CN215691052U - 基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，包括：脑部扫描单元、影像单元、电生理信号单元、颅骨穿刺单元和传送单元；脑部扫描单元、电生理信号单元和传送单元均与影像单元连接；电生理信号单元和颅骨穿刺单元均与传送单元连接；脑部扫描单元用于获取患者脑部磁共振扫描图像；影像单元用于生成脑深部电极的预设植入数据；电生理信号单元用于在传送单元的传送动作下采集患者的脑深部电生理信号；颅骨穿刺单元用于对患者实施穿刺操作；传送单元还用于带动脑深部电极完成植入操作。本申请集成了影像处理功能、电生理记录功能和电极植入功能，实现电极的精准植入。

Description

基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统

技术领域

本申请属于医疗器械技术领域，具体涉及基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统。

背景技术

随着癫痫外科及功能神经外科在我国的迅速发展，使用深部脑电监测及神经调控的方式监测癫痫病灶或治疗功能神经外科疾病(如帕金森病等)，已成为这两类过去难以治疗的疾病的主要治疗方式。神经操作人员希望通过立体定向方式将各类脑部电极(包括脑深部电刺激(DBS)电极、立体脑电监测(SEEG)电极、射频及激光毁损电极等)精准地插入脑部特定目标结构(靶点)，从而向电极尖端周围的脑组织结构发放电刺激、射频辐射或激光脉冲，进而影响脑部核团功能或毁损脑部结构，发挥治疗作用；或通过脑电监测电极记录周围脑组织的电生理活动，进而确定癫痫病灶范围，对癫痫外科手术方式的选择具有关键意义。目前的电极植入手术过程中，通常操作人员首先通过三维立体定位装置确定病人脑部的靶点位置，然后根据靶点位置在颅骨寻找合适的部位钻孔并切开脑膜，再将刺激或监测电极通过骨孔和脑膜缺口插入到相应的靶点位置，部分操作人员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操作人员根据经验决定，而整个电极植入过程则是由操作人员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；此外，由于手术操作需要一定空间，手术切口长度通常为5-7cm、骨孔直径大小1.5-2.0cm、脑膜切开区域直径约1.2-1.5cm，因此这种手术仍具有一定损伤，且术后存在出现切口愈合不良、脑脊液漏等并发症的可能。目前也有研究在设置好靶点后通过机械臂替代手术医生操作进行电极植入，但切开头皮、钻孔等操作仍由手术医生完成，且依然存在植入后效果不佳的情况，其总手术时间甚至超过不借助机械臂的手术医生单独操作的时间。因此，对于脑深部电极植入进行治疗或监测这种对精度要求极高的手术，急需开发一种能够精确定位并完成电极精准植入的医疗设备，提升手术精度和自动化程度、减少人为和系统误差、降低手术创伤、减少手术时间。

实用新型内容

本申请提出了基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，传送单元根据预设植入数据，带动电生理信号采集装置探测脑深部电生理信号，确定一个效果最优的电极植入点，再将脑刺激电极植入该最终的电极植入点，实现电极的精准植入。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，包括：脑部扫描单元、影像单元、电生理信号单元、颅骨穿刺单元和传送单元；

