CN107595287A - 一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法，属于神经科学领域。本发明首先建立鲤鱼颅脑三维立体定位坐标系和颅骨表面的辅助三维坐标系；两个坐标系具有相同的坐标原点O和X轴，两坐标系中的Y轴与Z轴之间夹角均为θ；然后对颅脑进行磁共振扫描成像，确定脑电极植入位点在辅助坐标系中的坐标值；最后利用夹角θ构建算法，将磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标，即可为脑电极的植入进行定位和导航。本发明不仅能够为鲤鱼水生动物机器人脑电极的植入进行定位和导航，而且也能够为多种生物脑电极的植入提供一种新的定位和导航方法。

Description

一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法

技术领域

本发明涉及神经科学领域，特别涉及在借助磁共振扫描得到基于鲤鱼颅骨特征的空间坐标后，提出将磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的相关算法，为鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极的植入进行定位和导航。

背景技术

动物机器人是当今世界新兴的前瞻性和战略性的前沿高科技领域，具有潜在的广阔应用前景，如抗震救灾、灾难搜救、反恐侦查、军事国防、海洋维权、海上搜救、海洋生态研究、工业应用以及医疗领域等。

对动物机器人进行生物控制的方法有多种，但最有效方法是应用脑控技术实现生物控制。脑是高级神经中枢，是所有运动指令的集中控制器，脑运动神经核团定位的精确程度则是决定动物机器人控制成败的关键因素。因动物成熟期的解剖结构较为稳定，因而在脑立体定位方面大多是利用成熟期动物的颅骨表面普遍存在的解剖结构，例如前囟、人字缝以及矢状缝等作为空间定位参考点，由此建立三维空间坐标***。但是利用传统的常规脑立体定位仪，在不开颅情况下，进行脑电极植入时会存在空间定位误差以及准确度较低等问题。

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)技术具有图像精度高、像素质量好、定位无创伤性等优点，已广泛用于全身各***，其中以脑组织等器官成像效果最好。而且MRI还可清晰显示组织的内部结构和任意切面成像，能够建立适合定位的坐标参考点和空间直角坐标系，在脑成像、颅脑组织定位和脑电极植入导航方面具有很高的应用价值。

利用MRI得到基于鲤鱼颅骨表面的辅助三维坐标系下的植入位点坐标，但在进行脑电极植入时需要应用脑立体定位仪，由于辅助三维坐标系是根据鲤鱼颅骨形态结构特点建立的，所以脑立体定位仪所在的坐标系与鲤鱼颅骨表面的三维坐标系之间存在一定的角度差异，因此需要一种算法以实现两个坐标系的转换，将颅骨表面辅助三维坐标系下电极植入位点的坐标转换为脑立体定位仪所在坐标系的坐标，从而可以更好地利用脑立定位仪根据转换后的坐标进行脑电极的植入，由此可提高鲤鱼脑电极植入的精确度。

发明内容

本发明目的在于提供一种将磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的相关算法，为鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极的植入进行定位和导航。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法包括如下步骤：

步骤1，选择体长为33.52±1.29cm、体重为0.97±0.13kg的成年健康鲤鱼15尾，将所用鲤鱼置于浓度为0.36g/L丁香酚溶液中进行药浴麻醉；

步骤2，在鲤鱼第一鱼鳞处做冠状划痕，所述第一鱼鳞处即头部与躯干交接处；

步骤3，建立基于脑立体定位仪应用的脑立体定位坐标系；以第一鱼鳞所处位置设为原点O，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点的连线定义为Y轴，正方向指向吻部；以过原点平行于冠状缝的直线定义为X轴，正方向指向躯体左侧；以过原点垂直于XOY平面的垂线定义为Z轴，正方向指向腹部；

步骤4，基于鲤鱼颅骨骨性标志，建立鲤鱼颅骨表面的辅助三维空间坐标系；以第一鱼鳞所处位置设为原点O(O')，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点的连线定义为Y轴(Y')，以过原点平行于冠状缝的直线定义为X轴(X')，以过原点垂直于X'O'Y'平面的垂线定义为Z轴(Z')；

