CN117064512A - 一种电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及脑深部电极植入技术领域，具体地说，涉及一种电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，包括导航路径获取单元、穿刺记录监控单元、路径偏离监控单元和智能控制单元，导航路径获取单元通过扫描患者头部区域获取头部三维模型，定位电极植入脑深部具体位置，并制定穿刺植入电极导航路径，按照设定的路径精确地对患者头部进行穿刺操作，同时，通过路径偏离监控单元对穿刺路径与导航路径获取单元中导航路径进行对比，当路经偏离值大于偏离阈值时暂停穿刺作业，同时发送调整信号至智能控制单元，并快速规划穿刺路径，在穿刺偏离时及时报警提醒，并规划新路径，保障对患者脑深部精准植入电极，提高治疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及脑深部电极植入技术领域，具体地说，涉及一种电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统。
背景技术
随着医疗技术的发展，脑深部电极植入是治疗运动障碍和神经精神疾病等脑部相关疾病的一种关键手段，外科医生在电极植入过程中借助于电生理监测信号对最终植入位置进行人为判断。在这个过程中，穿刺靶点、穿刺路径、最终植入深度等与术后效果直接相关的关键因素的选择都是由外科医生根据经验决定。但是，因为脑深部结构复杂，手术人员准确定位脑深部目标区域的难度较大，在对头部进行穿刺过程中，整个电极植入过程则是由外科医生借助工具及手术器械完成，其植入精度的系统误差和随机误差均较大，出现人为错误的几率也较高，穿刺路径偏离规划路径时，手术人员难以及时发现调整，导致电极植入脑深部位置偏移，使治疗效果欠佳。
为了应对上述问题，我们提出一种电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统。
发明内容
本发明的目的在于提供电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，提供了电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，包括导航路径获取单元、穿刺记录监控单元、路径偏离监控单元和智能控制单元，其中；
所述导航路径获取单元用于扫描患者头部区域获取头部三维模型，监测和分析患者脑神经元活动的电信号，结合头部三维模型确定电极植入脑深部具体位置信息，根据位置信息制定穿刺植入电极导航路径；
所述穿刺记录监控单元用于获取导航路径获取单元中导航路径，并对患者头部进行穿刺操作，对穿刺路径进行实时记录和监控；
所述路径偏离监控单元用于设定偏离阈值，对穿刺路径与导航路径进行对比，当穿刺路径偏离设定偏离阈值，则报警提示并暂停穿刺作业，发送调整信号至智能控制单元；
智能控制单元用于接收路径偏离监控单元中调整信号，实时监测患者体征数据，并根据穿刺偏离位置为起始点，通过导航路径获取单元重新制定穿刺植入电极导航路径，同时智能控制单元控制电极的植入深度和速度，并实时监测和分析神经元活动的电信号，确保电极的位置和深度正确。
作为本技术方案的进一步改进，所述导航路径获取单元采用核磁共振仪，核磁共振仪利用磁场和无线电波来获取头部组织的信号，生成详细的断层图像从而获取头部三维模型。
作为本技术方案的进一步改进，所述导航路径获取单元中包括电极位置获取模块和导航路径规划模块；
所述电极位置获取模块通过脑电图获取患者脑神经元活动的电信号，并使用电生理设备对电信号进行分析，确定电极植入在脑深部的位置；
所述导航路径规划模块通过导航系统确定穿刺起始位置和电极植入位置，规划的穿刺路径并进行导航标记形成导航路径。
作为本技术方案的进一步改进，述穿刺记录监控单元包括穿刺模块和记录和监控模块；
所述穿刺模块用于控制机器臂的关节运动，使其按照设定的路径精确地对患者头部进行穿刺操作；
所述记录和监控模块通过实时影像采集显示机器臂的位置状态，以及穿刺路径的情况。
作为本技术方案的进一步改进，所述穿刺记录监控单元还包括力反馈模块，通过在机器臂上添加力传感器，可以实时感知机器臂与患者头部之间的接触力，从而调整穿刺力度。
作为本技术方案的进一步改进，所述路径偏离监控单元包括穿刺路径对比模块和报警模块；
