一种可记忆经颅磁刺激导航定位装置与定位方法

摘要

本发明公开了一种可记忆经颅磁刺激导航定位装置与定位方法，该装置包括竖向升降支架、水平环形导轨、悬挂小车、激光发生器、3D结构光相机和导航定位系统；水平环形导轨安装在竖向升降支架上，悬挂小车安装在水平环形导轨上，激光发生器和3D结构光相机均安装在悬挂小车上，3D结构光相机用于采集患者头部和拍头的影像信息并发送给导航定位系统，激光发生器用于在患者头部指示出靶点位置；导航定位系统基于接收到影像信息对患者头部和拍头进行位姿分析，形成驱动指令，使得激光发生器指向患者头部的靶点位置。本发明能够引导医生进行拍头定位和位姿调整，进行拍头位姿匹配，解决了经颅磁刺激重复治疗的拍头定位问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可记忆经颅磁刺激导航定位装置与定位方法，属于经颅磁医疗设备技术。

背景技术

经颅磁刺激技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统（主要是大脑），改变皮层神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术，具有无创、无痛、安全的特点，可用于刺激脑神经、神经根及外周神经。目前广泛用在神经科学、脑科学研究领域和临床疾病的诊断和治疗。

目前，经颅磁刺激技术得到了广泛的使用，国内的经颅磁刺激技术达到世界先进水平，在癫痫病、神经心理科（抑郁症、精分症）、康复科、儿科（脑瘫等）等各个方面都得到了应用。这些基于经颅磁刺激的治疗研究都离不开经颅磁刺激定位方法。由于经颅磁刺激治疗通常需要长时间，按疗程反复治疗，纯粹靠经验和记忆的方式来定位的靶点无法保证每次治疗的精准性。患者每次治疗的靶点位置都不一样是普遍情况，如果不能保证治疗的靶点精准性，治疗的疗效就会大打折扣。因而找到一种方法来保证靶点的精准是很有必要的。

目前的经颅磁刺激产品存在着需要专业人员操作、操作繁琐，并且每次的治疗都需要专业人员重新寻找治疗位置，存在着可操作性差、治疗位置偏差较大等缺点。为了解决磁刺激重复定位问题，目前有采用光学摄像头导航配合机械臂方案来实现重复定位跟踪问题，但这种方法价格昂贵，不利于广泛推广使用。也有采用定位帽、标记头等方式，这些方式使用麻烦，并且不能记忆原来的拍头治疗位姿。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可记忆经颅磁刺激导航定位装置与定位方法，结构简单、使用方便、成本低廉、便于推广。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可记忆经颅磁刺激导航定位装置，包括竖向升降支架、水平环形导轨、悬挂小车、激光发生器、3D结构光相机和导航定位系统；所述水平环形导轨安装在竖向升降支架上；所述悬挂小车安装在水平环形导轨上，并能够沿水平环形导轨移动；所述激光发生器和3D结构光相机均安装在悬挂小车上，3D结构光相机朝向水平环形导轨的竖向中轴线并能够上下偏转，激光发生器能够环形偏转；所述3D结构光相机用于采集患者头部和拍头的影像信息并发送给导航定位系统，所述激光发生器用于在患者头部指示出靶点位置；所述导航定位系统基于接收到影像信息对患者头部和拍头进行位姿分析，形成驱动悬挂小车沿水平环形导轨移动的指令和驱动激光发生器进行环形偏转的指令，使得激光发生器指向患者头部的靶点位置。

优选的，所述激光发生器产生的光斑为十字光标，十字光标的交叉点对准患者头部的靶点位置。

优选的，所述悬挂小车通过齿轮结构安装在水平环形导轨上，通过齿轮实现精准定位；相邻齿间距设置为最小单位刻度，通过当前齿轮与预定义0点位置进行对比，即可精确定位悬挂小车的位置。

优选的，还包括推车，竖向升降支架固定在推车上，在推车的部分或全部车轮上安装刹车机构。

优选的，竖向升降支架也可以以悬挂的方式固定在天花板上。

优选的，所述水平环形导轨为正圆形，为金属双轨结构，通过金属双轨向悬挂小车直流供电，一条轨道为正极，另一条轨道为负极；水平环形导轨通过沿着竖向升降支架部署的电缆预直流电源连接。

