CN109224301B - 具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置及方法，属于医疗辅助器械领域。包括定位帽、并联机器人机构、移动支架和上位机***，所述移动支架与并联机器人机构相连，并联机器人机构与上位机***实时通信；所述定位帽设计成线性网状结构，且上部设有四处标记点，分别固定三个超声发射器和一个红外发射器。优点在于：与单纯的光学跟踪***相比，大大降低了成本。采用并联机器人结构用于轨迹追踪，减小占地空间的同时提高了控制精度。

Description

具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置及方法
技术领域
本发明涉及医疗辅助器械领域，特别涉及一种具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置及方法。
背景技术
经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经***(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。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。
目前，常见的经颅磁刺激方法为：根据国际标准导联10-20***(10-20EEGsystem)进行目标定位，此定位方法只能通过电极大致反映一定人群中比较稳定的颅脑对应关系，与实际有效部位的误差往往很大，换言之，此种定位方法的定位不够准确。现有的经颅磁刺激装置在使用过程中操作者主要依据目测与经验，估计大脑功能区分布及体表投影的大概位置进行粗略定位，通过反复移动刺激线圈找准刺激部位，比较耗时费力。找准位置后，利用固定装置将感应线圈固定，当使用者头部稍有动作，就导致头部与线圈间的位置发生改变而影响治疗效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于红外超声定位跟踪方法，具有精确定位及自动跟踪的功能。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置，包括移动支架1、并联机器人机构2、定位帽3和上位机***4，所述移动支架1与并联机器人机构2相连，并联机器人机构2与上位机***4实时通信；所述定位帽3设计成线性网状结构，且上部设有四处标记点，分别固定三个超声发射器304和一个红外发射器303；
所述的移动支架1包括并联机器人支架101、气缸102、主支撑柱103、移动平台104、移动轮105，所述并联机器人支架101分别与气缸102和并联机器人机构2的外壳207连接，通过气缸102调节并联机器人机构2的高度，气缸102通过主支撑柱103固定在移动平台104上，移动平台104的底部安装移动轮105。
所述的并联机器人机构2是：伺服电机201与减速器202相连，减速器202与连杆机构208一端相连，连杆机构208另一端与底盘211相连，减速器支架203固定在底盘211上，丝杠电机206通过丝杠电机支架204固定在底盘211上，感应线圈213固定在固定架212上，连杆机构208通过铰链215与固定架212相连，丝杠螺母205通过球铰机构214与固定架212相连，底盘211固定在外壳207上，红外接收器209和超声接收器210固定在底盘211上。
所述的感应线圈213采用8字型线圈或者椭圆型线圈。
所述的定位帽3包括松紧带301、连接器302、一个红外发射器303、三个超声发射器304、帽身305和卡扣306。所述帽身305通过连接器302与松紧带301相连；一个红外发射器303和三个超声发射器304作为目标信源固定于帽身305上，定时发送红外和超声信号；定位帽3通过松紧带301及其端部的卡扣306固定于使用者的头部。
所述的帽身305采用线性网状结构。
本发明的另一目的在于提供一种具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激方法：