所述穿刺路径对比模块用于设定偏离阈值，将实际穿刺路径与导航路径进行对比并计算偏离值，偏离值大于偏离阈值时则暂停穿刺作业；
所述报警模块用于接收穿刺路径对比模块中穿刺路径偏离信息，并进行报警提示。
作为本技术方案的进一步改进，所述路径偏离监控单元还包括实时反馈和校正模块，所述实时反馈和校正模块对穿刺路径偏差距离进行实时反馈，并提供校正建议。
作为本技术方案的进一步改进，所述智能控制单元通过心电监护仪、血压计、脉搏氧饱和度仪和呼吸监测仪对患者体征数据进行实时监测，用于判断患者生理状态，在穿刺作业过程中及时作出相应调整。
作为本技术方案的进一步改进，所述智能控制单元包括重新规划模块和控制模块；
所述重新规划模块用于定位实际穿刺过程中的偏离位置，将偏离位置作为新路径的起始点，通过导航路径规划模块重新制定穿刺植入电极导航路径；
所述控制模块通过静力平衡的原理来控制电极的植入深度和速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统中，通过导航路径获取单元扫描患者头部区域获取头部三维模型，定位电极植入脑深部具体位置，并制定穿刺植入电极导航路径，通过穿刺记录监控单元通过控制机器臂的关节运动，使其按照设定的路径精确地对患者头部进行穿刺操作，提高穿刺过程中的稳定性，同时，设定偏离阈值，通过路径偏离监控单元对穿刺路径与导航路径获取单元中导航路径进行对比，当路经偏离值大于偏离阈值时暂停穿刺作业，同时发送调整信号至智能控制单元，通过智能控制单元实时监测患者体征状态，并快速规划穿刺路径，对电极植入过程中实时监测，并在穿刺偏离时及时报警提醒，并规划新路径，保障对患者脑深部精准植入电极，提高治疗效果。
1、该电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统中，通过力反馈模块在通机器臂上添加力反馈装置，可以实时感知机器臂与患者头部之间的接触力，操作人员可以根据力反馈装置提供的实时数据，在穿刺过程中调整机器臂施加的力度，以避免过度压力或力度不足，从而减少患者的不适和损伤。
附图说明
图1为本发明的整体模块工作原理示意图；
图2为本发明的整体模块示意图。
图中各个标号意义为：
100、导航路径获取单元；110、电极位置获取模块；120、导航路径规划模块
200、穿刺记录监控单元；210、穿刺模块；220、记录和监控模块；230、力反馈模块；
300、路径偏离监控单元；310、穿刺路径对比模块；320、报警模块；330、实时反馈和校正模块；
400、智能控制单元；410、重新规划模块；420、控制模块。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1-图2所示，提供了一种电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，包括导航路径获取单元100、穿刺记录监控单元200、路径偏离监控单元300和智能控制单元400，其中；
导航路径获取单元100用于扫描患者头部区域获取头部三维模型，监测和分析患者脑神经元活动的电信号，结合头部三维模型确定电极植入脑深部具体位置信息，根据位置信息制定穿刺植入电极导航路径。
由于在脑深部植入电极过程中，需要精准对电极植入位置进行定位，从而达到良好的治疗效果，因此，导航路径获取单元100采用核磁共振仪，核磁共振仪利用磁场和无线电波来获取头部组织的信号，生成详细的断层图像从而获取头部三维模型；
导航路径获取单元100中包括电极位置获取模块110和导航路径规划模块120；
电极位置获取模块110通过脑电图获取患者脑神经元活动的电信号，并使用电生理设备对电信号进行分析，确定电极植入在脑深部的位置；
导航路径规划模块120通过导航系统确定穿刺起始位置和电极植入位置，规划的穿刺路径并进行导航标记形成导航路径。
具体使用时，核磁共振仪通过利用磁场和无线电波来获取头部组织的信号，生成详细的断层图像，患者头部会被放置在核磁共振仪机器中，根据设备的要求保持相对静止，最终可以从核磁共振仪图像数据中重建患者头部三维模型，电极位置获取模块110通过脑电图技术，获取患者脑神经元活动的电信号，这些信号记录了脑神经元的电活动，并传递到检测设备中进行分析处理，从而帮助医生诊断患者是否存在异常脑电活动，通过将电信号分析与头部三维模型结合起来，对患者植入脑深部位置进行确定，这有助于提高手术的准确性、安全性和成功率；导航路径规划模块120通过确定穿刺起始位置和电极植入位置，在患者头部表皮进行标记，利用导航工具和患者的头部影像数据，进行路径规划，结合患者的头部三维模型以及植入电极目标的位置来确定最佳的穿刺路径，将路径标记在患者头部表皮上，这可以通过贴上特殊的标记片、使用可消毒的笔进行标记，或者通过导航系统的可视化界面来实现，通过导航路径获取单元100对电极植入位置进行精准定位，同时，导航路径获取单元100对穿刺路径进行规划，得到最优穿刺规划路径。