优选的，所述导航定位系统通过无线方式与悬挂小车、3D结构光相机和激光发生器进行数据传输与指令发送。

优选的，所述导航定位系统包括人脸识别模块、位姿分析模块和路径规划模块，通过人脸识别模块进行患者面部识别，通过位姿分析模块分析患者头部位姿和拍头位姿，通过路径规划模块产生升降指令、环形移动指令和环形偏转指令，通过升降指令驱动升降支架上下移动至水平环形导轨与患者头部的相对高度达设定值，通过环形移动指令驱动悬挂小车移动至3D结构光相机朝向患者面部，通过环形偏转指令驱动激光发生器朝向患者头部的靶点位置。

优选的，所述导航定位系统还包括3D重建模块和显示模块，通过3D重建模块实时构建患者头部的3D重建位姿影像和拍头的3D重建位姿影像；患者头部的3D重建位姿影像和拍头的3D重建位姿影像在模拟空间显示，同时在模拟空间显示拍头目标位姿；当拍头的3D重建位姿影像与拍头目标位姿在精度范围内重合，提示匹配成功。

基于上述可记忆经颅磁刺激导航定位装置的定位方法，包括初次治疗位姿记录过程和再次治疗导航定位过程两部分：

S1：初次治疗位姿记录过程包括如下步骤：

S11、注册患者信息：在数据库中建立患者的治疗信息表，存储患者基本信息；

S12、治疗位姿准备：患者进入治疗体位，调整拍头对准患者头部的靶点位置，保持患者头部与拍头位置；

S13、调整水平环形导轨：调整水平环形导轨的圆心对准患者头部的正上方；

S14、启动位姿记录：启动3D重建模块，在模拟空间实时显示患者头部的3D重建位姿影像和拍头的3D重建位姿影像；

S15、人脸定位：路径规划模块产生环形移动指令，驱动悬挂小车沿水平环形导轨匀速移动，3D结构光相机实时采集患者头部的影像信息并发送给导航定位系统，直至人脸识别模块识别出人脸正面；调整3D结构光相机角度；

S16、调整高度：路径规划模块产生升降指令，驱动升降支架移动至水平环形导轨与患者头部的相对高度达设定值；调整3D结构光相机角度；

S17、记录患者头部和拍头的3D形状：人脸识别模块进行患者面部识别，将患者面部特征存储于治疗信息表；位姿分析模块分析患者头部和拍头的3D形状，将患者头部和拍头的3D形状存储于治疗信息表中；

S18、记录目标相对位姿：位姿分析模块分析患者头部和拍头的位姿，并计算此时患者头部和拍头的相对位姿，将此时的相对位姿作为目标相对位姿，将目标相对位姿存储于治疗信息表中；

S2：再次治疗导航定位过程包括如下步骤：

S21、治疗准备：患者进入治疗体位，与初次治疗位姿一致；

S22、调整水平环形导轨：调整水平环形导轨的圆心对准患者头部的正上方；

S23、启动导航定位系统：启动3D重建模块，在模拟空间实时显示患者头部的3D重建位姿影像和拍头的3D重建位姿影像；

S24、人脸定位：路径规划模块产生环形移动指令，驱动悬挂小车沿水平环形导轨匀速移动，3D结构光相机实时采集患者头部的影像信息并发送给导航定位系统，直至人脸识别模块识别出人脸正面；调整3D结构光相机角度；

S25、调整高度：路径规划模块产生升降指令，驱动升降支架移动至水平环形导轨与患者头部的相对高度达设定值；调整3D结构光相机角度；

S26、患者头部位姿识别：通过人脸识别模块进行患者面部识别，若患者为经历过步骤S1的注册患者，经确认后，根据该患者的治疗信息表重新调整水平环形导轨与患者头部的相对高度和3D结构光相机角度；

S27、拍头目标位姿计算：在模拟空间实时显示患者头部的3D重建位姿影像，根据治疗信息表中记录的患者头部和拍头3D形状、目标相对位姿计算当前患者头部位姿状态下的拍头目标位姿，然后通过拍头目标位姿计算患者头部的靶点位置；路径规划模块产生环形偏转指令驱动激光发生器朝向患者头部的靶点位置，发射激光在患者头部指示靶点位置；

S28、拍头位姿匹配：在模拟空间显示拍头目标位姿，手动调整拍头直至拍头的中心点与激光指示位置（十字光标的交叉点）在精度范围重合，并且拍头的3D重建位姿影像与拍头目标位姿在精度范围内重合，提示匹配成功。

