CN104474636A - 一种多点多频三维经颅磁刺激系统及颅内外坐标转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点多频三维经颅磁刺激系统及颅内外坐标转换方法，所述的系统包括固定装置、刺激装置和辅助定位装置，其中固定装置固定患者颈部位置，刺激装置对患者进行定点磁刺激，辅助定位装置用于辅助确定定位点，以实现颅内外坐标的转换。同时本发明提供的坐标转换方法，能方便快速地实现颅内外坐标的转换，与本系统配合，提供一种全方位、自动的经颅磁刺激治疗方案。本装置结构简单，功能实用，为经颅磁刺激治疗提供了有效的装置，并提供了一种新的研究思路。

Description

一种多点多频三维经颅磁刺激系统及颅内外坐标转换方法

技术领域

本发明涉及颅脑外科技术领域，具体涉及一种脑皮质经颅三维磁刺激系统，可自动针对病灶位置进行单点单频、多点多频等磁刺激治疗。

背景技术

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic stimulation，TMS)是一种利用脉冲电磁场和交变电磁场，作用于大脑中枢神经系统，利用电磁产生的感应电流，改变大脑皮层神经细胞的膜电位，影响脑内代谢和神经电位活动，从而引起一系列生理功能发生反应,该方法具有无痛、无损伤、操作简便、安全可靠等优点,目前使用经颅磁治疗仪针对帕金森病(PD)、癫痫、缺血性卒中、精神分裂症(阴性症状)、抑郁症、强迫症、躁狂症、创伤后应激障碍(PTSD)、神经康复、小儿脑瘫、认知障碍、精神抑郁、癫痫在脊髓损伤、颅外上后康复、卒中后康复、外周神经康复等有不错的效果。

目前所有的TMS仪器均为无导航的定位刺激方式仪器，无导航定位的TMS刺激部位的选择通常是依靠操作者具备的解剖和生理学知识，根据人脑常规功能分布大致上确定。这样确定的刺激点与实际有效部位的误差往往较大。因此在实施刺激过程中，操作者往往不得不反复多次地在目标区域内来回小步长地移动刺激线圈，并根据刺激诱发响应的间接证据判断是否刺激到目标靶区，以及是否找到最佳刺激点。这个过程耗时费力，不但难于在各次刺激实验(或治疗)间重复同一目标靶点的准确刺激，而且试验结果的可靠性也有待验证，由于刺激深度和刺激角度无法从头皮表面直接来确定，可以说是处于一种“盲刺激”状态。

另外，现有的对颅磁刺激由于没有精确的导航，仅能做到对特定位置进行不确切地刺激，由于颅内、颅外位置不能确切地统一，因此不能将探头带到距离目标靶区最合适的位置，并且仅能实现单点单频的刺激方式，不能形成系统的治疗和研究方案。

发明内容

针对上述现有技术提出的问题，本发明的目的在于，提供一种多点多频三维经颅磁刺激系统，该系统利用磁共振扫描结果，经过图像处理得到患者致病脑区，然后根据三维坐标转换关系，实现从图像到现实空间坐标的转换，以进行精确的单点单频、单点多频、多点单频、多点多频等刺激方式。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种多点多频三维经颅磁刺激系统，包括固定装置、刺激装置和辅助定位装置；

固定装置包括用于固定人体颅部位置的固定器；

刺激装置位于固定装置的上方，包括呈球面状分布的多个探头，探头连接至经颅磁刺激仪；

辅助定位装置包括设置在紧密贴附于人体面布的适形面罩，和设置在适形面罩周围的定位器，在适形面罩上开设有定位孔；

经颅磁刺激仪连接至一个控制器。

进一步地，所述的定位器设置三个，其中两个定位器与水平面之间的距离相同，与这两个定位器连线垂直且经过连线中心的面称为平分面，则另外一个定位器位于平分面中，并且三个定位器连接构成的平面不与水平面平行；定位器连接在导航装置上。

