、冠状面和矢状面，并提升图像的分辨率和清晰度；再通过设计图像交互方法，实现图像的放大、缩小和平移的交互操作，辅助医生对患者的病情进行全方位诊断，从而完成了术前医学影像的处理；
步骤3、对患者病灶及脑组织进行三维重建以及制定经颅磁刺激手术计划：根据步骤1得到的术前医学影像的读取结果和步骤2得到的术前医学影像处理结果，医生手动分割患者的病灶和脑组织结构，建立术前医学影像的分层分割图像蒙版，再对患者的病灶及脑组织进行三维重建，生成患者脑部立体模型；再通过医生在患者脑部立体模型中的虚拟皮肤上手动画出经颅磁刺激线圈的手术位置，并自动确定其定位坐标和姿态矩阵，得到患者的经颅磁刺激手术计划；
步骤4、将患者脑部立体模型及手术计划导入头戴式眼镜；
步骤5、混合现实空间注册：先获取光学空间定位仪的定位参数，再计算空间标定器械的位姿；再通过患者生物特征点自动定位方法，分别获得患者生物特征点在术前医学影像空间坐标系S_photo和混合现实世界坐标系S_real中的坐标，再根据坐标值计算出术前医学影像空间坐标系S_photo到混合现实世界坐标系S_real的粗配准变换矩阵T，再通过最小二乘法得到最优粗配准变换矩阵，完成粗配准；再根据最优粗配准变换矩阵，将患者脑部立体模型、手术计划投射至混合现实世界坐标系S_real中，完成精配准，实现患者真实头部结构与患者脑部立体模型和手术计划的准确匹配；
步骤6、混合现实空间注册完成后，通过对真实线圈进行标定，获取其中心坐标及姿态；再通过混合现实设备对真实线圈进行实时追踪，并将虚拟线圈与真实线圈在眼镜环境中融合叠加；再通过建立位置引导和姿态引导方法，将手术计划中的线圈位置与真实线圈位置进行对齐，从而完成对医生的辅助，完成混合现实引导的经颅磁刺激手术。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明不仅能够将患者头部立体模型、手术计划与真实患者自动化的精准融合，同时能够在混合现实环境下直观立体的引导经颅磁刺激手术，新颖、高效、精准，方便使用者进行操作。
(2)本发明能够使得此类治疗的可视化程度、精度及安全性增强，显著减少治疗时间，提升治疗精度，提高患者的康复率，从而降低患者的痛苦，具有一定的社会价值和经济价值。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本发明权利要求的保护范围。
本发明提供了一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、对术前医学影像进行信息读取和三维可视化显示：读取患者的术前医学影像，进行术前医学影像的解析，得到术前医学影像所包含的患者信息(包括解剖结构信息和病灶位置信息)、像素信息和图像信息；再进行三维可视化显示，医生再针对三维可视化显示结果添加患者的临床诊断信息，从而完成术前医学影像的信息提取与图像读取；
优选地，步骤1中，术前医学影像为使用CT仪或核磁仪等设备采集的术前人体图像。
优选地，步骤1中，术前医学影像的解析是通过基于VTK开源免费软件包(visualization toolkit)的基础上开发的术前医学影像信息读取功能实现。三维可视化显示是通过基于VTK开源免费软件包的基础上开发的三维重建功能实现的。
步骤2、对术前医学影像进行图像处理：通过基于高斯核函数的图像插值算法，获得术前医学影像的横断面、冠状面和矢状面，并提升图像的分辨率和清晰度；再通过设计图像交互方法，在VTK中实现图像的放大、缩小和平移的交互操作，辅助医生对患者的病情进行全方位诊断，从而完成了术前医学影像的处理；
步骤3、对患者病灶及脑组织进行三维重建以及制定经颅磁刺激手术计划：根据步骤1得到的术前医学影像的读取结果和步骤2得到的术前医学影像处理结果，医生手动分割患者的病灶和脑组织结构，建立术前医学影像的分层分割图像蒙版，再采用Flying-Edge算法对患者的病灶及脑组织进行三维重建，生成患者脑部立体模型；再通过医生在患者脑部立体模型中的虚拟皮肤上手动画出经颅磁刺激线圈(简称线圈)的手术位置，并自动确定其定位坐标和姿态矩阵，得到患者的经颅磁刺激手术计划(简称手术计划)；
步骤4、将患者脑部立体模型及手术计划导入头戴式眼镜：
对患者脑部立体模型进行解析，将其分解为坐标集合和拓扑集合，并根据头戴式眼镜的硬件特点，进行三角面片的拆分、远程传输和模型拼接，从而将患者脑部立体模型导入头戴式眼镜中；
将手术计划以图形信息方式传输到头戴式眼镜中；
步骤5、混合现实空间注册：先获取光学空间定位仪的定位参数，再计算空间标定器械的位姿；再通过患者生物特征点自动定位方法，分别获得患者生物特征点在术前医学影像空间坐标系S_photo和混合现实世界坐标系S_real中的坐标，再根据坐标值计算出术前医学影像空间坐标系S_photo到混合现实世界坐标系S_real的粗配准变换矩阵T，再通过最小二乘法得到最优粗配准变换矩阵，完成粗配准；再根据最优粗配准变换矩阵，将患者脑部立体模型、手术计划投射至混合现实世界坐标系S_real中，完成精配准，实现与真实患者的精准虚实叠加融合，实现患者真实头部结构与患者脑部立体模型和手术计划的准确匹配；