优选的，在拍头的中心点粘贴反光标志物对激光进行反射，进一步提高匹配精度。

有益效果：本发明提供的可记忆经颅磁刺激导航定位装置与定位方法，导航定位探头与拍头的分离，可以直接用于现有的经颅磁刺激治疗设备，不需要对现有设备进行改造或者替换，大大扩展了导航定位装置的使用范围，降低了用户的升级改造成本；本发明发相对于其他采用机械臂的方案，结构简单，能够大大降低研发、生产和维护的成本，方便大规模推广使用。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置中导航定位系统的硬件架构示意图；

图3为本发明装置中导航定位系统的软件架构示意图；

图4为初次治疗位姿记录过程流程示意图；

图5为再次治疗导航定位过程流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示为一种可记忆经颅磁刺激导航定位装置，主要包括推车6、竖向升降支架5、水平环形导轨1、导航定位探头和控制主机；如图2所示，所述控制主机为平板电脑或一体机电脑，主要包括中央处理器、内存、存储器、无线连接装置、音箱等，用于装载并运行导航定位系统7；下面就各个主要部分进行说明。

一、推车6

所述推车6主要由推车箱体、万向轮和刹车8构成；箱体用于固定安装竖向升降支架5，在箱体内部安装电源模块，在箱体表面提供电源接口，并在箱体上设置散热开口。本案中箱体下面安装了四个万向轮，能够实现任意方向的移动；部分或全部万向轮上安装刹车8，是为了便于在导航定位时对整个装置进行位置固定。

所述竖向升降支架5主要包括直立主支撑柱和导轨支架两部分；直立主支撑柱采用嵌套式两节结构，电驱动升降；导轨支架始终保持水平，与直立主支撑柱之间使用阻尼轴承连接方式，能够360度任意旋转，停止时能固定角度。

所述控制主机安装在直立主支撑柱上，控制主机能够相对直立主支撑柱在一定范围内进行上下移动和转动。

二、水平环形导轨1

所述水平环形导轨1为正圆形，为金属双轨结构，通过金属双轨向悬挂小车2直流供电，一条轨道为正极，另一条轨道为负极；水平环形导轨1通过沿着竖向升降支架5部署的电缆预直流电源连接。

三、导航定位探头

所述导航定位探头由悬挂小车2、激光发生器3和3D结构光相机4组成，激光发生器3和3D结构光相机4均安装在悬挂小车2上，悬挂小车2安装在水平环形导轨1上，水平环形导轨1安装在导轨支架上；悬挂小车2能够沿水平环形导轨1移动，3D结构光相机4朝向水平环形导轨1的竖向中轴线并能够上下偏转，激光发生器3能够环形偏转。

所述悬挂小车2通过齿轮结构以悬挂方式安装在水平环形导轨1上，通过齿轮实现精准定位；相邻齿间距设置为最小单位刻度，通过当前齿轮与预定义0点位置进行对比，即可精确定位悬挂小车2的位置。悬挂小车2的车轮为导电材质，通过水平环形导轨1进行供电。悬挂小车2通过无线方式接收来之导航定位系统7的指令，悬挂小车2在导航定位时以预设速度进行匀速运动。

所述激光发生器3能够发射显眼但是不伤眼的弱激光，用于在患者头部指示出靶点位置；激光发生器3产生的光斑为十字光标，十字光标的交叉点对准患者头部的靶点位置。将激光发生器3安装在电动可变方向的微型支架上，通过无线方式接收来自导航定位系统7的环形偏转的指令，以精确指向靶点位置。在拍头的中心位置粘贴反光标识物，当激光发生器3产生的激光打在反光标识物后反射，通过3D结构光相机4捕获，能够进一步提高位姿匹配精度。

所述3D结构光相机4用于采集患者头部和拍头的影像信息并发送给导航定位系统7，3D结构光相机4的上下转动通过手动调节，或在控制主机的操作界面上通过手动调节，3D结构光相机4通过无线方式接收来之导航定位系统7的指令。

四、导航定位系统7

所述导航定位系统7包括主要包括数据管理模块、人脸识别模块、位姿分析模块、路径规划模块、3D重建模块、显示模块、控制模块、控制接口模块、相机接口模块和物联网接口模块，下面就各个模块加以具体说明

