CN114224486A - 一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位*** - Google Patents

一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位*** Download PDF

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李颖
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Abstract

本发明实施例公开了一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***，包括超声换能器、磁刺激线圈、双目相机以及处理器，处理器，用于：确定导航定位的三维结构模型影像中的目标靶点，以及目标靶点在双目相机的相机坐标系下的靶点相机方位；确定超声换能器在双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和磁刺激线圈在双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位；根据超声发射相机方位和靶点相机方位确定超声换能器的超声定位误差，根据磁场发射相机方位靶点相机方位确定磁刺激线圈的线圈定位误差；基于超声定位误差和线圈定位误差进行神经导航定位，以使超声换能器发射的声场和磁刺激线圈发射的磁场正交，实现了磁场和声场的精准正交定位。

Description

一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***
技术领域
本发明实施例涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***。
背景技术
经颅磁刺激可以调控大脑神经神经的兴奋性，经颅磁刺激通过刺激线圈产生脉冲磁场，进而在大脑皮层产生感应电场以调控皮层的兴奋性。但是因为磁场在空间衰减较快，刺激到深部脑区。由此可见，如何实现脑部深部的有效刺激是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***，以实现磁场和声场的精准正交定位，进而实现在脑深部区域产生聚焦的刺激区域，以调控区域内的神经兴奋。
本发明实施例提供了一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***，包括超声换能器、磁刺激线圈、双目相机以及处理器，所述超声换能器和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机视野内，其中处理器，用于：
确定导航定位的三维结构模型影像中的目标靶点，以及所述目标靶点在所述双目相机的相机坐标系下的靶点相机方位；
确定所述超声换能器在所述双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位；
根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声定位误差，根据所述磁场发射相机方位所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈定位误差；
基于所述超声定位误差和所述线圈定位误差进行神经导航定位，以使所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交。
可选的，在上述方案的基础上，所述超声换能器上设置有超声***，所述磁刺激线圈上设置有线圈***，所述确定所述超声换能器在所述双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位，包括：
获取所述超声***的超声定位方位，根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位；
获取所述线圈***的线圈定位方位，根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位。
可选的，在上述方案的基础上，所述根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位，包括：
基于所述超声***和所述超声换能器的方位变换关系，根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位。
可选的，在上述方案的基础上，所述根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位，包括：
基于所述线圈***和所述磁刺激线圈的方位变换关系，根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位。
可选的，在上述方案的基础上，所述超声发射相机方位包括超声发射相机位置和超声发射相机方向，所述靶点相机方位包括靶点相机位置和靶点相机方向，所述根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声定位误差，包括：
根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声位置误差；