穿刺记录监控单元200用于获取导航路径获取单元100中导航路径，并对患者头部进行穿刺操作，对穿刺路径进行实时记录和监控。
为了在穿刺过程对穿刺路径实时监控，从而及时发现路径偏移，因此，穿刺记录监控单元200包括穿刺模块210和记录和监控模块220；
穿刺模块210用于控制机器臂的关节运动，使其按照设定的路径精确地对患者头部进行穿刺操作；记录和监控模块220通过实时影像采集显示机器臂的位置状态，以及穿刺路径的情况；
穿刺模块210控制机器臂按照设定的路径精确地对患者头部进行穿刺，具体步骤如下：
获取导航路径：获取导航路径，确定机器臂需要按照哪些关节运动来沿着路径移动；
机器臂控制：将路径和规划的相关信息输入机器臂的控制系统，根据设备和控制系统的不同，控制界面或其他方式来实现机器臂的控制；
运动传递：机器臂控制系统将命令传递给机器臂的关节，使其按照规划的路径进行运动，通过电动驱动骑驱动机器臂对患者头部进行穿刺作业。
记录和监控模块220通过实时影像采集显示机器臂的位置状态，包括以下步骤：
安装影像采集系统：在机器臂上安装一个合适的影像采集系统，例如摄像头或者传感器，这个系统需要能够实时采集影像，并传输给相应的计算设备进行处理和显示；
影像采集和传输：影像采集系统会持续采集机器臂周围的影像，包括机器臂自身和工作环境，采集得到的影像可以通过有线或无线方式传输给计算设备；
位置状态识别：通过影像处理技术，分析和识别机器臂的位置状态。可以使用计算机视觉算法，比如特征提取、目标检测、运动跟踪等方法，来识别机器臂的位置状态；
穿刺路径显示：根据识别出的机器臂位置状态，结合预设的穿刺路径信息，计算和显示实际的穿刺路径；
监控和控制：通过实时影像显示机器臂的位置状态和穿刺路径，操作者可以进行监控和控制。
穿刺记录监控单元200还包括力反馈模块230，通过在机器臂上添加力传感器，可以实时感知机器臂与患者头部之间的接触力，从而调整穿刺力度。
力传感器通常使用应变测量原理或其他技术来感知力的大小和方向。当机器臂施加力量到头部时，感应元件会发生形变，进而引起电信号的变化，通过对这些电信号的测量，可以得到与接触力有关的信息，比如压力、张力或剪切力等，这样的接触力信息可以用于实时监控操作过程中机器臂与患者头部的接触状态，基于这些反馈信息，操作人员可以及时了解机器臂与患者头部之间的力度及变化，帮助调整操作方式，确保穿刺过程的安全性和准确性，具体包括以下步骤：
安装力传感器：将力传感器安装在机器臂的接触点上，以便感知机器臂与患者头部之间的接触力，确保力传感器与机器臂稳固连接，并能准确地测量力的大小和方向。
力反馈控制：将力传感器与机器臂的控制系统连接，以实现实时的力反馈控制，通过监测力传感器的输出，机器臂可以感知到与头部接触的力，从而根据设定的规则或算法对穿刺力度进行调整；
力度调整策略：根据力传感器的读数和患者的情况，制定适当的力度调整策略。这可以包括设定合适的力度阈值以触发力度调整，或者根据力度的增减来实时调整机器臂的运动。
实时监控和反馈：通过实时监控力传感器的反馈信息，机器臂操作人员可以了解当前的接触力度，并根据需要进行调整，这种反馈可以通过视觉界面、声音提示或其他形式进行。
路径偏离监控单元300用于设定偏离阈值，对穿刺路径与导航路径进行对比，当穿刺路径偏离设定偏离阈值，则报警提示并暂停穿刺作业，发送调整信号至智能控制单元400。
考虑到机器臂在进行穿刺过程中，穿刺位置因头部阻力导致路径偏移，因此，路径偏离监控单元300包括穿刺路径对比模块310和报警模块320；
穿刺路径对比模块310用于设定偏离阈值，将实际穿刺路径与导航路径进行对比并计算偏离值，偏离值大于偏离阈值时则暂停穿刺作业；报警模块320用于接收穿刺路径对比模块310中穿刺路径偏离信息，并进行报警提示，具体步骤如下：
设定偏离阈值：根据实际情况，确定一个偏离阈值，这可以是一个预先设定的数值，表示允许的最大偏离范围，比如，设定偏离阈值为导航路径5％，当实际穿刺路径偏离导航路径5％内时，正常穿刺作业，当偏离阈值超过5％时，控制机器臂暂停穿刺作业；