步骤5，进行磁共振扫描，确定矢状位与轴状位的扫描平面、层厚、层数和扫描视野等参数；

步骤6，在矢状位MRI图像中测量两眼球连线中点到冠状划痕的距离；

步骤7，在轴状位MRI图像中测量两眼球连线中点到脑电极植入位点的距离；

步骤8，结合扫描层厚和脑电极植入位点所在图像的层数，确定颅骨表面辅助三维坐标系下电极植入位点的坐标值；

步骤9，测量两坐标系之间的夹角θ；利用两坐标系之间夹角θ构建坐标转换的算法；

步骤10，将颅骨表面辅助三维坐标系下的脑电极植入位点坐标经过坐标变换转换为由脑立体定位仪可执行的三维坐标。

进一步的，步骤5中，将鲤鱼固定在磁共振成像仪的膝关节线圈内，鲤鱼呈俯卧位、头先进，进床前使磁共振扫描十字线对准颅脑中心；然后在定位项图像中确定矢状位扫描平面，扫描时，矢状位扫描平面与YOZ平面平行，矢状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI快速自旋回波扫描序列，重复时间TR＝750ms，回波时间TE＝112ms，层厚＝0.8mm，层数＝72，视野FOV为200×200mm²，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝170°，平均次数NEX＝1，回波链长度ETL＝21，获取时间TA＝442s。

在矢状位扫描平面中确定轴状位扫描平面，扫描时，将轴状位扫描平面与XOY平面平行，并使视野框的上边界与颅骨表面的Y坐标轴吻合，轴状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI自旋回波序列，重复时间TR＝1000ms，回波时间TE＝131ms，层厚＝0.5mm，层数＝56，视野FOV为119×119mm²，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝120°，平均次数NEX＝2，回波链长度ETL＝65，获取时间TA＝256s。

进一步的，在步骤6-8中，在矢状位MRI图像和轴状位MRI图像中，测量颅脑内部脑电极植入位点的坐标；在矢状位MRI图像内测得眼球中心到冠状划痕的距离D1(mm)；在轴状位MRI图像测得两眼间连线到脑电极植入位点垂直距离D2(mm)，则电极植入位点的纵坐标Y’＝D1-D2(mm)，位于Y坐标轴负方向；两眼连线中点与原点的连线到电极植入位点的距离为D3(mm)，且位于鲤鱼躯体左侧，则电极植入位点的横坐标X’＝D3(mm)；电极植入位点所在轴状位序列层数为N，轴状面扫描层厚为S，则Z’＝N*S(mm)；从而得到目标位点在空间直角坐标系中的坐标(X’,Y’,Z’)。

进一步的，在步骤9-10中，脑立体定位坐标系与颅骨表面的辅助三维坐标系具有相同的坐标原点O和X轴，其它两坐标轴之间的夹角均为θ，且0＜θ＜90^°，故脑立体定位坐标系为颅骨表面辅助三维坐标系绕X轴逆时针旋转2π-θ形成的坐标系，记立体定位坐标系内任意一点坐标为(X,Y,Z)，则存在如下对应关系：

X＝X′；

Y＝cos(2π-θ)*Y'+sin(2π-θ)*Z'；

Z＝sin(2π-θ)*Y'+cos(2π-θ)*Z'；

通过以上3个公式，即可实现将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为为可执行的脑立体定位坐标，从而可以实现对鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极植入位点三维坐标的确定。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

1、采用与基于颅骨骨性标志建立的(X’,Y’,Z’)坐标平面平行的斜轴状位MRI扫描方法对鲤鱼颅脑进行扫描，与传统的常规应用脑立体定位仪定位方法相比，在不开颅的情况下，可减小空间定位误差以及提高脑电极定位的准确度，使得到的脑组织相对于颅骨的尺度参数更加准确。

2、建立了基于脑立体定位仪的颅脑三维立体定位坐标系与根据颅骨骨性标志建立的颅骨表面的辅助三维坐标系，利用这两个坐标系之间的角度差异将脑电极植入位点坐标进行变换，应用变换后的坐标将电极通过脑立体定位仪植入到鲤鱼脑运动区，从而使脑立体定位和脑电极植入更加准确。

3、不仅能够为鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极的植入准确定位，而且能为脑刺激电极的植入准确导航，还能够为多种生物脑电极的植入提供一种新的定位和导航方法。

附图说明

图1是本发明未做冠状划痕时矢状位MRI图；

图2是本发明所做冠状划痕的矢状位MRI图；

图3是本发明基于脑立体定位仪建立的XOY平面辅助直角坐标系示意图；

图4是本发明基于脑立体定位仪建立的YOZ平面辅助直角坐标系示意图；

图5是本发明基于颅骨骨性标志建立的X’O’Y’平面辅助直角坐标系MRI图；

图6是本发明基于颅骨骨性标志建立的Y’O’Z’平面辅助直角坐标系MRI图；

图7是本发明矢状位MRI图像中眼球中心到冠状划痕的距离；

图8是本发明轴状位MRI图像中脑电极植入位点；

图9是本发明轴状位MRI图像中建立的两种坐标系及其夹角θ；

图中：D1为眼球中心到冠状划痕的距离；D2为两眼之间连线到脑电极植入位点的垂直距离；D3为两眼连线中点与原点的连线到脑电极植入位点的距离；1为冠状划痕；2为轴状位MRI图像中脑电极植入位点。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明：

