專利名稱：一種用于重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)顱磁刺激(TMS)的光學(xué)定位導(dǎo)航設(shè)備，具體地涉及一種用于重 復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置。本發(fā)明還涉及一種利用上述校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)顱磁刺激技術(shù)(TMS)出現(xiàn)于1985年，由Barker和他的助手等人首先創(chuàng)立。通過 頭皮刺激大腦皮層運(yùn)動區(qū)、脊髓神經(jīng)根或周圍神經(jīng)，在相應(yīng)的肌肉上記錄復(fù)合肌肉動作電 位。該技術(shù)因具有無痛、無創(chuàng)、操作簡便及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)及功能方面的獨(dú)特性，實(shí)現(xiàn)人類 一直以來的夢想，很快就被應(yīng)用于臨床，成為研究運(yùn)動通路功能的主要手段。重復(fù)性經(jīng)顱磁 刺激(rTMS)是在TMS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的神經(jīng)電生理技術(shù)。目前臨床上重復(fù)經(jīng)顱磁刺 激除了用于興奮運(yùn)動皮層、觀察運(yùn)動誘發(fā)電位外，還可用于定位癲痛患者的語言中樞，評價 認(rèn)知障礙等，它對帕金森病、抑郁癥、腦梗死及癲痛均有一定的治療作用，這些引起了神經(jīng)、 精神科學(xué)工作者的極大興趣。光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)在重復(fù)經(jīng)顱磁刺激治療中的應(yīng)用能夠?qū)⒋糯碳ぞ€圈精準(zhǔn)地定 位到患者身體的病變區(qū)域，這就需要將磁刺激線圈進(jìn)行準(zhǔn)確地校準(zhǔn)。目前臨床上使用較多 的磁刺激線圈的校準(zhǔn)方法是在現(xiàn)有光學(xué)定位工具之外再另外制作一個用于校準(zhǔn)的校準(zhǔn)板。 在校準(zhǔn)板上有精確放置的三個或四個用于定位的紅外發(fā)射球裝置，這些是用于能被光學(xué)定 位系統(tǒng)檢測并確定其校準(zhǔn)板的坐標(biāo)與位置。在校準(zhǔn)板上可以制作一些突出的標(biāo)志來與需要 校準(zhǔn)的磁刺激線圈進(jìn)行規(guī)定方向和姿勢的握手接觸，這樣便既可以校準(zhǔn)了磁刺激線圈需要 介入治療點(diǎn)的精確空間位置，同時又可以將此磁刺激線圈的空間姿態(tài)定位出來。但此方法 的缺點(diǎn)是需要多制作一個校準(zhǔn)板，此校準(zhǔn)板制作工藝要求高，制作成本高，同時校準(zhǔn)的方法 對于使用者的使用時要求較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置。本發(fā)明還涉及一種利用上述裝置進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的用于重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝 置，是在磁刺激線圈上鑲有能被攝像機(jī)檢測的三個光學(xué)定位工具；在磁刺激線圈上定位三 個凹陷的點(diǎn)，三個點(diǎn)位于同一平面上且不在同一直線上，三個凹陷的點(diǎn)孔徑的深度一致，孔 徑與指針尖端耦合；其中一個點(diǎn)為磁刺激時的治療焦點(diǎn)。所述的校準(zhǔn)裝置，其中攝像機(jī)為雙目紅外攝像機(jī)。所述的校準(zhǔn)裝置，其中光學(xué)定位工具為紅外反射球。本發(fā)明提供的利用上述校準(zhǔn)裝置進(jìn)行重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn) 方法，其主要步驟為
A)固定磁刺激線圈，攝像機(jī)獲取光學(xué)定位工具坐標(biāo)系數(shù)據(jù)；B)指針偏移，使攝像機(jī)得到該指針尖端數(shù)據(jù)；C)將指針尖端依次接觸磁刺激線圈的點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)；D)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，將三個凹陷的點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系。所述的校準(zhǔn)方法，其中步驟1的坐標(biāo)系數(shù)據(jù)是光學(xué)定位工具定義的局部坐標(biāo)系原 點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下空間坐標(biāo)。所述的校準(zhǔn)方法，其中步驟3的指針依次采點(diǎn)的順序是固定的。與公知技術(shù)相比，本發(fā)明的裝置簡化，校準(zhǔn)方法無需再增加多余器械，簡化了制作 工藝，降低了成本，同時更便于用戶使用。