导航路径规划：根据患者头部的解剖结构和治疗需求，通过导航软件或算法规划一个理想的穿刺路径，这个路径将作为参考路径，与实际穿刺路径进行比较；
实时位置监测：利用机器视觉、传感器等技术，实时监测机器臂的位置和姿态，以获取实际穿刺的路径信息；
计算偏离值：将实际穿刺路径与导航路径进行比较，并计算偏离值。可以使用数值计算方法，如欧几里得距离或角度差等来评估两个路径之间的偏差程度；
比较与判断：将计算得到的偏离值与事先设定的偏离阈值进行比较。如果偏离值超过了阈值，则判断穿刺操作已经偏离设定的路径，需要暂停穿刺作业进行进一步检查和调整。
暂停作业：当偏离值超过偏离阈值时，触发相应的暂停信号或控制命令，使机器臂停止穿刺操作，同时，操作人员可以进行必要的调整、检查或纠正操作，然后继续穿刺作业。
路径偏离监控单元300还包括实时反馈和校正模块330，实时反馈和校正模块330对穿刺路径偏差距离进行实时反馈，并提供校正建议，具体包括以下步骤：
实时距离反馈：通过计算当前穿刺路径与预设路径之间的距离偏差，可以实时反馈给操作者，这可以通过图像处理技术或者传感器数据分析来实现。操作者能够直观地了解当前穿刺的偏差距离，并对其进行及时调整；
校正建议提供：基于实时距离反馈，系统可以根据偏差情况提供校正建议，校正建议可以是文本、语音或者可视化的方式呈现给操作者，建议可能包括调整机器臂的角度、深度或方向等，以纠正偏差并重新对齐穿刺路径；
算法支持：为了提供准确的校正建议，系统需要借助路径规划算法进行路径数据分析和建议生成；
实时可视化：为了更清晰地呈现穿刺路径偏差和校正建议，可以将当前路径和预设路径以可视化的方式进行叠加或显示在屏幕上，这样操作者可以直观地观察到路径的偏差情况，并参考校正建议进行操作。
智能控制单元400用于接收路径偏离监控单元300中调整信号，实时监测患者体征数据，并根据穿刺偏离位置为起始点，通过导航路径获取单元100重新制定穿刺植入电极导航路径，同时,智能控制单元400控制电极的植入深度和速度，并实时监测和分析神经元活动的电信号，确保电极的位置和深度正确。
智能控制单元400通过心电监护仪、血压计、脉搏氧饱和度仪和呼吸监测仪对患者体征数据进行实时监测，用于判断患者生理状态，在穿刺作业过程中及时作出相应调整；
考虑到在穿刺过程中，由于患者头部较为坚硬，在穿刺过程中穿刺路径可能与导航路径形成偏移，因此，智能控制单元400包括重新规划模块410和控制模块420；
重新规划模块410用于定位实际穿刺过程中的偏离位置，将偏离位置作为新路径的起始点，通过导航路径规划模块120重新制定穿刺植入电极导航路径，具体包括以下步骤：
实时定位偏离位置：通过图像处理技术或者传感器数据分析，实时定位穿刺操作过程中的偏离位置，可以通过计算实际穿刺点与预设路径之间的差异来判断偏离位置的具体位置和距离；
将偏离位置作为新路径的起始点：根据实时定位的偏离位置，将其作为新路径的起始点；
制定新的电极导航路径：根据新的起始点，通过路径规划算法重新制定穿刺植入电极的导航路径；
可视化呈现和实施：将重新制定的电极导航路径以可视化的方式呈现给操作者，这可以是在屏幕上显示路径图像，或者提供导航指引来引导操作者执行新的穿刺过程。
控制模块420通过静力平衡的原理来控制电极的植入深度和速度，通过应用精确的力传感器和反馈控制系统，在电极插入过程中实时测量和调整插入力的大小，以保持力的平衡状态，从而控制电极的植入深度和速度。
本发明具体使用时：通过导航路径获取单元100扫描患者头部区域获取头部三维模型，定位电极植入脑深部具体位置，并制定穿刺植入电极导航路径，通过穿刺记录监控单元200通过控制机器臂的关节运动，使其按照设定的路径精确地对患者头部进行穿刺操作，提高穿刺过程中的稳定性，同时，设定偏离阈值，通过路径偏离监控单元300对穿刺路径与导航路径获取单元100中导航路径进行对比，当路经偏离值大于偏离阈值时暂停穿刺作业，同时发送调整信号至智能控制单元400，通过智能控制单元400实时监测患者体征状态，并快速规划穿刺路径，对电极植入过程中实时监测，并在穿刺偏离时及时报警提醒，并规划新路径，保障对患者脑深部精准植入电极，提高治疗效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：包括导航路径获取单元(100)、穿刺记录监控单元(200)、路径偏离监控单元(300)和智能控制单元(400)，其中；