进一步地，所述的刺激装置包括球形头盔，在头盔上按照人体脑部不同的功能区域对应地划分为多个区域，在头盔上划分的每个区域中设置至少一个所述的探头。

进一步地，所述的探头穿过头盔表面伸入到头盔中，每个探头上均安装有驱动装置，驱动装置可带动探头沿远离或靠近头盔中心的方向运动，驱动装置连接至控制器。

进一步地，所述的头盔通过连接杆安装在平行于地面设置的支撑杆上，连接杆可沿支撑杆滑动，在支撑杆上还设置有限制连接杆位置的限位块。

进一步地，所述的固定器包括筒状颈托，该颈托套装在人体颈部并与人体颈部曲线相贴合，颈托的顶端向上延伸且不超过患者的嘴部和耳部，颈托的底端向下延伸且不超过患者的胸部和肩部，颈托向上、向下延伸的部分和与延伸部分接触的人体部位的曲线相贴合。

进一步地，所述的颈托沿其轴向剖切对称一分为二，分开的两部分颈托通过合页连接，在分开的两部分颈托上对称设置有锁扣，两部分颈托通过锁扣锁合形成一个完整的颈托。

进一步地，所述的适形面罩由热塑材料制成，适形面罩由眼底向下延伸至下颌底部，由鼻部向两侧延伸至耳底部，与人体面部生理结构相切合，且在适形面罩上留有与鼻部和嘴部对应的通孔；所述的定位孔开设在面罩上眼底位置和耳底位置。

进一步地，该系统还包括一个操作箱，控制器设置于操作箱中并连接一个显示器和键盘，操作箱上设置有箱门，打开箱门可拉出键盘并观察到显示器。

进一步地，在操作箱的侧壁上设置有滑轨，滑轨上安装有座椅，座椅的椅腿可伸缩，所述的固定器通过伸缩杆安装在座椅的椅背上。

进一步地，在导航装置和辅助定位装置的外部设置有罩体，罩体上开设有操作门。

进一步地，所述的操作箱底部安装有带有锁止功能的万向轮。

进一步地，在操作箱中底部位置设置有配重块。

进一步地，所述的箱体上开设有凹口，便于设置刺激装置。

一种颅内外坐标转换方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一，利用定位器在患者面部进行三点定位，在定位的三点处固定标志物，然后进行磁共振扫描，得到包含病灶区域和标志物阴影在内的扫描图；

步骤二，根据扫描图信息，得到病灶发生的脑区，然后对扫描图进行三维重建，在三维重建图中，得到病灶脑区在三维重建图中的三维坐标系中的坐标，记为P(x,y,z)；

步骤三，利用三个标志物的阴影在三维重建图中的坐标，将实际空间的三维坐标系对应到三维重建图中的一个局部坐标系，并得到两个坐标系之间的对应关系；

步骤四，根据两个坐标系之间的对应关系，得到病灶脑区在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)。

进一步地，步骤三的具体过程如下：

步骤S30，记所述的三个标志物分别为第一标志物、第二标志物和第三标志物，将第一标志物、第二标志物在三维重建图中的坐标连线作为局部坐标系的X′轴，从第三标志物在三维重建图中的坐标向X′轴作垂线，垂线与X′轴相交点记为O′即为局部坐标系的原点，O′在三维重建图中的坐标记为(x₀,y₀,z₀)；

步骤S31，三维重建图中第三标志物的坐标与X′轴的垂线为局部坐标系的Z′轴，通过局部坐标系的原点O′的坐标和第三标志物在三维重建图中的坐标，计算出两点间的直线方程，继而得到局部坐标系Z′轴与三维重建图中的三维坐标系X,Y,Z轴的夹角分别为α,β,γ；

步骤S32，局部坐标系到三维重建图中的坐标系的变换可看作是由局部坐标系绕三维重建图中坐标系Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度，继而平移至(x₀,y₀,z₀)三个变换组成，则三个变换矩阵分别为：

$T_a=\left[\begin{array}{cccc}\cos a& 0& -\sin a& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ \sin a& 0& \cos a& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_b=\left[\begin{array}{cccc}\cos b& \sin b& 0& 0\\ -\sin b& \cos b& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_{O^{\′}}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]$