圖1是本發(fā)明在磁刺激線圈上定位三個凹陷的點(diǎn)的示意圖。圖2是本發(fā)明進(jìn)行校準(zhǔn)的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要用于重復(fù)性經(jīng)顱磁刺激(rTMS)治療時定位和校準(zhǔn)磁刺激線圈，以便 于用磁刺激線圈焦點(diǎn)精準(zhǔn)地治療病變區(qū)域。本發(fā)明充分利用現(xiàn)有的工具取點(diǎn)指針因?yàn)楣鈱W(xué)定位系統(tǒng)多數(shù)是基于特征點(diǎn)集的 方法來取實(shí)體模型上的特征點(diǎn)集，最終進(jìn)行空間配準(zhǔn)的，這便需要取點(diǎn)指針工具，該工具設(shè) 計(jì)工藝嚴(yán)格，能夠達(dá)到校準(zhǔn)所需要的要求。事實(shí)上，如果磁刺激線圈只需要校準(zhǔn)其上的某一 特征點(diǎn)，此時有了該指針便足以完成，原理是固定磁刺激線圈，在雙目紅外攝像機(jī)探頭工作 時，其上的紅外反射球能夠反饋出磁刺激線圈的空間位置，但因?yàn)榉磸?fù)拆裝或物理變形等 原因，會導(dǎo)致反饋的誤差，在治療時為求精確需要進(jìn)行校準(zhǔn)。此時將指針的尖端與磁刺激線 圈焦點(diǎn)接觸，在雙目攝像機(jī)下精確的反饋了指針尖端的空間四元數(shù)，確定此點(diǎn)在工作系統(tǒng) 中的準(zhǔn)確空間位置，同時計(jì)算機(jī)工作時確定此空間位置為磁刺激線圈焦點(diǎn)的精準(zhǔn)位置，這 樣便進(jìn)行了有效、簡便的校準(zhǔn)。上述方法只能確定磁刺激線圈上某一點(diǎn)的校準(zhǔn)，并不能正確地校準(zhǔn)整個器械的空 間姿態(tài)。在重復(fù)經(jīng)顱磁刺激治療中，由于器械的高精密度，或治療器械其自身外形的嚴(yán)格設(shè) 計(jì)，在治療患者的病變區(qū)域時，需要將磁刺激線圈的焦平面以特定的位姿沿預(yù)先規(guī)劃好的 方向路徑刺激病變區(qū)域。基于上述要求還需要在磁刺激線圈上做以下工作在磁刺激線圈下表面(以磁刺 激線圈與病人頭部接觸的面為線圈下表面，朝向病人頭部的方向則為向下)精確地設(shè)定三 個不在同一直線上的點(diǎn)，通過這三個點(diǎn)的空間位置，可以建立平面上的兩個不共線的向量， 使用向量的叉乘便可以求得該平面的法向量，這樣不僅能校準(zhǔn)磁刺激線圈的位置同時還能 校準(zhǔn)其法向量方向。圖1是本發(fā)明在磁刺激線圈上定位三個點(diǎn)A、B和C，其中B點(diǎn)為磁刺激線圈用兩 個線圈輻射重合最大的焦點(diǎn)。這三個點(diǎn)在工藝設(shè)計(jì)上要求在器械的同一平面上，并且不在 同一直線上，即將這三個點(diǎn)所在的部位加工三個空，孔徑的深度應(yīng)保持一致，而其尺寸大小
4應(yīng)剛好能和指針尖端耦合。這樣在指針尖端插入磁刺激線圈時便可以保證取點(diǎn)指針?biāo)杉?的點(diǎn)所在的平面式平行于磁刺激線圈的下表面，因此，也能保證指針垂直于磁刺激線圈的 下表面。本發(fā)明進(jìn)行校準(zhǔn)的具體操作流程如下(請結(jié)合圖2)1)在光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作時，將磁刺激線圈固定住，雙目紅外攝像機(jī)定 位系統(tǒng)能夠檢測到該線圈上的三個紅外反射球，系統(tǒng)反饋該線圈原先設(shè)定的局部坐標(biāo)系的 空間四元數(shù)q，根據(jù)四元數(shù)的性質(zhì) 便可以轉(zhuǎn)換為磁刺激線圈局部坐標(biāo)系的空間矩陣Q ；2)將已經(jīng)進(jìn)行偏移計(jì)算后的指針尖端按次序依次與磁刺激線圈下表面的A、B、C 三點(diǎn)進(jìn)行耦合握手，同時雙目紅外攝像機(jī)定位系統(tǒng)在每一次指針和磁刺激線圈耦合握手時 記錄下空間四元數(shù)SA、SB、SC，反饋給系統(tǒng)，認(rèn)為這是精確可靠的數(shù)據(jù)，同時因?yàn)榇糯碳ぞ€圈 是固體不動的，因此可以認(rèn)為這三個四元數(shù)是磁刺激線圈下表面三點(diǎn)的空間四元數(shù)，根據(jù) 上述四元數(shù)性質(zhì)轉(zhuǎn)換，將該四元數(shù)進(jìn)行矩陣變換，依次得到磁刺激線圈下表面的空間矩陣 SA、Sb Λ Sc ； 3)依次采集數(shù)據(jù)，順序要固定，即從B-A-C，這樣才能保證由BA和BC向量決定的 法向量方向?yàn)橄蛳碌?