所述脑部扫描单元、所述电生理信号单元和所述传送单元均与所述影像单元连接；

所述电生理信号单元和所述颅骨穿刺单元均与所述传送单元连接；

所述脑部扫描单元用于获取患者脑部磁共振扫描图像；

所述影像单元用于根据所述脑部磁共振扫描图像生成脑深部电极的预设植入数据，所述预设植入数据包括预设靶点位置和预设植入通路；

所述电生理信号单元用于在所述传送单元的传送动作下采集患者的脑深部电生理信号，并生成实际植入点；

所述颅骨穿刺单元用于对患者实施穿刺操作；

所述传送单元还用于带动脑深部电极完成植入操作。

优选的，所述脑部扫描单元为核磁共振影像采集设备。

优选的，所述影像单元单元包括交互单元、定位单元和显示单元；

所述交互单元和所述显示单元均与所述定位单元连接；

所述定位单元还与所述脑部扫描单元和所述传送单元连接；

所述交互单元用于操作人员操作；

所述定位单元用于根据所述脑部磁共振扫描图像生成所述脑深部电极的所述预设植入数据；

所述显示单元显示所述预设植入数据。

优选的，所述定位单元包括顺次连接的脑影像单元、靶点单元和通路单元；

所述脑影像单元还与所述脑部扫描单元连接，所述脑影像单元用于接收所述脑部磁共振扫描图像，并生成脑部三维立体影像；

所述靶点单元用于根据所述脑部三维立体影像生成所述预设靶点位置；

所述通路单元用于根据所述预设靶点位置生成所述预设植入通路；

所述脑部三维立体影像、所述预设靶点位置和所述预设植入通路均显示在所述显示单元。

优选的，所述颅骨穿刺单元包括穿刺针和穿刺套管；

所述穿刺针位于所述穿刺套管内部；

所述穿刺针用于实施所述穿刺操作，并带动所述穿刺套管前行；

所述穿刺套管用于形成脑深部电极植入通路。

优选的，所述电生理信号单元包括相互连接的电生理信号采集装置和电生理信号评价模块；

所述电生理信号采集装置还与所述传送单元连接，所述电生理信号采集装置在所述传送单元的带动下采集患者的所述脑深部电生理信号；

传送单元连接，所述电生理信号评价模块将所述脑深部电生理信号的位置显示在所述显示单元，以及当所述脑深部电生理信号达到强度条件时，在所述显示单元发出优选提示；操作人员根据所述优选提示，通过所述交互单元设定所述实际植入点。

优选的，所述传送单元包括自动控制模块、稳定装置和传送装置；

所述稳定装置和所述自动控制模块均与所述传送装置连接；

所述自动控制模块还与所述靶点单元、所述通路单元和所述电生理信号评价模块连接，所述自动控制模块用于根据所述预设靶点位置和所述预设植入通路，控制所述传送装置带动所述电生理信号采集装置采集患者的所述脑深部电生理信号。

优选的，所述传送单元还包括装置转盘；

所述装置转盘与所述自动控制模块连接；

所述装置转盘上安放有手术器械；

所述装置转盘用于在所述自动控制模块的控制下，向所述传送装置提供所述手术器械。

本申请的有益效果为：

本申请公开了基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，基于脑部三维立体影像自动获取预设植入数据，通过传送单元带动颅骨穿刺单元进行穿刺操作，然后通过电生理信号单元采集脑深部电生理信号，寻找到电极植入的最佳位置点，最终传送单元将脑深部电极准确植入最佳电极刺激点。本申请通过影像和电生理信号的双重定位，能够确定治疗效果最佳的电极植入点，通过传送单元实现电极的精准植入，有效保证了脑深部电刺激的手术精度，整个植入过程自动完成，无需人工参与，精度高。本系统具有广阔的推广空间和使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

如图1所示，本申请实施例基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统结构示意图，包括：脑部扫描单元、影像单元、电生理信号单元、颅骨穿刺单元和传送单元。

具体的，脑部扫描单元、电生理信号单元和传送单元均与影像单元连接；电生理信号单元和颅骨穿刺单元还均与传送单元连接。

其中，脑部扫描单元用于获取患者脑部磁共振扫描图像；影像单元用于根据脑部磁共振扫描图像生成脑深部电极的预设植入数据，预设植入数据包括预设靶点位置和预设植入通路；电生理信号单元用于在传送单元的传送动作下采集患者的脑深部电生理信号，并生成实际植入点；颅骨穿刺单元用于对患者实施穿刺操作；传送单元还用于带动颅骨穿刺单元实施穿刺操作，以及带动脑深部电极完成植入操作。

应当注意的是，由于目前的核磁共振扫描存在分辨率和信噪比等方面的局限性，在目前的脑部三维立体影像中还不能精准的确定一个最佳的脑深部电极植入点位置，只能根据一定的定位规则确定一个经验性的靶点位置，但在治疗效果上这个位置可能并不是最优靶点，因此，才导致电刺激效果有时候不能达到预期疗效的情况出现。

在本实施例中，采用核磁共振影像设备MRI采集患者的脑部磁共振扫描图像，并发送至影像单元。

影像单元单元包括交互单元、定位单元和显示单元；交互单元和显示单元均与定位单元连接；定位单元还与脑部扫描单元和传送单元连接；交互单元用于操作人员操作；定位单元用于根据脑部磁共振扫描图像生成脑深部电极的预设植入数据；显示单元显示预设植入数据。

进一步的，影像单元中的定位单元包括顺次连接的脑影像单元、靶点单元和通路单元；脑影像单元还与脑部扫描单元连接，脑影像单元用于接收脑部磁共振扫描图像，并生成脑部三维立体影像；靶点单元用于根据脑部三维立体影像生成预设靶点位置；通路单元用于根据预设靶点位置生成预设植入通路。脑部三维立体影像、预设靶点位置和预设植入通路均显示在显示单元。

在本实施例中，脑影像单元接收患者的脑部磁共振扫描图像，生成患者的脑部三维立体影像。靶点单元在该三维立体影像的基础上，借助于人工智能和机器学习技术分析得出预设靶点位置，然后由操作人员通过交互单元确认。关于人工智能算法，可借鉴丘脑底核作为靶点的方式：将MRI图像进行AI处理，自动识别红核最大截面所在的层面，在红核前缘水平切面的丘脑底核中点作为靶点，最后由人工根据经验对丘脑底核重心进行微调，以确认影像靶点的位置。同时，通过人工智能算法识别颅骨冠状缝，在冠状缝前方0-3cm、中线旁开2-5cm区域选择入点并进行人工微调，使穿刺路径避开脑沟和脑室，尽量在脑实质内通过。