则组合变换矩阵为：

$T=T_a\·T_b\·T_{O^{\′}}=\left[\begin{array}{cccc}\cos a\cos b& \cos a\sin b& -\sin a& 0\\ -\sin b& \cos b& 0& 0\\ \sin a\cos b& \sin a\sin b& \cos a& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

Z′轴的方向余弦分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1=\cos \mathrm{\α}\\ n_2=\cos \mathrm{\β}\\ n_3=\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

cosa＝n₃＝cosγ   (3)

$\sin a=\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}=\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}---\left(4\right)$

$\cos b=\frac{n_1}{\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}---\left(5\right)$

$\sin b=\frac{n_2}{\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}}=\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}---\left(6\right)$

将上面的式(3)至(6)代入组合变换矩阵式(1)中可得到：

$T=\left[\begin{array}{cccc}\frac{\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& -\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}& 0\\ -\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& 0& 0\\ \cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

因此，局部坐标系中的一点(x′,y′,z′)可以通过转换矩阵转换为三维重建图中坐标系中的坐标(x,y,z)，转换关系如下：

[x′y′z′1]·T＝[x y z 1]   (8)

已知三维重建图中坐标系中的坐标，要转化为局部坐标系中的坐标，则可采用以下公式：

[x′y′z′1]＝[x y z 1]·T^-1   (9)

式(9)中，T^-1可通过对T求逆矩阵得到，T^-1为：

$T^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& -\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ \frac{\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \cos \mathrm{\β}& 0\\ -\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}& 0& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ \mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}& 1\end{array}\right]---\left(10\right)$

则将(10)代入(9)中即可将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系，即实际空间坐标系中的坐标。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1.采用了刺激装置，该刺激装置根据人体脑区按照医学划分的功能区域，对应地设置多个刺激区域，配合磁刺激探头，进行人体颅部全方位的磁刺激治疗；

2.由于采用了分区刺激的结构，使采用统一装置进行单点单频、单点多频、多点电频、多点多频的治疗方案得以实现，可针对不同脑区的病灶定制个性化的治疗手段，能同时针对不同病灶同时刺激治疗，并且频率可调，使刺激过程更加的完整和系统，提高了磁刺激治疗的效果，并为磁刺激治疗的研究开辟了新的思路，提供了优良的保证；

3.采用图像分析坐标转换的手段，将患者致病脑区位置先通过扫描图像提取出来，继而根据算法实现内外坐标的统一，从而根据坐标指示选择合适的刺激探头进行精确的定位刺激，整个过程可通过自动化完成，使治疗过程更加的系统化、智能化和自动化；

4.本方案中还提供了一种根据图像中特定靶点位置对应到实际三维坐标当中位置的方法，利用该方法能精准、快速地进行从图像到具体位置的定位过程；

5.本装置集成性好，一体化程度高且结构简单，便于运输安装，操作简便，对环境场合要求低，为脑疾病的治疗治疗提供了新的思路，适宜推广应用。

附图说明

图1为本系统的整体结构示意图；

图2为本系统去掉罩体后的结构示意图；

图3为刺激装置和辅助定位装置部分的结构示意图；

图4为底门部分的结构示意图；

图5为探头与头盔的安装位置示意图；

图6为固定器的结构和安装位置示意图；

图7为适形面罩的结构示意图；

图8为佩戴适形面罩的结构示意图；

图9为局部坐标系与三维重建图中三维坐标系的关系图；

图10为局部坐标系与三维重建图中三维坐标系之间转换的关系图；

图中标号代表：

1—箱门，2—显示器，3—操作箱，4—凹口，5—头盔，6—罩体，7—操作门，8—颈托，9—椅背，10—座椅，11—椅腿，12—锁紧件，13—经颅磁刺激仪，14—底门，15—万向轮，16—键盘，17—支撑杆，18—导线，19—连接杆，20—探头，21—竖杆，22—定位器，23—合页，24—总线，25—限位块，26—滑块，27—锁扣，28—滑轨，29—伸缩杆，30—主机箱，31—配重块，32—适形面罩，33—定位孔，34—弹性固定带，35—驱动装置；

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1至图8所示，一种多点多频三维经颅磁刺激系统，包括固定装置、刺激装置和辅助定位装置；