根据所述超声发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述超声换能器的超声方向误差；
将所述超声位置误差和所述超声方向误差作为所述超声定位误差。
可选的，在上述方案的基础上，所述根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声位置误差，包括：
将所述超声发射相机位置和第一直线之间的距离作为第一位置误差，其中，所述第一直线由所述靶点相机位置和所述靶点相机方向中的靶点第一矢量构成；
将所述靶点相机位置和第二直线之间的距离作为第二位置误差，其中，所述第二直线由所述超声发射相机位置和所述超声发射相机方向中的超声第一矢量构成；
将所述第一位置误差和所述第二位置误差作为所述超声位置误差。
可选的，在上述方案的基础上，所述根据所述超声发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述超声换能器的超声方向误差，包括：
将所述超声发射相机方向中的超声第二矢量和所述靶点相机方向中的靶点第二矢量之间的夹角作为所述线圈方向误差，其中，所述靶点第一矢量和所述靶点第二矢量正交，所述超声第一矢量和所述超声第二矢量正交。
可选的，在上述方案的基础上，所述磁场发射相机方位包括磁场发射相机位置和磁场发射相机方向，所述靶点相机方位包括靶点相机位置和靶点相机方向，所述根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈定位误差，包括：
根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈位置误差；
根据所述磁场发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述磁刺激线圈的线圈方向误差；
将所述线圈位置误差和所述线圈方向误差作为所述线圈定位误差。
可选的，在上述方案的基础上，所述根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈位置误差，包括：
将所述磁场发射相机位置和第三直线之间的距离作为第三位置误差，其中，所述第三直线由所述靶点相机位置和所述靶点相机方向中的靶点第三矢量构成；
将所述靶点相机位置和第四直线之间的距离作为第四位置误差，其中，所述第四直线由所述磁场发射相机位置和所述磁场发射相机方向中的磁场第一矢量构成；
将所述第三位置误差和所述第四位置误差作为所述线圈位置误差。
可选的，在上述方案的基础上，所述根据所述磁场发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述磁刺激线圈的线圈方向误差，包括：
将所述磁场发射相机方向中的磁场第二矢量和所述靶点相机方向中的靶点第二矢量的夹角作为所述线圈方向误差，其中，所述靶点第三矢量和所述靶点第二矢量正交，所述磁场第一矢量和所述磁场第二矢量正交。
可选的，在上述方案的基础上，所述基于所述超声定位误差和所述线圈定位误差进行神经导航定位，以使所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交，包括：
当所述超声定位误差小于超声定位阈值，且所述线圈定位误差小于磁刺激定位阈值时，确定所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交。
本发明实施例提供的用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***包括超声换能器、磁刺激线圈、双目相机以及处理器，处理器，用于：确定导航定位的三维结构模型影像中的目标靶点，以及目标靶点在双目相机的相机坐标系下的靶点相机方位；确定超声换能器在双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和磁刺激线圈在双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位；根据超声发射相机方位和靶点相机方位确定超声换能器的超声定位误差，根据磁场发射相机方位靶点相机方位确定磁刺激线圈的线圈定位误差；基于超声定位误差和线圈定位误差进行神经导航定位，以使超声换能器发射的声场和磁刺激线圈发射的磁场正交，实现了磁场和声场的精准正交定位，进而实现了在脑深部区域产生聚焦的刺激区域，以调控区域内的神经兴奋。
附图说明
图1是本发明实施例一所提供的一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***的结构示意图；
图2是本发明实施例二所提供的一种神经导航定位仪的结构示意图；
图3是本发明实施例二所提供的一种三维正交靶点的设置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一所提供的一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***的结构示意图。本实施例可适用于进行刺激定位时的情形，尤其适用于对脑部深部进行刺激定位时的情形。如图1所示，用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***包括超声换能器10、磁刺激线圈20、双目相机30以及处理器，所述超声换能器10和所述磁刺激线圈20在所述双目相机30的相机视野内，其中处理器，用于：
确定导航定位的三维结构模型影像中的目标靶点，以及所述目标靶点在所述双目相机的相机坐标系下的靶点相机方位；