右手法則)。采集的數(shù)據(jù)指的是一方面線圈上光學(xué)定位工具給攝 像機(jī)反饋的信息是其局部坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的四元數(shù)和空間坐標(biāo)，另一方面取 點(diǎn)指針工具給紅外攝像機(jī)反饋的信息是指針工具局部坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的四 元數(shù)和空間坐標(biāo)，因指針工具尖端與其上的三個紅外反射球位置固定，即指針工具尖端與 指針工具局部坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置關(guān)系固定，那么每當(dāng)紅外攝像機(jī)得到指針工具反饋的局部 坐標(biāo)系原點(diǎn)信息，都可以直接轉(zhuǎn)換為指針尖端的信息，所以可以得到Α、B、C三點(diǎn)在攝像機(jī) 坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)，以及其四元數(shù)。 4)由A、B、C三點(diǎn)的空間位置，可以得出空間向量AB和AC，讓系統(tǒng)計(jì)算兩個向量的 叉乘，所得結(jié)果便是磁刺激線圈下表面的法向量F。
權(quán)利要求
一種用于重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置，在磁刺激線圈上鑲有能被攝像機(jī)檢測的三個光學(xué)定位工具；在磁刺激線圈上定位三個凹陷的點(diǎn)，三個點(diǎn)位于同一平面上且不在同一直線上，三個凹陷的點(diǎn)孔徑的深度一致，孔徑與指針尖端耦合；其中一個點(diǎn)為磁刺激時的治療焦點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校準(zhǔn)裝置，其中，所述攝像機(jī)為雙目紅外攝像機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校準(zhǔn)裝置，其中，所述光學(xué)定位工具為紅外反射球。
4.一種利用權(quán)利要求1所述校準(zhǔn)裝置進(jìn)行重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn) 方法，其主要步驟為A)固定磁刺激線圈，攝像機(jī)獲取光學(xué)定位工具坐標(biāo)系數(shù)據(jù)；B)指針偏移，使攝像機(jī)得到該指針尖端數(shù)據(jù)；C)將指針尖端依次接觸磁刺激線圈的點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)；D)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，將三個凹陷的點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的位置轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的校準(zhǔn)方法，其中，步驟1中的坐標(biāo)系數(shù)據(jù)是光學(xué)定位工具定義 的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下空間坐標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的校準(zhǔn)方法，其中，步驟3中指針依次采點(diǎn)的順序是固定的。
全文摘要
一種用于重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的校準(zhǔn)裝置，在磁刺激線圈上鑲有能被攝像機(jī)檢測的三個光學(xué)定位工具；在磁刺激線圈上定位三個凹陷的點(diǎn)，三個點(diǎn)位于同一平面上且不在同一直線上，三個凹陷的點(diǎn)孔徑的深度一致，孔徑與指針尖端耦合；其中一個點(diǎn)為磁刺激時的治療焦點(diǎn)。本發(fā)明還提供了進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。本發(fā)明簡化了重復(fù)經(jīng)顱磁刺激光學(xué)定位導(dǎo)航系統(tǒng)的工藝，降低了制作成本，用更為方便、快捷的方式精確地實(shí)現(xiàn)了磁刺激線圈的校準(zhǔn)及其空間姿態(tài)的確定。
文檔編號A61B5/00GK101912253SQ201010235828
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月26日
發(fā)明者周珩, 夏偉杰, 許海田 申請人:香港腦泰科技有限公司