（4.1）显示模块具备如下功能：

（4.1.1）在模拟空间显示患者头部的3D重建位姿影像和拍头的3D重建位姿影像；

（4.1.2）在导航定位过程中，在模拟空间显示拍头目标位姿；

（4.1.3）当拍头的3D重建位姿影像与拍头目标位姿在精度范围内重合，提示匹配成功；

（4.1.4）提供患者信息注册界面，输入或编辑患者信息，并在注册界面进行人脸录入；人脸录入时，导航定位探头自动寻找最佳位置，以获取正面清晰人脸。

（4.2）数据管理模块具备如下功能：

（4.2.1）建立患者治疗信息表，编辑或存储患者信息（诊疗卡号、姓名和其他信息）；

（4.2.2）调用人脸识别模块识别对患者进行身份识别；

（4.2.3）使用关系数据库，如Mysql；

（4.2.4）建立患者与其位姿数据的关联关系；

（4.2.5）通过物联接口模块在不同导航定位装置之间同步数据，以实现数据共享，在任意导航定位装置上注册和治疗后，其他导航定位装置无需再次注册，直接使用相关信息和数据。

（4.3）路径规划模块具备如下功能：

（4.3.1）通过位姿分析模块得到当前患者头部的位姿；

（4.3.2）将计算得到的路径发送给控制模块，控制导航定位探头进行定位；

（4.3.3）首先进行人脸寻找定位，如果镜头中无人脸，则规划环形运动轨迹，进行360°环形运动人脸搜索；

（4.3.4）检测到人脸后，以人脸特征点为锚点，计算当前头部位姿与目标位姿的差异，得到小车运动距离及激光探头角度组成的规划路径，发送给控制模块，控制导航定位探头的运动；

（4.3.5）导航定位探头运动过程中，实时动态进行路径规划，直到当前头部位姿与目标位姿匹配成功；

（4.3.6）如果具有磁共振影像3D重建模块生成的大脑结构影像，则接收磁共振影像3D重建模块的大脑结构影像，并以人脸特征点与实时3D光学重建影像进行配准，以进一步提高定位精度。