确定所述超声换能器在所述双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位；
根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声定位误差，根据所述磁场发射相机方位所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈定位误差；
基于所述超声定位误差和所述线圈定位误差进行神经导航定位，以使所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交。
针对现有技术中磁场刺激脑部神经时，在空间中衰减较快，无法刺激大脑深部的技术问题。本实施例提供了一种将磁场和声场正交，基于霍尔效应产生霍尔电场，使得产生的霍尔电场能够在大脑深部区域产生一个聚焦的刺激区域，从而实现大脑深部的神经调控。
整体来说，通过超声换成器产生声场，通过磁刺激线圈生成磁场，通过控制超声定位误差和线圈定位误差保证超声换能器产生的声场和磁刺激线圈发射的磁场正交。
在本实施例中，可以由操作人员手动调整超声换能器和磁刺激线圈的位置，通过双目相机传感器实时定位超声换能器和磁刺激线圈的位置，基于定位的位置计算超声换能器的定位误差以及磁刺激线圈的定位误差，以使超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交。可以理解的是，定位误差需要根据预先设置的标准参数计算，即基于预先设置的目标靶点以及目标靶点的方位计算。若目标为超声换能器产生的声场和磁刺激线圈产生的磁场正交，则需要设置目标靶点的方向包括空间中相互正交的矢量。
目标靶点基于导航定位的三维结构模型影像设置。其中，三维结构模型影像可以基于受试者的头部结构影像构建。可选的，通过扫描设备(如电子计算机断层扫描设备、磁共振成像设备等)采集受试者的头部结构影像，将采集的头部结构影像进行处理后重建得到三维结构模型影像。一个实施例中，通过电子计算机断层扫描设备采集受试者的CT图像，或通过磁共振成像设备采集受试者的磁共振图像，将采集的图像经过图像分割、平滑等处理后，三维重建获取大脑和头皮的三维结构模型影像。其中，三维重建方式可以参照现有技术中的三维重建方式，在此不做限制。得到三维结构模型影像后，选取三维结构模型影像中的点作为目标靶点。可以通过操作者在显示的三维结构模型影像中选取点作为目标靶点，并确定目标靶点的方向。在本实施例中，为了使得基于目标靶点确定的声场和磁场相互正交，需要设置三维正交靶点。目标靶点的方向包括3个空间中正交的矢量。可以在软件中，通过切割影像按钮延x、y、z三个方向切割皮肤或大脑的三维模型，之后右击模型表面生成矩阵正交刺激靶点。通过设置矩阵中心坐标(以影像坐标中心为原点)移动靶点位置至操作者希望的位置。操作者可以通过90度调整按钮以90度为单位调整靶点的方位。操作者可以通过矩阵角度调整滑块以1度为单位调整靶点的方位。三个正交矢量中，第一矢量主要用于定位超声换能器的聚焦点，第二矢量主要用于定位刺激线圈的聚焦点，第三矢量用于定位刺激磁场和超声的方位使两个场保持正交状态。操作者点击新建按钮则将目标靶点保存至靶点列表，操作者点击删除按钮则删除目标靶点，操作者点击执行按钮则将三维正交靶点的空间位置(坐标)和方位(矢量三维坐标)存储至文本文件中。
本发明实施例提供的用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***包括超声换能器、磁刺激线圈、双目相机以及处理器，处理器，用于：确定导航定位的三维结构模型影像中的目标靶点，以及目标靶点在双目相机的相机坐标系下的靶点相机方位；确定超声换能器在双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和磁刺激线圈在双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位；根据超声发射相机方位和靶点相机方位确定超声换能器的超声定位误差，根据磁场发射相机方位靶点相机方位确定磁刺激线圈的线圈定位误差；基于超声定位误差和线圈定位误差进行神经导航定位，以使超声换能器发射的声场和磁刺激线圈发射的磁场正交，实现了磁场和声场的精准正交定位，进而实现了在脑深部区域产生聚焦的刺激区域，以调控区域内的神经兴奋。
一个实施方式中，超声换能器和磁刺激线圈的定位可以通过***实现。可选的，所述超声换能器上设置有超声***，所述磁刺激线圈上设置有线圈***，所述确定所述超声换能器在所述双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位，包括：获取所述超声***的超声定位方位，根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位；获取所述线圈***的线圈定位方位，根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位。
其中，超声***可以设置在超声换能器的任意位置，线圈***同样可以设置在磁刺激线圈的任意位置。一般来说，超声换能器发射的声场方位可以基于超声换能器的中心位置确定，磁刺激线圈发射的磁场方位可以基于磁刺激线圈的中心位置确定。因此，在计算超声定位误差时，通常根据超声换能器的中心位置计算，同样在计算线圈定位误差时，通过磁刺激线圈的中心位置计算。因此，超声***可以设置在超声换能器的中心位置，可以直接将相机坐标下的超声定位方位作为超声发射相机方位。线圈***可以设置在磁刺激线圈的中心位置，可以直接将相机坐标下的线圈定位方位作为磁场发射相机方位。