定位***由基站和目标信源A～D组成，其中，基站由置于并联机器人机构2内的三个超声接收器210和一个红外接收器209构成，所在位置用BS1～BS4表示且在基站坐标系中的坐标已知；所述目标信源A～D是指超声发射器304和红外发射器303的位置，即位于定位帽3上的四处标记点，红外信号作为超声发送开始基准信号；所有超声、红外信号的发送和接收在同一处理器下进行处理，目标信源A、B、C处的超声发射器304以固定频率依次发射信号，每发射一次信号的同时目标信源D处的红外发射器303发射一次信号，以红外接收器209接到信号的时刻为基准，处理器开始计时，记录三个超声接收器210接收到同一超声信号的时间ti，通过公式计算出三个超声发射器304到三个超声接收器210的距离di，计算公式为：
di＝cti
其中，c为声音在空气中传播的速度，i＝1,2,3
之后，根据空间几何定位公式计算出目标信源A、B、C的空间坐标(xMki，yMki，zMki)，其计算公式为：
di＝(xi-xMki)2+(yi-yMki)2+(zi-zMki)2
其中，(xi，yi，zi)为BS1～BS3处三个超声接收器210的坐标，i＝1,2,3
利用人脑成像技术获取头部坐标系下目标信源与治疗区域位置的相对坐标关系，将头部坐标系置于基站坐标系中，得到治疗区域位置在基站坐标系中的精确位置；为了实现治疗区域位置与感应线圈产生焦点的精确对位，上位机***将根据接收的信号对并联机器人机构的运动轨迹做出规划，并通过伺服控制***完成经颅磁刺激的精确定位跟踪。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出了基于超声红外相结合的用于经颅磁刺激装置的精确定位跟踪方法，单纯的光学跟踪***只能相对定位出目标信源与治疗区域位置的关系，而本发明提出的方法不仅定位出治疗区域位置与目标信源之间的关系，而且也精确定位出治疗区域位置在并联机器人***中的精确位置，能够实现对经颅磁线圈磁场的精准对位的目的。
(2)本发明采用并联机器人结构用于轨迹追踪，与串联机器人结构进行轨迹跟踪相比，其优点为减小占地空间的同时提高了控制精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的经颅磁刺激装置的结构示意图；
图2为本发明的移动支架的结构示意图；
图3为本发明的并联机器人机构的外观结构示意图；
图4为图3的K-K剖视示意图；
图5为本发明的定位帽的结构示意图；
图6至图8为本发明的经颅磁刺激方法的原理示意图。
图中：1、移动支架；2、并联机器人机构；3、定位帽；4、上位机***；101、并联机器人支架；102、气缸；103、主支撑柱；104、移动平台；105、移动轮；201、伺服电机；202、减速器；203、减速器支架；204、丝杠电机支架；205、丝杠螺母；206、丝杠电机；207、外壳；208、连杆机构；209、红外接收器；210、超声接收器；211、底盘；212、固定架；213、感应线圈；214、球铰机构，215、铰链；301、松紧带；302、连接器；303、红外发射器；304、超声发射器；305、帽身；306、卡扣。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图8所示，本发明的具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置，主要包括移动支架1、并联机器人机构2、定位帽3和上位机***4，所述移动支架1的高度可调，移动支架1与并联机器人机构2相连，并联机器人机构2与上位机***4进行实时通信；所述定位帽3为满足各种头型系列的人群设计成线性网状结构，起到固定目标信源的目的，其中，目标信源由三个超声发射器304和一个红外发射器组成。所述移动支架1中的各个部件之间的连接均采用螺栓连接，所述并联机器人支架101分别与气缸102和并联机器人机构2的外壳207连接，并起到固定并联机器人机构2的作用，通过气缸102调节并联机器人机构2的高度，气缸102通过主支撑柱103固定在移动平台104上，移动平台104的底部安装移动轮105，主支撑柱103维持移动支架1平衡，移动平台104和车轮105起到支撑与移动的作用。