之后，通路单元根据预设靶点位置，在三维影像上模拟生成脑深部电极的预设植入通路。在本实施例中，通过MRI图像可以形成三维成像，或者三轴切片图，进而形成预设植入通路。该预设植入通路是微钻装置在颅骨上开骨孔和穿刺针的穿刺规划路径，路径规划以避开脑部神经和血管为原则，且尽量最短。

在本实施例中，显示单元采用带有触摸反馈的可交互的影像显示设备，即作为交互单元供操作人员操作本实施例系统，同时将预设靶点和预设植入通路都显示在显示单元上，也方便操作人员操作，例如，在确认靶点位置和植入路径最优位置后再开始电极植入。但是，如前所述，预设靶点并不一定是手术效果最好的位置，在电极植入过程中需通过电生理监测手段，确立最终的电极植入位置。整个植入过程中，操作人员可直观获悉脑深部植入手术的植入点和穿刺路径情况，还可随时观察电极尖端位置及其周围解剖结构，便于更准确地解读电生理记录信号的定位信息。

进一步的，可以在交互单元增加修正模块。毕竟，现在的预设靶点和预设植入通路，可能会存在一些无法规避的客观问题，例如患者头部的具体情况，所以，此时，操作人员可以通过修正模块，基于患者的实际情况，对预设靶点和预设植入通路做出相应的修正，以降低植入手术的风险。

在本实施例中，颅骨穿刺单元包括穿刺针和穿刺套管；穿刺针位于穿刺套管内部，用于在传送装置的带动下实施穿刺操作，并带动穿刺套管前行；穿刺套管用于形成脑深部电极植入通路。

在本实施例中，传送单元包括自动控制模块、稳定装置和传送装置；具体的，稳定装置和自动控制模块均与传送装置连接，自动控制模块还与靶点单元、通路单元和电生理信号单元连接。稳定装置用于传送单元与患者头部的稳定连接，以确保植入手术不受患者头部移动的影响，并保证传送的稳定性和精度。包括对头皮、颅骨、脑膜实施切开、钻孔等操作在内的穿刺操作，由专业操作人员完成，这样可以在操作过程中，通过操作人员的经验，感知穿刺过程，避免不必要的穿刺损伤。现有的穿刺手术通常使用电凝针，在穿刺过程中凭借医生的手感找到脑硬膜，然后电凝穿透。在本实施例中，颅骨穿刺单元包括穿刺针和穿刺套管，均采用现有技术实施。其中，穿刺针位于穿刺套管内部。操作人员根据预设靶点位置和预设植入通路进行穿刺操作，并通过显示单元实时查看穿刺进度，当行进到预设靶点位置时，将穿刺针从穿刺套管中退出，穿刺套管保留在原位，以形成脑深部电极植入通路。

此时穿刺套管生成的电极植入通路，与先前设计的预设植入通路和预设靶点位置基本一致，但还不是最优的脑深部电极刺激点，如前所述，鉴于现在的医疗技术水平，还不能直接确立一个治疗效果最优的电极植入点。对此，在本实施例中设置了电生理信号单元，包括相互连接的电生理信号采集装置和电生理信号评价模块；电生理信号采集装置还与传送装置连接，电生理信号采集装置在传送装置的带动下沿穿刺套管前行，以采集患者的脑深部电生理信号；电生理信号评价模块与显示单元和传送单元的自动控制模块连接，并将脑深部电生理信号的位置实时显示在显示单元上，当脑深部电生理信号达到强度条件时，在显示单元发出优选提示，操作人员停止传送单元的传送动作，在显示单元上通过交互单元设定实际植入点。这个过程可通过以下技术实现，电生理信号采集装置实时采集穿刺套管周边的脑深部电生理信号，电生理信号评价模块接收该脑深部电生理信号，结合人工智能算法评价信号强度，可借鉴的方法：在穿刺通道上自动记录单细胞放电和场电位放电信号，以前3-5个能量低的位点作为基线，计算能量标准差，以超过此标准差4-5倍电压的放电认定为单细胞放电，计算每个位点单细胞放电的均方根，计算单细胞放电平均值、实时放电频谱、时频能量图，以具有较稳定单细胞放电且全部电压值标准差超过基线值2-2.5倍以上的位点作为核团位点，以核团内能谱中β震荡最明显的位点作为显效位点，宏电极放置位置需覆盖尽量多的核团部分，且必须覆盖显效位点所在的位置，此时得到到位置，即为最优的脑深部电极的植入位置，即实际植入点。自动传送单元的自动控制模块记录传送装置在此传送过程中的步进数据，最后，将脑深部电极按照该步进数据植入刚刚确定的实际植入点，从而达到精准植入的目的。