固定装置包括用于固定人体颅部位置的固定器；

刺激装置位于固定装置的上方，包括呈球面状分布的多个探头20，探头20连接至经颅磁刺激仪13；

辅助定位装置包括设置在紧密贴附于人体面布的适形面罩32，和设置在适形面罩32周围的定位器22，在适形面罩32上开设有定位孔33；

经颅磁刺激仪13连接至一个控制器。

利用本系统进行磁刺激治疗的思路是这样的：对于人体颅部的刺激治疗，需要将探头20准确放在头皮外部距离病灶处的特定位置，如最接近颅内病灶的位置，这是进行精确磁刺激治疗的前提，这就需要知道颅内病灶的实际位置。可以通过经过磁共振扫描得到病灶图片中的位置，继而经过计算得出病灶在实际空间的位置；在病灶位置确定好之后，利用已经设置好的探头20在实际空间中坐标的位置分布情况，开启最接近病灶的、对应区域的探头20，进行磁刺激治疗。并且可根据病灶情况，选择是否开启临近的探头20以同时作用于病灶，以对统一病灶实施单点多频的治疗方案；而利用该系统也可以进行多处病灶的同时治疗。

对患者颅部进行精确刺激以进行治疗的关键问题在于如何将患者脑部的病灶对应到实际空间坐标系中，然后利用外部设备作用到病灶位置进行治疗，在这个过程中，要考虑这几个主要问题：其一，如何获取病灶位置；其二，如何将病灶位置提取出来并且完成颅内、颅外之间坐标的转换；其三，对于患者如何配合，以顺利实现整个过程。针对于这些关键问题，本方案中提出了一种磁刺激系统。

固定装置

由于采用坐标转换的和电控的方式进行治疗过程，那么在这个过程中，需要受体的位置相对固定，以便于内外坐标的转换，和磁刺激时探头20能在刺激过程中准确作用到病灶位置；作为本系统来讲，应对受体(人体头部)进行良好的固定。结合本方案的布局和实际情况，考虑到患者本身在长时间治疗情况下的舒适性，本发明中提出了一种能方便调节并且能与装置本身良好配合的固定装置。

如图6所示，该固定器包括筒状颈托8，该颈托8套装在人体颈部并与人体颈部曲线相贴合，这里是指颈托8的大小能刚好适应人体颈部，不会在颈部与颈托8之间留下过大的空间而影响到对颈部的限制固定效果。颈托8的顶端向上延伸且不超过患者的嘴部和耳部，颈托8的底端向下延伸且不超过患者的胸部和肩部，颈托8向上、向下延伸的部分和与延伸部分接触的人体部位的曲线相贴合。该颈托8佩戴在患者身上时，颈托8的下端支撑在患者的肩部和胸部顶端，由于下端适应患者肩部形状，因此下端起到固定和支撑的作用，防止颈托8自身发生转动，这样就限制了患者颈部的转动；而颈托8顶端位于患者嘴部以下，宜支撑在患者下颌处，和耳根处，这样将患者颈部设置在固定器中，能使患者相对保持一个较为舒适的姿势，利于长时间的磁刺激治疗，并且能起到有效的固定。

如上所述的颈托8，可采用热塑材料制成。热塑材料是现今医学领域当中使用较为广泛的一种材料，其可塑性好，安全方便，在使用前可根据不同患者制定其专用的颈托8，进一步增加颈托8与患者之间的紧密贴附程度。

热塑材料制作的颈托8，其过程非常方便，但其缺陷是无法在不同患者之间通用，每次需要根据不同的患者进行加热重塑。因此，本方案中提出一种可采用普通材料制备的通用型颈托8。

在上述颈托8外形结构的基础上，将颈托8沿其轴向剖切对称一分为二，得到两部分外形结构相同的颈托8，然后再将两部分颈托8通过合页23连接，则颈托8未通过合页23连接的一端可相对合页23进行转动，打开并闭合。在闭合时，两部分颈托8构成一个完整的颈托8。