参见图3及图4所示，所述的并联机器人机构2包括三个伺服电机201、三个减速器202、三个减速器支架203、一个丝杠电机支架204、一个丝杠螺母205、一个丝杠电机206、一个外壳207、三个连杆机构208、一个红外接收器209、三个超声接收器210、一个底盘211、一个固定架212、一组感应线圈213、一个球铰机构214、三个铰链215，所述伺服电机201与减速器202相连，减速器202与连杆机构208一端相连，连杆机构208另一端与底盘211相连，减速器支架203固定在底盘211上，丝杠电机206通过丝杠电机支架204固定在底盘211上，感应线圈213固定在固定架212上，连杆机构208通过铰链215与固定架212相连，丝杠螺母205通过球铰机构214与固定架212相连，底盘211固定在外壳207上，红外接收器209和超声接收器210固定在底盘211上。
所述的感应线圈213的采用8字型线圈或者椭圆型线圈，感应线圈的焦点位置和磁场强度可以通过仿真分析软件算出。因此，以红外接收器为原点建立基站坐标系，在***初始化复位时，感应线圈所产生的焦点位置、超声波接收器位置和红外接收器位置之间存在着固定的坐标关系。
所述外壳207起到保护和固定底盘211的作用，底盘211起到固定伺服电机201、丝杠电机206、红外接收器209和超声接收器210的作用；伺服电机201和丝杠电机206分别用于控制连杆机构208和丝杠螺母205运动；丝杠电机支架204起到固定电机作用的同时限制丝杠螺母205的转动，当丝杠电机206转动时丝杠螺母205发生平动；为了能够实现轨迹追踪的目的，连杆机构208与固定架212之间采用铰链连接，丝杠螺母205与固定架212之间采用球铰连接；红外接收器209和超声接收器210分别用于接收红外发射器303和超声发射器304发出的信号，并将接收的信号实时的传输给上位机***4，上位机***4对接收到信息进行分析处理，根据处理结果上位机***4发送控制指令给伺服***，伺服电机201与减速器202开始转动，通过连杆机构208、丝杠机构和固定架212，完成对感应线圈213的位置调整。
参见图5所示，所述的定位帽3包括松紧带301、连接器302、一个红外发射器303、三个超声发射器304、帽身305和卡扣306。其中，一个红外发射器303和三个超声发射器304作为目标信源集成在一个芯片上；所述帽身305通过连接器302与松紧带301相连；一个红外发射器303和三个超声发射器304作为标记单元固定于帽身305上，定时发送红外和超声信号；使用者在佩戴头套时，定位帽3可以通过松紧带301及其端部的卡扣306固定于使用者的头部。为满足各种头型系列的人群，帽身305采用线性网状结构设计。
所述的上位机***4包括***管理、使用者基本信息和轨迹追踪显示模块。***管理模块分为***权限管理、***参数管理和软硬件信息。其中，***权限管理界面可以新建用户，删除用户以及修改用户权限；***参数管理用于打印参数设置、数据库参数设置和脉冲参数设置；软硬件信息用于显示开发和运行软件的名称及版本号、计算机硬件信息、编程语言以及软件的主要功能和技术特点。使用者基本信息包括使用者信息添加、查询、修改和删除等功能。轨迹追踪显示模块分为参数显示和轨迹显示。所述上位机***还具有软件更新功能，用于以后的算法更新和产品换代。
参见图6至图8所示，本发明的定位及自动跟踪方法：定位***由基站和目标信源A～D组成，其中，基站由置于并联机器人机构2内的三个超声接收器210和一个红外接收器209构成，所在位置用BS1～BS4表示且在基站坐标系中的坐标已知；所述目标信源A～D是指超声发射器304和红外发射器303的位置，即位于定位帽3上的四处标记点，红外信号作为超声发送开始基准信号；所有超声、红外信号的发送和接收在同一处理器下进行处理，目标信源A、B、C处的超声发射器304以固定频率依次发射信号，每发射一次信号的同时目标信源D处的红外发射器303发射一次信号，以红外接收器209接到信号的时刻为基准，处理器开始计时，记录三个超声接收器210接收到同一超声信号的时间ti，通过公式计算出三个超声发射器304到三个超声接收器210的距离di，计算公式为：
di＝cti
其中，c为声音在空气中传播的速度，i＝1,2,3
之后，根据空间几何定位公式计算出目标信源A、B、C的空间坐标(xMki，yMki，zMki)，其计算公式为：
di＝(xi-xMki)2+(yi-yMki)2+(zi-zMki)2
其中，(xi，yi，zi)为BS1～BS3处三个超声接收器210的坐标，i＝1,2,3