但是可能由于超声换能器的结构特点以及磁刺激线圈的结构特点，无法将***设置在中心位置，则需要对超声换能器和超声定位进行位置配准，以及对磁刺激线圈和线圈***进行位置配准，得到超声***和所述超声换能器的方位变换关系，以及所述线圈***和所述磁刺激线圈的方位变换关系。在得到相机坐标下的超声定位方位以及相机坐标下的线圈定位方位后，根据预先得到的方位变换关系确定超声发射相机方位和磁场发射相机方位。
一般来说，为了方便跟踪，将超声***固定于超声换能器上方，而超声换能器将超声聚焦于面阵下方。当超声***未设置在超声换能器的中心位置时，需要对超声定位方位进行坐标变换得到超声发射相机方位。可选的，所述根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位，包括：基于所述超声***和所述超声换能器的方位变换关系，根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位。假设超声***和超声换能器之间的位置变换矩阵为A，即Vh＝A*Vd，Vh为超声换能器中心位置坐标，Vd为超声***位置坐标。则可以将超声定位方位与A的乘积作为超声发射相机方位。
上述过程中，超声***和超声换能器之间的位置变化矩阵可以预先通过标定确定。可选的，采用L形超声校准板实现超声换能器的定位校准。L形***的形状与超声换能器匹配，使得校准结果较准确。校准过程可以为：将方形面阵超声换能器紧贴于校准板的L形标记点，通过双目相机采集超声校准板和超声定位架的空间位置，计算二者之间的相对位置完成空间校准。
刺激线圈将磁场聚焦于线圈下方，而为了方便跟踪线圈定位架固定于线圈上方。当线圈***未设置在磁刺激线圈的中心位置时，需要对磁场定位方位进行坐标变换得到磁场发射相机方位。可选的，所述根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位，包括：基于所述线圈***和所述磁刺激线圈的方位变换关系，根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位。假设所述线圈***和磁刺激线圈之间的位置变换矩阵为B，即Vx＝B*Vw，Vx为磁刺激线圈中心位置坐标，Vw为线圈***位置坐标。则可以将线圈定位方位与B的乘积作为磁场发射相机方位。
上述过程中，所述线圈***和所述磁刺激线圈之间的位置变化矩阵可以预先通过标定确定。可以使用线圈校准板完成线圈校准。具体的，将校准板上标定坐标的铜柱与线圈下部的标记点一一对应，之后操作者触发校准操作，通过双目相机采集线圈校准板和线圈定位架的空间位置，计算二者之间的相对位置完成空间校准。
确定超声发射相机方位以及磁场发射相机方位后，计算超声定位误差和磁场定位误差，基于超声定位误差和磁场定位误差判断声场和磁场是否正交。
一种实施方式中，所述超声发射相机方位包括超声发射相机位置和超声发射相机方向，所述靶点相机方位包括靶点相机位置和靶点相机方向，所述根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声定位误差，包括：根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声位置误差；根据所述超声发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述超声换能器的超声方向误差；将所述超声位置误差和所述超声方向误差作为所述超声定位误差。可以理解的是，超声的发射位置及方向都能够对声场产生影响。为保证超声定位误差的精准度，将超声定位误差划分为超声位置误差和超声方向误差，分别计算位置上的定位误差和方向上的定位误差。其中，超声位置误差表示超声换能器的位置与标准位置之间的误差，超声方向误差表示超声发射方向与标准方向之间的误差。
进一步的，所述根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声位置误差，包括：将所述超声发射相机位置和第一直线之间的距离作为第一位置误差，其中，所述第一直线由所述靶点相机位置和所述靶点相机方向中的靶点第一矢量构成；将所述靶点相机位置和第二直线之间的距离作为第二位置误差，其中，所述第二直线由所述超声发射相机位置和所述超声发射相机方向中的超声第一矢量构成；将所述第一位置误差和所述第二位置误差作为所述超声位置误差。可选的，可以基于目标靶点的靶点相机方位确定第一直线，基于超声发射相机方位确定第二直线，将超声发射相机位置和第一直线之间的距离，以及靶点相机位置和第二直线之间的距离作为超声位置误差。也就是说，超声位置误差可以理解为超声发射相机位置在第一直线上的位置偏差，以及目标靶点位置在第二直线上的位置偏差。
示例性的，假设超声发射相机位置为CT，目标靶点的靶点相机位置为Ctarge，靶点第一矢量为σgreen，超声第一矢量为Zt，其中，超声第一矢量可以为面阵超声换能器垂直于表面一轴的矢量。则将通过靶点相机位置Ctarge，且方向为靶点第一矢量σgreen的直线定义为第一直线，将通过超声发射相机位置CT，且方向为超声第一矢量Zt的直线定义为第二直线。将超声发射相机位置CT与第一直线之间的距离作为第一位置误差，将靶点相机位置Ctarge与第二直线之间的距离作为第二位置误差。