实施例1：

一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法，步骤如下：

步骤1、选择体长为33.52±1.29cm，体重为0.97±0.13kg的成年健康鲤鱼15尾。

步骤2、将鲤鱼置于浓度为0.36g/L丁香酚溶液中进行药浴麻醉。

步骤3、如图1所示，未给鲤鱼划痕；如图2所示，将鲤鱼在第一鱼鳞处划一道痕迹，将其所处位置设置成空间坐标系的原点记为O。

步骤4、图3和图4为颅脑三维立体定位坐标系的示意图，O为坐标原点，X轴为过原点平行冠状缝的水平直线，正向指向躯体左侧；如附图3所示，Y轴为平行于矢状缝的水平直线，正向指向吻部；如图4所示，Z轴为过原点垂直于XOY平面的水平直线，正向指向腹部。

步骤5、如图5所示，基于鲤鱼骨性标志建立空间坐标系，确定原点后，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点的连线定义为Y’轴，正方向指向吻部；以过原点平行于冠状缝的直线定义为X’轴，正方向指向躯体左侧；如图6所示，以过原点垂直于X’O’Y’平面的垂线定义为Z’轴，正方向指向腹部。

步骤6、将鲤鱼固定在磁共振成像仪的膝关节线圈内，鲤鱼呈俯卧位、头先进，进床前使磁共振扫描十字线对准颅脑中心；然后在定位项图像中确定矢状位扫描平面。扫描时，矢状位扫描平面与YOZ平面平行，矢状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI快速自旋回波扫描序列，重复时间TR＝750ms，回波时间TE＝112ms，层厚＝0.8mm，层数＝72，视野FOV为200×200mm²，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝170°，平均次数NEX＝1，回波链长度ETL＝21，获取时间TA＝442s。

步骤7、在矢状位扫描平面中确定轴状位扫描平面，扫描时，将轴状位扫描平面与XOY平面平行，并使视野框的上边界与颅骨表面的Y坐标轴吻合，轴状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI自旋回波序列，重复时间TR＝1000ms，回波时间TE＝131ms，层厚＝0.5mm，层数＝56，视野FOV为119×119mm²，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝120°，平均次数NEX＝2，回波链长度ETL＝65，获取时间TA＝256s。

步骤8、在矢状位MRI图像和轴状位MRI图像中，测量颅脑内部脑电极植入位点的坐标(图8)；如附图7所示，在矢状位MRI图像内测得眼球中心到冠状划痕的距离D1(mm)；如附图8所示，在轴状位MRI图像测得两眼间连线到脑电极植入位点垂直距离D2(mm)，则电极植入位点的纵坐标Y’＝D1-D2(mm)，位于Y坐标轴负方向；两眼连线中点与原点的连线到电极植入位点的距离为D3(mm)，且位于鲤鱼躯体左侧，则电极植入位点的横坐标X’＝D3(mm)；电极植入位点所在轴状位序列层数为N，轴状面扫描层厚为S，则Z’＝N*S(mm)；从而得到目标位点在空间直角坐标系中的坐标(X’,Y’,Z’)。

步骤9、如附图9所示，脑立体定位坐标系与颅骨表面的辅助三维坐标系具有相同坐标原点O和X轴，经过测量其它两坐标轴之间的夹角均为θ。故脑立体定位坐标系为颅骨表面辅助三维坐标系绕X轴逆时针旋转2π-θ形成的坐标系，记脑立体定位坐标系内任意一点坐标为(X,Y,Z)则存在如下对应关系：X＝X’；Y＝cos(2π-θ)*Y’+sin(2π-θ)*Z’；Z＝-sin(2π-θ)*Y’+cos(2π-θ)*Z’,其中，θ为坐标系对应轴之间的夹角，且0＜θ＜90^°。通过以上3个公式，即可实现将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为可执行的脑立体定位坐标，从而可以实现对鲤鱼水生动物机器人脑刺激电极植入位点三维坐标的确定。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，选择体长为33.52±1.29cm、体重为0.97±0.13kg的成年健康鲤鱼15尾，将所用鲤鱼置于浓度为0.36g/L丁香酚溶液中进行药浴麻醉；