利用人脑成像技术获取头部坐标系下目标信源与治疗区域位置的相对坐标关系，将头部坐标系置于基站坐标系中，得到治疗区域位置在基站坐标系中的精确位置；为了实现治疗区域位置与感应线圈产生焦点的精确对位，上位机***将根据接收的信号对并联机器人机构的运动轨迹做出规划，并通过伺服控制***完成经颅磁刺激的精确定位跟踪。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置，其特征在于：包括移动支架(1)、并联机器人机构(2)、定位帽(3)和上位机***(4)，所述移动支架(1)与并联机器人机构(2)相连，并联机器人机构(2)与上位机***(4)实时通信；所述定位帽(3)为线性网状结构，且上部设有四处标记点，分别固定三个超声发射器(304)和一个红外发射器(303)；
所述的并联机器人机构(2)是：伺服电机(201)与减速器(202)相连，减速器(202)与连杆机构(208)一端相连，连杆机构(208)另一端与底盘(211)相连，减速器支架(203)固定在底盘(211)上，丝杠电机(206)通过丝杠电机支架(204)固定在底盘(211)上，感应线圈(213)固定在固定架(212)上，连杆机构(208)通过铰链(215)与固定架(212)相连，丝杠螺母(205)通过球铰机构(214)与固定架(212)相连，底盘(211)固定在外壳(207)上，红外接收器(209)和超声接收器(210)固定在底盘(211)上;
定位***由基站和目标信源A～D组成，其中，基站由置于并联机器人机构(2)内的三个超声接收器(210)和一个红外接收器(209)构成，所在位置用BS1～BS4表示且在基站坐标系中的坐标已知；所述目标信源A～D是指超声发射器(304)和红外发射器(303)的位置，即位于定位帽(3)上的四处标记点，红外信号作为超声发送开始基准信号；所有超声、红外信号的发送和接收在同一处理器下进行处理，目标信源A、B、C处的超声发射器(304)以固定频率依次发射信号，每发射一次信号的同时目标信源D处的红外发射器(303)发射一次信号，以红外接收器(209)接到信号的时刻为基准，处理器开始计时，记录三个超声接收器(210)接收到同一超声信号的时间ti，通过公式计算出三个超声发射器(304)到三个超声接收器(210)的距离di，计算公式为：
di＝cti
其中，c为声音在空气中传播的速度，i＝1,2,3；
之后，根据空间几何定位公式计算出目标信源A、B、C的空间坐标(xMki，yMki，zMki)，其计算公式为：
di＝(xi-xMki)2+(yi-yMki)2+(zi-zMki)2
其中，(xi，yi，zi)为BS1～BS3处三个超声接收器(210)的坐标，i＝1,2,3；
利用人脑成像技术获取头部坐标系下目标信源与治疗区域位置的相对坐标关系，将头部坐标系置于基站坐标系中，得到治疗区域位置在基站坐标系中的精确位置；为了实现治疗区域位置与感应线圈产生焦点的精确对位，上位机***将根据接收的信号对并联机器人机构的运动轨迹做出规划，并通过伺服控制***完成经颅磁刺激的精确定位跟踪。
2.根据权利要求1所述的具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述的移动支架(1)包括并联机器人支架(101)、气缸(102)、主支撑柱(103)、移动平台(104)、移动轮(105)，所述并联机器人支架(101)分别与气缸(102)和并联机器人机构(2)的外壳(207)连接，通过气缸(102)调节并联机器人机构(2)的高度，气缸(102)通过主支撑柱(103)固定在移动平台(104)上，移动平台(104)的底部安装移动轮(105)。
3.根据权利要求1所述的具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述的感应线圈(213)的感应线圈采用8字型线圈或者椭圆型线圈。
4.根据权利要求1所述的具有精确定位及自动跟踪功能的经颅磁刺激装置，其特征在于：所述的定位帽(3)包括松紧带(301)、连接器(302)、一个红外发射器(303)、三个超声发射器(304)、帽身(305)和卡扣(306)，所述帽身(305)通过连接器(302)与松紧带(301)相连；一个红外发射器(303)和三个超声发射器(304)作为标记单元固定于帽身(305)上，定时发送红外和超声信号；定位帽(3)通过松紧带(301)及其端部的卡扣(306)固定于使用者的头部。
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