优选地，步骤5中，患者生物特征点自动定位方法是：通过卷积神经网络对患者面部生物特征点进行训练，通过光学空间定位仪，在光学空间定位仪上的左摄像机和右摄像机分别进行生物特征点的检测与像素定位。优选地，患者面部生物特征点包括内眼角点、外眼角点、鼻尖点、鼻翼点、唇角点和眉心。
优选地，步骤5中，最小二乘法的公式如下：
Figure BDA0004154744180000041
式(1)中，R为旋转矩阵，t为平移矩阵；
Figure BDA0004154744180000042
表示术前医学影像空间坐标系S_photo中的生理特征点位，作为起始点组；/>
Figure BDA0004154744180000043
表示混合现实世界坐标系S_real中患者的生理特征点位，作为目标点组；Np代表的是点对的数量；
最小二乘法的目标是求出使得因变量f(R,t)取得最小值时的自变量R和t的值；计算的是起始点组中的所有点经过旋转和平移后与目标点组中对应点的欧氏距离的均方值；所以当欧氏距离均方值取得最小时，起始点组与目标点组之间的差距处于最小状态，即获得了最优的旋转矩阵R和平移矩阵t，进而得到了最优粗配准变换矩阵T。
优选地，步骤5中，精配准具体是：通过空间标定器械的探针在颅面部进行往复扫描，通过双目相机持续获取针尖点的位置坐标，构建出颅面处于混合现实世界坐标系S_real中的稀疏点云SPC_W，同时对患者脑部立体模型进行离散化处理，得到点云SPC_I，再根据最优粗配准变换矩阵，以SPC_W为源点云，以SPC_I为目标点云，求得混合现实世界坐标系S_real到术前医学影像空间坐标系S_photo的精配准变换矩阵，再求其逆矩阵，完成精配准。
优选地，步骤5中，精配准的算法流程如下：
(1)定义SPC_W点云的初始状态为SPC_W0，第n次循环迭代过程中状态为SPC_W(n)；
(2)在SPC_W(n)点云集合中，为每一个点寻找距离SPC_I点集中的距离最近点，所有的距离最近点组成SPC_I0集合；采用最小二乘思想与奇异值分解计算SPC_W(n)集合与SPC_I0集合的刚性变换矩阵，并将矩阵作用于SPC_W(n)点云上，更新SPC_W(n)；
(3)持续进行迭代，直到SPC_W(n)与SPC_I点集之间的欧氏距离均方值小于预先设定的阈值，即满足迭代终止条件，输出结果，终止算法流程；如进行n次迭代后，仍未满足终止条件，算法终止，输出结果；
SPC_W(n)是第n次迭代过程中的临时点云，就是每次迭代过程中重复把刚性矩阵应用于探针扫描点云SPC_W上；SPC_I为目标点云，就是患者CT重建的皮肤点云。
步骤6、混合现实空间注册完成后，通过对真实线圈进行标定，获取其中心坐标及姿态；再通过混合现实设备对真实线圈进行实时追踪，并将虚拟线圈与真实线圈在眼镜环境中融合叠加；再通过建立位置引导和姿态引导方法，将手术计划中的线圈位置与真实线圈位置进行对齐，从而完成对医生的辅助，完成混合现实引导的经颅磁刺激手术。
优选地，步骤6中，混合现实设备采用Hololens眼镜。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、对术前医学影像进行信息读取和三维可视化显示：读取患者的术前医学影像，进行术前医学影像的解析，得到术前医学影像所包含的患者信息、像素信息和图像信息；再进行三维可视化显示，医生再针对三维可视化显示结果添加患者的临床诊断信息，从而完成术前医学影像的信息提取与图像读取；
步骤2、对术前医学影像进行图像处理：通过基于高斯核函数的图像插值算法，获得术前医学影像的横断面、冠状面和矢状面，并提升图像的分辨率和清晰度；再通过设计图像交互方法，实现图像的放大、缩小和平移的交互操作，辅助医生对患者的病情进行全方位诊断，从而完成了术前医学影像的处理；
步骤3、对患者病灶及脑组织进行三维重建以及制定经颅磁刺激手术计划：根据步骤1得到的术前医学影像的读取结果和步骤2得到的术前医学影像处理结果，医生手动分割患者的病灶和脑组织结构，建立术前医学影像的分层分割图像蒙版，再对患者的病灶及脑组织进行三维重建，生成患者脑部立体模型；再通过医生在患者脑部立体模型中的虚拟皮肤上手动画出经颅磁刺激线圈的手术位置，并自动确定其定位坐标和姿态矩阵，得到患者的经颅磁刺激手术计划；
步骤4、将患者脑部立体模型及手术计划导入头戴式眼镜；