步骤2，在鲤鱼第一鱼鳞处做冠状划痕，所述第一鱼鳞处即头部与躯干交接处；

步骤3，建立基于脑立体定位仪应用的脑立体定位坐标系；以第一鱼鳞所处位置设为原点O，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点的连线定义为Y轴，正方向指向吻部；以过原点平行于冠状缝的直线定义为X轴，正方向指向躯体左侧；以过原点垂直于XOY平面的垂线定义为Z轴，正方向指向腹部；

步骤4，基于鲤鱼颅骨骨性标志，建立鲤鱼颅骨表面的辅助三维空间坐标系；以第一鱼鳞所处位置设为原点O(O')，以颅骨表面两眼之间连线中点与原点的连线定义为Y轴(Y')，以过原点平行于冠状缝的直线定义为X轴(X')，以过原点垂直于X'O'Y'平面的垂线定义为Z轴(Z')；

步骤5，进行磁共振扫描，确定扫描平面、层厚、层数和扫描视野参数；

步骤6，在矢状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到冠状划痕的距离；

步骤7，在轴状位磁共振图像中测量两眼球连线中点到脑电极植入位点的距离；

步骤8，结合扫描层厚和脑电极植入位点所在图像的层数，确定颅骨表面辅助三维坐标系下电极植入位点的坐标值；

步骤9，测量两坐标系之间的夹角θ；利用两坐标系之间夹角θ构建坐标变换算法；

步骤10，将颅骨表面辅助三维坐标系下的脑电极植入位点坐标经过坐标变换转换为由脑立体定位仪可执行的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法，其特征在于：步骤5中，将鲤鱼固定在磁共振成像仪的膝关节线圈内，鲤鱼呈俯卧位、头先进，进床前使磁共振扫描十字线对准颅脑中心；然后在定位项图像中确定矢状位扫描平面，扫描时，矢状位扫描平面与YOZ平面平行，矢状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI快速自旋回波扫描序列，重复时间TR＝750ms，回波时间TE＝112ms，层厚＝0.8mm，层数＝72，视野FOV为200×200mm²，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝170°，平均次数NEX＝1，回波链长度ETL＝21，获取时间TA＝442s。

3.根据权利要求1所述的一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法，其特征在于：步骤5中，在矢状位扫描平面中确定轴状位扫描平面，扫描时，将轴状位扫描平面与XOY平面平行，并使视野框的上边界与颅骨表面的Y坐标轴吻合，轴状位成像MR获取方式为3D，成像序列选用T2WI自旋回波序列，重复时间TR＝1000ms，回波时间TE＝131ms，层厚＝0.5mm，层数＝56，视野FOV为119×119mm²，空间分辨率为512×512，旋转角度FA＝120°，平均次数NEX＝2，回波链长度ETL＝65，获取时间TA＝256s。

4.根据权利要求1所述的一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法，其特征在于：在步骤6-8中，在矢状位磁共振图像和轴状位磁共振图像中，测量颅脑内部脑电极植入位点的坐标；在矢状位磁共振图像内测得眼球中心到冠状划痕的距离D1(mm)；在轴状位磁共振图像测得两眼间连线到脑电极植入位点垂直距离D2(mm)，则电极植入位点的纵坐标Y’＝D1-D2(mm)，位于Y坐标轴负方向；两眼连线中点与原点的连线到电极植入位点的距离为D3(mm)，且位于鲤鱼躯体左侧，则电极植入位点的横坐标X’＝D3(mm)；电极植入位点所在轴状位序列层数为N，轴状面扫描层厚为S，则Z’＝N*S(mm)；从而得到目标位点在空间直角坐标系中的坐标(X’,Y’,Z’)。

5.根据权利要求1所述的一种将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为脑立体定位坐标的方法，其特征在于：步骤9-10中，脑立体定位坐标系与颅骨表面的辅助三维坐标系具有相同的坐标原点O和X轴，其它两坐标轴之间的夹角均为θ，且0＜θ＜90°，故脑立体定位坐标系为颅骨表面辅助三维坐标系绕X轴逆时针旋转2π-θ形成的坐标系，记立体定位坐标系内任意一点坐标为(X,Y,Z)，则存在如下对应关系：

X＝X’；

Y＝cos(2π-θ)*Y'+sin(2π-θ)*Z'；

Z＝sin(2π-θ)*Y'+cos(2π-θ)*Z'；

通过以上3个公式，即可实现将鲤鱼磁共振扫描坐标转换为可执行的脑立体定位坐标，从而可以实现对鲤鱼水生动物机器人脑电极植入位点三维坐标的确定。