使用时，先将颈托8沿着合页23打开，卡在患者的颈部后，将颈托8闭合。为保持颈托8的固定效果，在分开的两部分颈托8上对称设置有相互配合的锁扣27，患者颈部在颈托8中固定好以后，通过锁扣27进行锁闭，能达到如上述热塑颈托8同样的固定和限制效果。

为增强通用性，如颈托8不能与患者颈部之间紧密贴合，还可在缝隙之间填充柔软的海绵等填充物，保持舒适的前提下对患者颈部进行固定。

在患者治疗时为使其舒适，设置有座椅10，而固定器安装在座椅10的椅背9上，为可拆卸的连接方式，例如为伸缩杆29连接方式。伸缩杆29不仅可以方便安装与拆卸，而且能精确地调整其伸缩高度，便于和辅助定位装置相配合。

刺激装置

刺激装置设置在固定装置的上方，根据本方案中设备的分布情况，其最好设置在固定装置的正上方，与固定装置的位置上下对应。这样，当患者被固定在固定装置后，固定装置上方的头部也就正好处于刺激装置的正下方，那么对于不同的患者，只需要上下调整固定装置的位置，以带动头部处于合适的位置，即可将患者头部准确送入到刺激装置中。

如图2、图3所示，刺激装置包括球形头盔5，该头盔5较头部大一些，也可以为半球形，只要其能满足覆盖患者脑部区域即可。头盔5上按照人体脑部不同的功能区域对应地划分为多个区域，在头盔5上划分的每个区域中至少设置一个探头20。

在医学上将大脑划分为若干个功能区域，不同的区域控制、调节人体不同的功能。按照功能区域划分的脑区，不仅便于病灶脑区的定位，更加有助于研究人员观察不同脑区在磁刺激状况下对人体的影响，以揭示功能脑区与人体各行为、疾病之间的关系。另外，根据划分的功能区域，在某个区域罹患疾病时，根据该功能区域与其他功能区域之间的联系或配合关系，对这些功能区域进行同时刺激，以促进疾病的治疗效果。

基于上述原因，对头盔5按照人体不同功能脑区进行划分，以精确对不同的闹区域进行单独或配合刺激。如图3所示的一个示例中，按照脑部功能区域将头盔5划分成了118个区域，划分后的头盔5呈龟壳状，在每个区域中设置至少一个探头20。

在区域中设置多个探头20的目的是为了实现单点多频的治疗方式。根据发明人的研究表明，对同一病灶同时进行多个频率的刺激，对于一些疾病病灶的治疗具有明显积极的效果。而对一个点进行多频治疗，需要多个探头20同时对单点施加不同频率的磁刺激。

探头20为杆状探头20，线圈分布在探头20的前端部位置。探头20在设置时，探头20穿过头盔5表面伸入到头盔5中，指向头盔5的中心位置。在同一个区域中设置多个探头20时，这些探头20应指向同一点，即延长线可相交。

为了便于探头20的调整，在头盔5上还设置有驱动装置35，如图5所示，驱动装置35设置在头盔5外壳中，驱动装置35可带动探头20沿远离或靠近头盔5中心的方向运动，即驱动装置35可驱动探头20沿其轴向运动；驱动装置35连接至控制器。这里的驱动装置35可采用直线电机，一个电机控制一个探头20运动，或通过传动装置用一个电机控制多个探头20运动。通过探头20的运动，可将探头20调整至合适的位置，这样对于不同颅部大小的患者，该头盔5都有良好的通用性；对于颅部较小的患者，驱动探头20使其更加靠近头皮表面；而也可以根据治疗方案调整不同探头20距离头皮的位置，以实现探头20刺激强度的方便调整，同时也便于形成多个探头20多层次、多方位的刺激。

探头20的末端的导线18统一汇聚至总线24，该总线24连接至经颅磁刺激仪13，该磁刺激仪受控制器控制。通过控制器可调整驱动装置35带动探头20的位置，并且可打开特定的探头20。

头盔5应固定设置，但其设置好之后不便于患者进入该系统前的位置调整，因此该头盔5的位置可以相对进行调整；头盔5通过连接杆19连接安装在平行于地面设置的支撑杆17上，连接杆19可沿支撑杆17滑动，在支撑杆17上还设置有限制连接杆19位置的限位块25。