在上述方案的基础上，所述根据所述超声发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述超声换能器的超声方向误差，包括：将所述超声发射相机方向中的超声第二矢量和所述靶点相机方向中的靶点第二矢量之间的夹角作为所述线圈方向误差，其中，所述靶点第一矢量和所述靶点第二矢量正交，所述超声第一矢量和所述超声第二矢量正交。可选的，超声方向误差可以以角度的形式表示。可以将超声第二矢量和靶点第二矢量σred的夹角作为所述超声方向误差。其中，超声第二矢量可以理解为面阵超声换能器中平行于表面一轴的矢量，超声第一矢量和超声第二矢量正交。
磁场定位误差的计算方式与超声定位误差的计算方式类似。同样的，所述磁场发射相机方位包括磁场发射相机位置和磁场发射相机方向，所述靶点相机方位包括靶点相机位置和靶点相机方向，所述根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈定位误差，包括：根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈位置误差；根据所述磁场发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述磁刺激线圈的线圈方向误差；将所述线圈位置误差和所述线圈方向误差作为所述线圈定位误差。可以理解的是，线圈的位置及方向都能够对其产生的磁场产生影响。为保证线圈定位误差的精准度，将线圈定位误差划分为线圈位置误差和线圈方向误差，分别计算位置上的定位误差和方向上的定位误差。其中，线圈位置误差表示磁刺激线圈的位置与标准位置之间的误差，线圈方向误差表示磁场发射方向与标准方向之间的误差。
进一步的，所述根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈位置误差，包括：将所述磁场发射相机位置和第三直线之间的距离作为第三位置误差，其中，所述第三直线由所述靶点相机位置和所述靶点相机方向中的靶点第三矢量构成；将所述靶点相机位置和第四直线之间的距离作为第四位置误差，其中，所述第四直线由所述磁场发射相机位置和所述磁场发射相机方向中的磁场第一矢量构成；将所述第三位置误差和所述第四位置误差作为所述线圈位置误差。也就是说，线圈位置误差可以为磁场发射相机位置在第三直线上的位置偏差，以及靶点相机位置在第四直线上的位置偏差。
示例性的，假设磁场发射相机位置为Cc，目标靶点的靶点相机位置为Ctarge，磁场第一矢量为Zt，靶点第三矢量为σblue。则将通过靶点相机位置Ctarge，且方向为靶点第三矢量σblue的直线定义为第三直线，将通过磁场发射相机位置Cc，且方向为磁场第一矢量Zt的直线定义为第四直线。将磁场发射相机位置Cc与第三直线之间的距离作为第三位置误差，将靶点相机位置Ctarge与第四直线之间的距离作为第四位置误差。当第三位置误差和第四位置误差均为0时，磁场第一矢量与靶点第三矢量重合，此时磁刺激线圈产生的磁场沿磁场第一矢量方向准确到达靶点位置。
在上述方案的基础上，所述根据所述磁场发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述磁刺激线圈的线圈方向误差，包括：将所述磁场发射相机方向中的磁场第二矢量和所述靶点相机方向中的靶点第二矢量的夹角作为所述线圈方向误差，其中，所述靶点第三矢量和所述靶点第二矢量正交，所述磁场第一矢量和所述磁场第二矢量正交。可选的，线圈方向误差可以以角度的形式表示。以八字线圈为例，可以八字线圈延把柄向前的矢量Xc定义为磁场第二矢量，将磁场第二矢量Xc和靶点第二矢量σred之间的夹角作为线圈方向误差。
确定超声定位误差和线圈定位误差后，基于所述超声定位误差和所述线圈定位误差进行神经导航定位。一个实施例中，所述基于所述超声定位误差和所述线圈定位误差进行神经导航定位，以使所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交，包括：当所述超声定位误差小于超声定位阈值，且所述线圈定位误差小于磁刺激定位阈值时，确定所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交。参照上述实施例，超声定位误差包括超声位置误差和超声方向误差，超声位置误差又具体包括第一位置误差和第二位置误差；线圈定位误差包括线圈位置误差和线圈方向误差，线圈位置误差又具体包括第三位置误差和第四位置误差。可以针对每个误差设置相应的阈值。基于设置的阈值判断声场和磁场是否正交。
以超声定位误差为例，可以分别设置第一位置误差的第一位置阈值、第二位置误差的第二位置阈值和超声方向误差的超声方向阈值，当第一位置误差小于第一位置阈值、第二位置误差小于第二位置阈值，且超声方向误差小于超声方向阈值时，判定超声定位误差小于超声定位阈值。其中，第一位置阈值和第二位置阈值可以为相同值，也可以为不同值。
以线圈定位误差为例，可以分别设置第三位置误差的第三位置阈值、第四位置误差的第四位置阈值和线圈方向误差的线圈方向阈值，当第三位置误差小于第三位置阈值、第四位置误差小于第四位置阈值，且线圈方向误差小于线圈方向阈值时，判定线圈定位误差小于线圈定位阈值。其中，第三位置阈值和第四位置阈值可以为相同值，也可以为不同值。
当超声定位误差小于超声定位阈值，且线圈定位误差小于线圈定位阈值时，判定超声换能器发射的声场与磁刺激线圈产生的磁场正交；否则，超声换能器发射的声场与磁刺激线圈产生的磁场不正交。当超声换能器发射的声场与磁刺激线圈产生的磁场正交时，可以确保将脉冲磁场和声场以正交的方式聚焦于人大脑深部三维空间一个位点，实现大脑深部的神经调控。