在本实施例中，传送单元还设置有装置转盘；装置转盘与自动控制模块连接；装置转盘上安放有手术器械，包括电生理信号采集装置、脑深部电极等，装置转盘在自动控制模块的控制下，按照手术操作顺序，适时的向传送装置提供相应的手术器械，由于所有的手术器械都是由同一个传送装置从装置转盘上取出，因此，可以保证每次行进动作的数据一致。进一步的，还可在装置转盘上放置电极固定装置，并由传送装置按照预设植入通路安装电极固定装置，以完成脑深部电极的固定。

在整个电极植入过程中，影像单元的显示单元实时显示患者的脑部三维立体影像、预设靶点的位置、预设植入通路，以及实时显示电生理信号采集装置所采集的脑深部电生理信号的位置，和最终的实际植入点的位置。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.基于影像和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：脑部扫描单元、影像单元、电生理信号单元、颅骨穿刺单元和传送单元；

所述脑部扫描单元、所述电生理信号单元和所述传送单元均与所述影像单元连接；

所述电生理信号单元和所述颅骨穿刺单元均与所述传送单元连接；

所述脑部扫描单元用于获取患者脑部磁共振扫描图像；

所述影像单元用于根据所述脑部磁共振扫描图像生成脑深部电极的预设植入数据，所述预设植入数据包括预设靶点位置和预设植入通路；

所述电生理信号单元用于在所述传送单元的传送动作下采集患者的脑深部电生理信号，并生成实际植入点；

所述颅骨穿刺单元用于对患者实施穿刺操作；

所述传送单元还用于带动脑深部电极完成植入操作。

2.根据权利要求1所述的基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于，所述脑部扫描单元为核磁共振影像采集设备。

3.根据权利要求1所述的基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于，所述影像单元单元包括交互单元、定位单元和显示单元；

所述交互单元和所述显示单元均与所述定位单元连接；

所述定位单元还与所述脑部扫描单元和所述传送单元连接；

所述交互单元用于操作人员操作；

所述定位单元用于根据所述脑部磁共振扫描图像生成所述脑深部电极的所述预设植入数据；

所述显示单元显示所述预设植入数据。

4.根据权利要求3所述的基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于，所述定位单元包括顺次连接的脑影像单元、靶点单元和通路单元；

所述脑影像单元还与所述脑部扫描单元连接，所述脑影像单元用于接收所述脑部磁共振扫描图像，并生成脑部三维立体影像；

所述靶点单元用于根据所述脑部三维立体影像生成所述预设靶点位置；

所述通路单元用于根据所述预设靶点位置生成所述预设植入通路；

所述脑部三维立体影像、所述预设靶点位置和所述预设植入通路均显示在所述显示单元。

5.根据权利要求4所述的基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于，所述颅骨穿刺单元包括穿刺针和穿刺套管；

所述穿刺针位于所述穿刺套管内部；

所述穿刺针用于实施所述穿刺操作，并带动所述穿刺套管前行；

所述穿刺套管用于形成脑深部电极植入通路。

6.根据权利要求4所述的基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于，所述电生理信号单元包括相互连接的电生理信号采集装置和电生理信号评价模块；

所述电生理信号采集装置还与所述传送单元连接，所述电生理信号采集装置在所述传送单元的带动下采集患者的所述脑深部电生理信号；

所述电生理信号评价模块与所述显示单元和传送单元连接，所述电生理信号评价模块将所述脑深部电生理信号的位置显示在所述显示单元，以及当所述脑深部电生理信号达到强度条件时，在所述显示单元发出优选提示；操作人员根据所述优选提示，通过所述交互单元设定所述实际植入点。

7.根据权利要求6所述的基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于，所述传送单元包括自动控制模块、稳定装置和传送装置；

所述稳定装置和所述自动控制模块均与所述传送装置连接；

所述自动控制模块还与所述靶点单元、所述通路单元和所述电生理信号评价模块连接，所述自动控制模块用于根据所述预设靶点位置和所述预设植入通路，控制所述传送装置带动所述电生理信号采集装置采集患者的所述脑深部电生理信号。

8.根据权利要求7所述的基于影像和电生理实时定位的脑深部电极自动植入系统，其特征在于，所述传送单元还包括装置转盘；

所述装置转盘与所述自动控制模块连接；

所述装置转盘上安放有手术器械；

所述装置转盘用于在所述自动控制模块的控制下，向所述传送装置提供所述手术器械。

Images