支撑杆17支撑着整个头盔5，其可以固定在墙面、天花板或其他不易移动的物体上。连接杆19可沿着支撑杆17滑动，连接杆19通过滑块26安装在支撑杆上，并可以通过卡止装置在某个位置进行固定，在支撑杆17上还设置有限制连接杆19位置的限位块25。限位块25所在的位置即为固定装置的正上方也即头盔5最合适的位置。在患者位置进行调整时，和进行患者定位位置的确定时，为了不影响患者和定位过程，首先将头盔5滑动至一边，患者固定好后再将头盔5移至患者头部上方。由于有限位块25的限制作用，因此只需要将头盔5沿着支撑杆17推到限位块25处固定即可。固定好后，调整固定装置和座椅10的高低位置，使患者头部进入到头盔5中。

辅助定位装置

一般在进行颅内病灶定位时，采用磁共振成像的方式来获取颅部的DICOM图像，以观察病灶，获取病灶的位置信息。而在进行磁共振颅部扫描时，还需要在颅部位置固定一个不易被磁共振穿透的标志物；进行磁共振扫描后，得到的DICOM图像中，该标志物表现为一个黑点或阴影，在设置时由于提前知道该标志物在颅外部的位置，那么利用扫描后该黑点和病灶之间的位置，即可得到病灶相对于颅外部的精确位置。一般用来辅助定位的这个标志物，采用高密度物质，如铁球、或装有造影剂(碘制剂、硫酸钡等)的圆管等。

在进行磁共振头部扫描时，扫描床上有用于固定人体颅部的头架，颅外部可用于固定标志物的位置就十分有限；而在扫描时，还严格要求头部不能移动以免产生伪影。

在传统扫描前设置标志物时，一般采用胶布粘结或利用绷带环绕固定的方式，将装有造影剂的管体粘结固定在头部特定位置，但这种方法使用过程中存在很多问题，最主要的是其粘结不牢靠，位置极易偏离，但如有略微偏离，对后续定位即可造成很大偏差；而在后续的多次扫描观察时，不能做到与前一次设置标志物位置完全相同；临床中也有采用头部植入钢钉的方式作为标志物，但对患者会造成极大的损害。

还有，在磁共振扫描时，产生的噪音可达100分贝以上，并且扫描过程比较长，对于一些病患，长期处于高噪音条件下，易出现烦躁等情况，而造成头部的微动，影响扫描。

针对于这些情况，本发明提出了一种辅助定位装置，能在扫描时，能方便、准确地固定标志物的位置，多次扫描定位时，标志物的位置能严格保持不变，同时，能与所述的导航装置配合，提供颅部的位置信息，为数据处理提供必要条件。

本发明中，辅助定位装置包括设置在人体面部的适形面罩32，适形面罩32由热塑材料制成，适形面罩32由眼底向下延伸至下颌底部，由鼻部向两侧延伸至耳底部，与人体面部生理结构相切合，且在适形面罩32上留有与鼻部和嘴部对应的通孔；所述的定位器22设置在适形面罩32上耳底部的位置处。

采用适形面罩32的考虑是这样的：由于人体面布的生理结构是相对固定的，并且在头部扫描时，很少牵掣到面部位置，因此考虑利用面罩来辅助固定标志物。每个人的面布结构是不同的，当面罩与面部完全贴合时，面罩才能起到参照物的作用。因此，面罩不宜采用通用面罩，而是应该根据每个人面部结构定制专用的面罩。

热塑材料为面罩提供了一种良好的选择方案，其可塑性好、使用方便，能根据每个患者面部的不同方便地制作每个患者专用的面罩。制作面罩时，将口、鼻露出。

热塑面罩制作好后，为定位孔33的设置提供了固定基础。定位孔33在面罩制作时，位于鼻根部、下颌部和耳根部预留设置多个定位孔33，实际使用时选用最合适的定位孔33填装标志物。面罩固定后，定位孔33的位置就相对固定了；而面罩是以面部特征制作的，这样面罩卸下后再佩戴时，只要标记好填装标志物的定位孔33，也就保证了标志物仍处于上一次佩戴时的位置，利于磁共振扫描得出图像信息后，与前次的扫描信息一致对应，也便于比对病灶的前后治疗变化。同时，这种固定方式，使面罩在受到外力时，也不会移动，其受力面为整个面部，通过面罩将标志物进行了充分、精确、有效的固定。