在计算超声定位误差和线圈定位误差的过程中，需要在同一坐标系下进行计算。也就是说，可以在双目相机的相机坐标系下计算，也可以在影像坐标系下计算。考虑到在进行定位的过程中，目标靶点是固定的，超声换能器的位置以及磁刺激线圈的位置可能会发生变化，为简化计算量，优选的在双目相机坐标系下计算。使得仅需进行一次坐标变化就可以完成定位过程中的计算。
在双目相机坐标系下计算时，需要将目标靶点的影像坐标转换为相机坐标系下的相机坐标。可以通过预先确定的配准坐标变换关系将目标靶点的靶点相机方位转换到相机坐标系下。
一个实施例中，可以通过两部配准法完成影像空间坐标系与相机坐标系的配准，获取影像坐标与头部定位跟踪架坐标(即相机坐标)之间的映射关系。可以使用绑带将头部定位跟踪架固定于受试者或病人头部。首先完成基于解剖学标记点的配准，操作者在显示的影像中点击需要参与配准的点，同时使用定位探针的针尖定位至受试者或病人头部相应位点，之后操作者采集双目相机的定位探针和头部定位跟踪架的空间位置，基于双目相机的定位探针位置和头部定位跟踪架的位置完成基于解剖学标记点的配准。之后操作者将定位探针定位至受试者或病人头皮表面，依次采集96个不同的位点，使用迭代就近点法ICP(Iterative Closest Point)完成第二部配准工作，得到影像空间坐标系与相机坐标系的坐标变换关系。即可根据影像空间坐标系与相机坐标系的坐标变换关系将目标靶点的靶点影像坐标转换为相机坐标系下的相机坐标，进行定位误差的计算。
实施例二
本实施例在上述方案的基础上，提供了一种优选实施例。本发明实施例提出了将声场和磁场以正交的方式聚焦于大脑深部一点，刺激大脑深部区域的方法。这种刺激方式除了磁感应电场和声场外，因磁场和声场正交，基于霍尔效应会产生一个霍尔电场。因此，可以在大脑深部区域产生一个聚焦的刺激区域，以调控区域内的神经兴奋性。
本发明实施例提供了一种神经导航定位仪，具有影像处理、三维重建、注册配准、靶点设置、线圈校准和超声换能器校准等功能，最后可以在影像空间中实时观察磁刺激线圈和超声换能器的位置，并且实时计算二者距离靶点的定位误差，实现了磁场和声场的在被试大脑空间的精准正交定位。
图2是本发明实施例二所提供的一种神经导航定位仪的结构示意图。如图2所示，神经导航定位仪包括超声换能器1、超声换能器定位跟踪架2、刺激线圈3、刺激线圈定位跟踪架4、超声校准板5、线圈校准板6、头部定位跟踪架和绑带7、NDI双目视觉定位传感器8、***主机9和定位探针10。
神经导航定位仪可以基于VS2019和VTK、ITK软件包开发，设置于***主机中，主要功能包括影像处理、配准与校准、实时跟踪与误差计算等。
进行导航定位的步骤可以包括：
1、硬件准备
将超声换能器定位跟踪架固定于面阵超声换能器上，通过跟踪架定位超声换能器。将刺激线圈定位跟踪架固定于刺激线圈上，通过跟踪架定位刺激线圈。将超声换能器定位跟踪架、刺激线圈定位跟踪架、超声校准板、线圈校准板、头部定位跟踪架、定位探针放置于NDI双目相机视野内，观察***是否可以同步跟踪这六个部件。
2、影像准备
采集受试者或病人CT/MRI等头部结构影像，将头部结构影像经过图像分割、平滑、三维重建获取大脑和头皮的三维(3D)结构模型影像。
3、使用鼠标在被试头皮三维模型上设置解剖学标记点。使用鼠标右击模型位置(一般为鼻尖、鼻根、耳廓、眼角等位置)，软件会在相应位置生成红色小球，点击新建按钮，则小球变为黄色，***记录小球位置，点击删除则会删除当前选中的小球。点击执行按钮则会将添加的小球位置(在影像空间中的影像坐标)全部存储至txt文件中。
4、目标靶点设置
三维正交靶点设置包括3个空间中正交的矢量。图3是本发明实施例二所提供的一种三维正交靶点的设置示意图。如图3所示，设置目标靶点后，软件可以通过切割影像按钮延x、y、z三个方向切割皮肤或大脑的三维模型，之后右击模型表面生成矩阵正交刺激靶点。通过设置矩阵中心坐标(以影像坐标中心为原点)移动靶点位置至操作者希望的位置。操作者可以通过90度调整按钮以90度为单位调整靶点的方位，通过矩阵角度调整滑块以1度为单位调整靶点的方位。三个正交矢量中，第二矢量主要用于定位刺激线圈的聚焦点，第一矢量主要用于定位超声换能器的聚焦点，第三箭头用于定位刺激磁场和超声的方位使两个场保持正交状态。可以通过点击新建按钮则将靶点保存至靶点列表，点击删除按钮则删除靶点，操作者点击执行按钮则将三维正交靶点的空间位置(坐标)和方位(矢量三维坐标)存储至文本文件中。
5、影像坐标和空间坐标配准
通过两部配准法完成***的配准工作。注册配准主要为了获取影像坐标中心Ci与头部定位跟踪架坐标之间的映射关系。首先完成基于解剖学标记点的配准，点击需要参与配准的点，同时使用定位探针的针尖定位至受试者或病人头部相应位点，之后操作者点击采集按钮，NDI采集定位探针和头部定位跟踪架的空间位置，点击Landmark配准按钮，程序完成基于解剖学标记点的配准。之后操作者将定位探针定位至受试者或病人头皮表面，依次采集96个不同的位点，使用迭代就近点法ICP(Iterative Closest Point)完成第二部配准工作。完成注册配准后，NDI相机可以通过头部定位跟踪架实时监控步骤4所设置的三维正交靶点的空间位置和角度。
6、通过定位探针实时判断配准精度，使用定位探针的针尖划过受试者或病人头皮表面，计算探针的针尖到皮肤的距离判断配准精度；使用定位探针的针尖受试者或病人解剖学标记点位置，同时获取探针到解剖学标记点的距离判断配准精度。