步骤5、混合现实空间注册：先获取光学空间定位仪的定位参数，再计算空间标定器械的位姿；再通过患者生物特征点自动定位方法，分别获得患者生物特征点在术前医学影像空间坐标系S_photo和混合现实世界坐标系S_real中的坐标，再根据坐标值计算出术前医学影像空间坐标系S_photo到混合现实世界坐标系S_real的粗配准变换矩阵T，再通过最小二乘法得到最优粗配准变换矩阵，完成粗配准；再根据最优粗配准变换矩阵，将患者脑部立体模型、手术计划投射至混合现实世界坐标系S_real中，完成精配准，实现患者真实头部结构与患者脑部立体模型和手术计划的准确匹配；
步骤6、混合现实空间注册完成后，通过对真实线圈进行标定，获取其中心坐标及姿态；再通过混合现实设备对真实线圈进行实时追踪，并将虚拟线圈与真实线圈在眼镜环境中融合叠加；再通过建立位置引导和姿态引导方法，将手术计划中的线圈位置与真实线圈位置进行对齐，从而完成对医生的辅助，完成混合现实引导的经颅磁刺激手术。
2.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤1中，术前医学影像为使用CT仪或核磁仪等设备采集的术前人体图像。
3.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤4中，对患者脑部立体模型进行解析，将其分解为坐标集合和拓扑集合，并根据头戴式眼镜的硬件特点，进行三角面片的拆分、远程传输和模型拼接，从而将患者脑部立体模型导入头戴式眼镜中。
4.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤4中，将手术计划以图形信息方式传输到头戴式眼镜中。
5.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤5中，患者生物特征点自动定位方法是：通过卷积神经网络对患者面部生物特征点进行训练，通过光学空间定位仪，在光学空间定位仪上的左摄像机和右摄像机分别进行生物特征点的检测与像素定位。
6.根据权利要求5所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤5中，患者面部生物特征点包括内眼角点、外眼角点、鼻尖点、鼻翼点、唇角点和眉心。
7.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤5中，最小二乘法的公式如下：
Figure FDA0004154744170000021
式(1)中，R为旋转矩阵，t为平移矩阵；ps i表示术前医学影像空间坐标系S_photo中的生理特征点位，作为起始点组；pt i表示混合现实世界坐标系S_real中患者的生理特征点位，作为目标点组；Np代表的是点对的数量；
最小二乘法的目标是求出使得因变量f(R,t)取得最小值时的自变量R和t的值；计算起始点组中的所有点经过旋转和平移后与目标点组中对应点的欧氏距离的均方值；所以当欧氏距离均方值取得最小时，起始点组与目标点组之间的差距处于最小状态，即获得了最优的旋转矩阵R和平移矩阵t，进而得到了最优粗配准变换矩阵T。
8.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤5中，精配准具体是：通过空间标定器械的探针在颅面部进行往复扫描，通过双目相机持续获取针尖点的位置坐标，构建出颅面处于混合现实世界坐标系S_real中的稀疏点云SPC_W，同时对患者脑部立体模型进行离散化处理，得到点云SPC_I，再根据最优粗配准变换矩阵，以SPC_W为源点云，以SPC_I为目标点云，求得混合现实世界坐标系S_real到术前医学影像空间坐标系S_photo的精配准变换矩阵，再求其逆矩阵，完成精配准。
9.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤5中，精配准的算法流程如下：
(1)定义SPC_W点云的初始状态为SPC_W0，第n次循环迭代过程中状态为SPC_W(n)；
(2)在SPC_W(n)点云集合中，为每一个点寻找距离SPC_I点集中的距离最近点，所有的距离最近点组成SPC_I0集合；采用最小二乘思想与奇异值分解计算SPC_W(n)集合与SPC_I0集合的刚性变换矩阵，并将矩阵作用于SPC_W(n)点云上，更新SPC_W(n)；
(3)持续进行迭代，直到SPC_W(n)与SPC_I点集之间的欧氏距离均方值小于预先设定的阈值，即满足迭代终止条件，输出结果，终止算法流程；如进行n次迭代后，仍未满足终止条件，算法终止，输出结果；
SPC_W(n)是第n次迭代过程中的临时点云，就是每次迭代过程中重复把刚性矩阵应用于探针扫描点云SPC_W上；SPC_I为目标点云，就是患者CT重建的皮肤点云。
10.根据权利要求1所述的基于混合现实空间注册的经颅磁刺激治疗方法，其特征在于，步骤6中，混合现实设备采用Hololens眼镜。
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