另外，整个辅助定位装置的体积小，使用方便，只略微地占用面部空间，不会影磁共振的扫描。

在热塑面罩后端还可以设置弹性固定带34，便于热塑面罩在面部的穿戴固定。

辅助定位装置还包括设置在适形面罩32周围的定位器22：

定位器22和刺激装置共同连接在支撑杆17上，与刺激装置整体为一个体系，即，与刺激装置处于同一个坐标系中。那么，为了实现从患者现实处于的真实环境下的三维坐标系到刺激装置所处的坐标系中，就需要通过一个纽带将两个坐标系联系起来，而定位器22和适形面罩32则承担着纽带作用。

所述的定位器22设置三个，其中两个定位器22与水平面之间的距离相同，与这两个定位器22连线垂直且经过连线中心的面称为平分面，则另外一个定位器22位于平分面中，并且三个定位器22连接构成的平面不与水平面平行。

空间中的三点可确定一个平面，如以水平面(地面)作为参考平面，将与水平面距离相同的两个定位器22分别称为第一定位器22和第二定位器22，另一个定位器22称为第三定位器22，则第一定位器22和第二定位器22的连线与水平面平行，从第三定位器22向水平面作垂线，垂线与第一定位器22和第二定位器22位于平分面中的中垂线相交的点记为原点，则原点、第一定位器22和第二定位器22即构成了一个实际空间中的三维坐标系。

上述方法要求第一定位器22和第二定位器22对称设置，第三定位器22位于第一定位器22和第二定位器22中心线的上方位置。可以利用更多的定位器22来建立三维坐标，但通过三点即能确定该坐标系，这种方法较为简便。

三个定位器22设置好后，当患者佩戴适形面罩32并通过固定器固定好位置时，打开三个定位器22，这里的定位器22可采用激光笔，此时调整固定器的整体位置，使患者和固定器整体上下移动，让三个定位器22发出的激光分别打在适形面罩32的鼻根部和耳根部预留的定位孔33中。

由于每个位置都预留了多个定位孔33，在三个激光点打在面罩上的位置，选择最接近激光点的一个定位孔33，并进行标记。标记完毕后，在标记好的定位孔33中放入标志物，然后进行磁共振扫描，则得到磁共振的扫描图中，标志物因扫描产生的阴影的位置与刺激装置整体所在的三维坐标系是统一的；通过这个关系即可将图像信息与实际空间的三维信息联系起来，用于辅助控制器确定最接近病灶的探头20。

为了便于设置，三个定位器22应该设置在固定器的正上方，这样佩戴适形面罩32并固定在固定器中后，适形面罩32就位于三个定位器22的中间位置，便于定位和计算。

操作箱

由于考虑到整个装置的集成性和适应性，考虑到将整个系统集成在一个操作箱3上。

三维经颅磁刺系统还包括一个操作箱3，控制器设置于操作箱3中并连接一个显示器2和键盘16，操作箱3上设置有箱门1，打开箱门1可拉出键盘16并观察到显示器2。

如图2、图3所示，支撑杆17固结在箱体的侧面，将刺激装置整体安装在箱体上；而支撑杆17上设置有垂直于支撑杆17的三根竖杆21，分别安装三个定位器22；其中两根竖杆21对称设置在支撑杆17两侧，另外一根在支撑杆17的前端。箱体的侧面上开设有凹口4，凹口4部分便于刺激装置的设置，使头盔5不会与操作箱3接触而影响到头盔5，同时也可以充当一个临时的操作平台；另外凹口4的设置可以使座椅10尽可能低靠近箱体设置，有利于装置的集成性。

由于患者在进行位置校准，即固定在固定器后并佩戴适形面罩32后，需要通过定位器22确定定位孔33的位置，此时根据不同的患者需要调整患者面部位置的高低。综合考虑到患者的年龄和身高等因素，最宜设置可调整高度的座椅10：