7、线圈校准
刺激线圈将磁场聚焦于线圈下方，而为了方便跟踪线圈定位架固定于线圈上方，线圈校准为确定线圈聚焦点与线圈定位架的坐标关系。可以使用线圈校准板完成线圈校准工作。具体的，将校准板上标定坐标的铜柱与线圈下部的标记点一一对应，之后操作者点击校准线圈按钮，NDI采集线圈校准板和线圈定位架的空间位置，计算二者之间的相对位置完成空间校准。完成线圈校准后，NDI相机可以通过线圈定位跟踪架实时监控线圈中心的空间位置和角度。
8、超声换能器校准
为解决超声换能器空间定位校准的问题，超声换能器将超声聚焦于面阵下方，而为了方便跟踪超声定位架固定于超声换能器上方，超声换能器校准为确定超声换能器面阵中心点与超声定位架的坐标关系，使用L形超声校准板完成超声换能器的校准工作。具体的，将方形面阵超声换能器紧贴于校准板的L形标记点，之后，NDI采集超声校准板和超声定位架的空间位置，计算二者之间的相对位置完成空间校准。完成超声校准后，NDI相机可以通过超声定位跟踪架实时监控超声换能器面阵中心的空间位置和角度。
9、脉冲磁场和声场的正交-聚焦定位
在NDI相机的三维空间中实时监控大脑中的三维正交靶点、刺激线圈中心和超声换能器面阵中心的空间位置。
可以定义靶点中心坐标(即靶点相机位置)为Ctarget、靶点第一矢量坐标定义为σgreen、靶点第二矢量坐标定义为σred、靶点第三矢量坐标定义为σblue、线圈中心坐标(即磁场发射相机位置)为Cc，八字线圈延把柄向前的矢量(即磁场第二矢量)定义为Xc，八字线圈垂直于表面向下的矢量(即磁场第一矢量)定义为Zc，面阵超声换能器中心坐标(即超声相机发射位置)为CT，面阵超声换能器的平行于平面X轴的矢量坐标(即超声第二矢量)定义为Xt，面阵超声换能器的平行于平面Y轴的矢量坐标(即超声第一矢量)定义为Zt，面阵超声换能器垂直于表面Z轴的矢量坐标定义为Zt。通过计算超声定位误差和线圈定位误差控制线圈和超声换能器的空间位置以实现聚焦超声与聚焦脉冲磁场的空间正交定位。
可以通过Epc1＝|CcCtarget×σblue|、Epc2＝|CcCtarget×Zc|计算定义线圈位置误差。具体的，通过刺激线圈中心点Cc到靶点中心Ctarget和靶点第三矢量σblue定义的直线之间的距离定义为第三位置误差Epc1，通过靶点中心到刺激线圈中心点Cc和磁场第一矢量Zc定义的直线之间的距离定义为第四位置误差Epc2。将第三位置误差和第四位置误差作为线圈位置误差。
可以通过
Figure BDA0003413170290000201
定义线圈方向误差。八字线圈延把柄向前的磁场第二矢量Xc和靶点第二矢量σred的夹角定义为线圈方向误差Eoc。
可以通过Ept1＝|CtCtarget×σgreen|、Ept2＝|CtCtarget×ZT|定义超声位置误差。通过超声换能器中心点CT到靶点中心Ctarget和靶点第一矢量σgreen定义的直线之间的距离定义为第一位置误差Ept1，通过靶点中心到面阵超声换能器中心点CT和超声第一矢量Zt定义的直线之间的距离定义为第二位置误差Ept2。将第一位置误差和第二位置误差作为超声位置误差。
可以通过
Figure BDA0003413170290000211
定义超声方向误差。面阵超声换能器的平行于平面X轴的矢量坐标定义为Xt和靶点第二矢量σred的夹角定义为超声方向误差Eot。
本发明实施例通过计算线圈中心、超声换能器中心到靶点中心的距离，根据影像空间中计算的超声换能器中心到大脑中靶点中心的距离来设置超声聚焦深度。其中计算的线圈定位误差、角度误差；超声换能器定位误差、角度误差，线圈中心、超声换能器中心到靶点中心的距离等信息，实时显示于仪器软件界面，同时我们在三维影像空间中同步显示线圈和超声换能器的模型。
通过步骤上述步骤，达到实时监控刺激线圈和超声换能器与刺激靶点位置的目的，当线圈定位误差、角度误差；超声换能器定位误差、角度误差的误差为0，并根据影像空间中计算的超声换能器中心到大脑中靶点中心的距离来设置超声聚焦深度，可以确保将脉冲磁场和声场以正交的方式聚焦于人大脑深部三维空间一个位点，实现了磁场和声场的在大脑空间的精准正交定位，实现了在大脑深部区域产生一个聚焦的刺激区域，以调控区域内的神经兴奋性。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种用于声场和磁场正交定位的神经导航定位***，其特征在于，包括超声换能器、磁刺激线圈、双目相机以及处理器，所述超声换能器和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机视野内，其中处理器，用于：
确定导航定位的三维结构模型影像中的目标靶点，以及所述目标靶点在所述双目相机的相机坐标系下的靶点相机方位，所述靶点相机方位包括至少三个相互正交的矢量；
确定所述超声换能器在所述双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位；
根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声定位误差，根据所述磁场发射相机方位所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈定位误差；
基于所述超声定位误差和所述线圈定位误差进行神经导航定位，以使所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述超声换能器上设置有超声***，所述磁刺激线圈上设置有线圈***，所述确定所述超声换能器在所述双目相机的相机坐标系下的超声发射相机方位和所述磁刺激线圈在所述双目相机的相机坐标系下的磁场发射相机方位，包括：