（4.4）3D重建模块具备如下功能：

（4.4.1）通过磁共振功能影像和磁共振结构影像进行3D影像重建；

（4.4.2）通过磁共振功能影像得到3D重建影像的建议靶点或者靶区，或者通过本模块提供的界面人工标记靶点；

（4.4.3）将标记靶点或者靶区的大脑3D重建影像发送给路径规划模块，以进一步提供定位精度；

（4.4.4）这个模块对于整个导航定位过程非必需。

（4.5）位姿分析模块具备如下功能：

（4.5.1）通过相机接口获取当前实时深度影像；

（4.5.2）根据实时深度影像计算分析当前头部位姿、探头位姿；

（4.5.3）进行3D重建，通过显示模块将头部与拍头3D位姿实时显示在控制主机的显示屏上；

（4.5.4）在激光定位指示后，分析磁刺激拍头的实时位姿，并且与记录的位置进行比较，通过虚线框指示用户调整拍头位姿。

（4.6）控制模块具备如下功能：

（4.6.1）通过控制接口控制导航定位探头的运动，以固定的速度匀速运动，实现对拍头和头部的跟踪与导航定位；

（4.6.2）控制激光定位器的发射角度和位置，在位姿匹配成功后，控制激光发生器发射激光进行定位指示；

（4.6.3）接收轨迹规划模块的实时动态规划轨迹，根据轨迹来控制导航定位探头的位置与激光定位器的指向角度；

（4.6.4）通过控制接口获取导航定位探头的当前位置；

（4.6.5）根据检测的人脸信息，控制推车主支撑柱（有推车配置时）/悬挂吊架（无推车时）电驱动自动升降，进而调整激光探头与头部的相对高度。

（4.7）控制接口模块具备如下功能：

（4.7.1）接收控制模块的探头位置与激光发生器的角度组成的控制命令；

（4.7.2）将命令转化为悬挂小车的运行距离和小车控制指令，控制小车匀速运行到指定位置；

（4.7.3）将控制命令转化为激光发生器支架的控制指令，控制激光发生器按照指定角度偏转运动；

（4.7.4）获取小车当前精确位置与激光发生器当前偏转角度；

（4.7.5）通过WIFI/蓝牙无线方式发送小车控制指令与激光发生器指令，获取当前小车与激光发生器实时状态；

（4.7.6）通过CAN总线控制主支撑柱（有推车配置时）/悬挂吊架（无推车时）的电机进行高度调节。

（4.8）人脸识别模块具备如下功能：

（4.8.1）通过相机接口获取当前实时影像；

（4.8.2）提取实时影像中的人脸信息；

（4.8.3）与数据管理模块中的已有人脸特征数据进行比对，以识别患者身份；

（4.8.4）在第一次进行患者信息注册时，提取人脸特征信息，通过数据管理模块保存到相应患者的身份数据中。

（4.9）相机接口模块具备如下功能：

（4.9.1）通过3D结构光相机采集当前实时影像；

（4.9.2）通过WIFI网卡以无线方式接收深度相机的实时影像；

（4.9.3）通过WIFI网卡以无线方式发送相机参数配置与控制指令。

（4.10）物联网接口模块具备如下功能：

（4.10.1）通过WIFI网卡建立与其他导航定位装置的网络连接；

（4.10.2）将本机的数据变更发送到其他导航定位装置；

（4.10.3）接收其他导航定位装置的数据变更。

基于上述可记忆经颅磁刺激导航定位装置的定位方法，包括初次治疗位姿记录过程和再次治疗导航定位过程两部分：

S1：初次治疗位姿记录过程包括如下步骤：

S11、注册患者信息：在数据库中建立患者的治疗信息表，存储患者基本信息；

S12、治疗位姿准备：患者进入治疗体位，调整拍头对准患者头部的靶点位置，保持患者头部与拍头位置；

S13、调整水平环形导轨：调整水平环形导轨的圆心对准患者头部的正上方；

S14、启动位姿记录：启动3D重建模块，在模拟空间实时显示患者头部的3D重建位姿影像和拍头的3D重建位姿影像；

S15、人脸定位：路径规划模块产生环形移动指令，驱动悬挂小车沿水平环形导轨匀速移动，3D结构光相机实时采集患者头部的影像信息并发送给导航定位系统，直至人脸识别模块识别出人脸正面；调整3D结构光相机角度；

S16、调整高度：路径规划模块产生升降指令，驱动升降支架移动至水平环形导轨与患者头部的相对高度达设定值；调整3D结构光相机角度；

S17、记录患者头部和拍头的3D形状：人脸识别模块进行患者面部识别，将患者面部特征存储于治疗信息表；位姿分析模块分析患者头部和拍头的3D形状，将患者头部和拍头的3D形状存储于治疗信息表中；

S18、记录目标相对位姿：位姿分析模块分析患者头部和拍头的位姿，并计算此时患者头部和拍头的相对位姿，将此时的相对位姿作为目标相对位姿，将目标相对位姿存储于治疗信息表中；

S2：再次治疗导航定位过程包括如下步骤：

S21、治疗准备：患者进入治疗体位，与初次治疗位姿一致；

S22、调整水平环形导轨：调整水平环形导轨的圆心对准患者头部的正上方；

S23、启动导航定位系统：启动3D重建模块，在模拟空间实时显示患者头部的3D重建位姿影像和拍头的3D重建位姿影像；

S24、人脸定位：路径规划模块产生环形移动指令，驱动悬挂小车沿水平环形导轨匀速移动，3D结构光相机实时采集患者头部的影像信息并发送给导航定位系统，直至人脸识别模块识别出人脸正面；调整3D结构光相机角度；

S25、调整高度：路径规划模块产生升降指令，驱动升降支架移动至水平环形导轨与患者头部的相对高度达设定值；调整3D结构光相机角度；

S26、患者头部位姿识别：通过人脸识别模块进行患者面部识别，若患者为经历过步骤S1的注册患者，经确认后，根据该患者的治疗信息表重新调整水平环形导轨与患者头部的相对高度和3D结构光相机角度；

S27、拍头目标位姿计算：在模拟空间实时显示患者头部的3D重建位姿影像，根据治疗信息表中记录的患者头部和拍头3D形状、目标相对位姿计算当前患者头部位姿状态下的拍头目标位姿，然后通过拍头目标位姿计算患者头部的靶点位置；路径规划模块产生环形偏转指令驱动激光发生器朝向患者头部的靶点位置；

S28、拍头位姿匹配：在模拟空间显示拍头目标位姿，手动调整拍头直至拍头的3D重建位姿影像与拍头目标位姿在精度范围内重合，提示匹配成功。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。