所述导航路径获取单元(100)用于扫描患者头部区域获取头部三维模型，监测和分析患者脑神经元活动的电信号，结合头部三维模型确定电极植入脑深部具体位置信息，根据位置信息制定穿刺植入电极导航路径；
所述穿刺记录监控单元单元(200)用于获取导航路径获取单元(100)中导航路径，并对患者头部进行穿刺操作，对穿刺路径进行实时记录和监控；
所述路径偏离监控单元(300)用于设定偏离阈值，对穿刺路径与导航路径进行对比，当穿刺路径偏离设定偏离阈值，则报警提示并暂停穿刺作业，发送调整信号至智能控制单元(400)；
所述智能控制单元(400)用于接收路径偏离监控单元(300)中调整信号，实时监测患者体征数据，并根据穿刺偏离位置为起始点，通过导航路径获取单元(100)重新制定穿刺植入电极导航路径，同时，智能控制单元(400)控制电极的植入深度和速度，并实时监测和分析神经元活动的电信号，确保电极的位置和深度正确。
2.根据权利要求1所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述所述导航路径获取单元(100)采用核磁共振仪，核磁共振仪利用磁场和无线电波来获取头部组织的信号，生成详细的断层图像从而获取头部三维模型。
3.根据权利要求1所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述导航路径获取单元(100)中包括电极位置获取模块(110)和导航路径规划模块(120)；
所述电极位置获取模块(110)通过脑电图获取患者脑神经元活动的电信号，并使用电生理设备对电信号进行分析，确定电极植入在脑深部的位置；
所述导航路径规划模块(120)通过导航系统确定穿刺起始位置和电极植入位置，规划的穿刺路径并进行导航标记形成导航路径。
4.根据权利要求1所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述穿刺记录监控单元(200)包括穿刺模块(210)和记录和监控模块(220)；
所述穿刺模块(210)用于控制机器臂的关节运动，使其按照设定的路径精确地对患者头部进行穿刺操作；
所述记录和监控模块(220)通过实时影像采集显示机器臂的位置状态，以及穿刺路径的情况。
5.根据权利要求4所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述穿刺记录监控单元(200)还包括力反馈模块(230)，通过在机器臂上添加力传感器，可以实时感知机器臂与患者头部之间的接触力，从而调整穿刺力度。
6.根据权利要求1所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述路径偏离监控单元(300)包括穿刺路径对比模块(310)和报警模块(320)；
所述穿刺路径对比模块(310)用于设定偏离阈值，将实际穿刺路径与导航路径进行对比并计算偏离值，偏离值大于偏离阈值时则暂停穿刺作业；
所述报警模块(320)用于接收穿刺路径对比模块(310)中穿刺路径偏离信息，并进行报警提示。
7.根据权利要求6所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述路径偏离监控单元(300)还包括实时反馈和校正模块(330)，所述实时反馈和校正模块(330)对穿刺路径偏差距离进行实时反馈，并提供校正建议。
8.根据权利要求1所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述智能控制单元(400)通过心电监护仪、血压计、脉搏氧饱和度仪和呼吸监测仪对患者体征数据进行实时监测，用于判断患者生理状态，在穿刺作业过程中及时作出相应调整。
9.根据权利要求1所述的电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于：所述智能控制单元(400)包括重新规划模块(410)和控制模块(420)；
所述重新规划模块(410)用于定位实际穿刺过程中的偏离位置，将偏离位置作为新路径的起始点，通过导航路径规划模块(120)重新制定穿刺植入电极导航路径；
所述控制模块(420)通过静力平衡的原理来控制电极的植入深度和速度。
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