获取所述超声***的超声定位方位，根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位；
获取所述线圈***的线圈定位方位，根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位，包括：
基于所述超声***和所述超声换能器的方位变换关系，根据所述超声定位方位确定所述超声发射相机方位。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位，包括：
基于所述线圈***和所述磁刺激线圈的方位变换关系，根据所述线圈定位方位确定所述磁场发射相机方位。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述超声发射相机方位包括超声发射相机位置和超声发射相机方向，所述靶点相机方位包括靶点相机位置和靶点相机方向，所述根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声定位误差，包括：
根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声位置误差；
根据所述超声发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述超声换能器的超声方向误差；
将所述超声位置误差和所述超声方向误差作为所述超声定位误差。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述根据所述超声发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述超声换能器的超声位置误差，包括：
将所述超声发射相机位置和第一直线之间的距离作为第一位置误差，其中，所述第一直线由所述靶点相机位置和所述靶点相机方向中的靶点第一矢量构成；
将所述靶点相机位置和第二直线之间的距离作为第二位置误差，其中，所述第二直线由所述超声发射相机位置和所述超声发射相机方向中的超声第一矢量构成；
将所述第一位置误差和所述第二位置误差作为所述超声位置误差。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述根据所述超声发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述超声换能器的超声方向误差，包括：
将所述超声发射相机方向中的超声第二矢量和所述靶点相机方向中的靶点第二矢量之间的夹角作为所述线圈方向误差，其中，所述靶点第一矢量和所述靶点第二矢量正交，所述超声第一矢量和所述超声第二矢量正交。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述磁场发射相机方位包括磁场发射相机位置和磁场发射相机方向，所述靶点相机方位包括靶点相机位置和靶点相机方向，所述根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈定位误差，包括：
根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈位置误差；
根据所述磁场发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述磁刺激线圈的线圈方向误差；
将所述线圈位置误差和所述线圈方向误差作为所述线圈定位误差。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述根据所述磁场发射相机方位和所述靶点相机方位确定所述磁刺激线圈的线圈位置误差，包括：
将所述磁场发射相机位置和第三直线之间的距离作为第三位置误差，其中，所述第三直线由所述靶点相机位置和所述靶点相机方向中的靶点第三矢量构成；
将所述靶点相机位置和第四直线之间的距离作为第四位置误差，其中，所述第四直线由所述磁场发射相机位置和所述磁场发射相机方向中的磁场第一矢量构成；
将所述第三位置误差和所述第四位置误差作为所述线圈位置误差。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述根据所述磁场发射相机方向和所述靶点相机方向确定所述磁刺激线圈的线圈方向误差，包括：
将所述磁场发射相机方向中的磁场第二矢量和所述靶点相机方向中的靶点第二矢量的夹角作为所述线圈方向误差，其中，所述靶点第三矢量和所述靶点第二矢量正交，所述磁场第一矢量和所述磁场第二矢量正交，所述磁场第一矢量和所述磁场第二矢量正交。
11.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述基于所述超声定位误差和所述线圈定位误差进行神经导航定位，以使所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交，包括：
当所述超声定位误差小于超声定位阈值，且所述线圈定位误差小于磁刺激定位阈值时，确定所述超声换能器发射的声场和所述磁刺激线圈发射的磁场正交。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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