在操作箱3的侧壁上设置有滑轨28，滑轨28上安装有座椅10，座椅10的椅腿11可伸缩，所述的颈托8通过伸缩杆29安装在座椅10的椅背9上。

即，座椅10的高度是可以通过滑轨28调整的，调整好以后，通过锁紧件12锁死位置，为使座椅10和滑轨28连接处不承受过大负载，座椅10的椅腿11也是可以伸缩的，座椅10椅面的位置调整好并锁死后，通过可伸缩的椅腿11支撑，使座椅10更加稳定。

另外，颈托8最好安装在座椅10椅背9上，座椅10位置的高低可以适宜不同年龄和生理条件的患者，使其长时间的治疗过程中，腿部能更加舒适，而通过伸缩杆29调整的颈托8则能在座椅10位置固定好后，对颈托8位置进行微调，使调整更加方便和人性化。

由于整个系统中头盔5部分具有一定的重量，再之患者坐在座椅10上后使操作箱3整体重心偏移，为使操作箱3整体更加稳定不受到影响，设置两个措施：

第一，操作箱3侧面下部设置有底门14，打开底门14可在操作箱3中设置配重块31，保持操作箱3的稳定；

第二，操作箱3底部安装的万向轮15具有锁止功能，操作箱3的位置选好后，通过轮锁进行锁死，使箱体位置保持固定。

控制器可采用计算机，进行病灶脑区的分析、控制经颅磁刺激仪13探头20打开、控制驱动装置35运作等；在底门14中还可以设置主机箱30、以及控制电路板等。

经颅磁刺激仪13设置在另一个箱体中，该箱体底部也设置有万向轮15，便于其移动。

在刺激装置和辅助定位装置外部设置有罩体6，罩体6可将患者围在其中，在进行治疗的过程中，为患者提供一个独立的空间，减轻患者的紧张感，也利于营造一个安静、舒适的治疗环境。

罩体6上开设有操作门7，首先患者佩戴好适形面罩32，打开操作门7使患者进入其中并在座椅10上坐好、固定好后，关闭操作门7，进行磁刺激位置的确定，确定好后，医生打开操作门7，调整头盔5的位置将患者的头部置于头盔5中，然后关闭操作门7，即可开始治疗。

定位方法：

本发明中，还提供一种利用上述三维经颅磁刺激系统进行内外坐标转换并选取最合适的探头的方法，以解决不同坐标系下坐标统一的问题，为后续的治疗过程提供必要的支持，具体如下：

步骤一，利用定位器在患者面部进行三点定位，在定位的三点处固定标志物，然后进行磁共振扫描，得到包含病灶区域和标志物阴影在内的扫描图；记扫描图中的三个标志物的阴影分别为第一标志物、第二标志物和第三标志物(即前述的与水平面之间距离相同的两个定位器确定的两个标志物)；

这个步骤可利用上述的适形面罩来完成，即患者需要先佩戴适形面罩，通过辅助定位装置中的三个定位器将光点打在鼻根处、左右耳根处，并在每个部位将标志物放置在与光点最接近的定位孔中，然后患者佩戴该面罩进行磁共振扫描，扫描图中不仅有脑区和病灶区域的信息，还有标志物扫描后产生的黑点或阴影信息，其中第一标志物和第二标志物分别为左右耳根处的标志物在图上对应的位置；

步骤二，根据扫描图信息，利用软件分析得到病灶发生的脑区，然后对扫描图进行三维重建，在三维重建图中，得到病灶脑区在三维重建图中的三维坐标系中的坐标，记为P(x,y,z)；

当然，上述两个步骤不止是能进行颅内病灶的定位，而对于颅内特定位置的定位，也可以利用本装置和本方法进行，即首先佩戴面罩进行扫描得到扫描图，然后确定扫描图中的特定点和标志物的阴影点。标志物和面罩的佩戴是必要的，因为标志物在扫描时提供了足够的信息，以便于后期的坐标运算。

因此对于颅内任意一点的定位，只要首先共同和标志物进行扫描，都可按照下面的步骤继续确定该特定位置(即下述的病灶脑区)，而这些测量数据可以用于疾病的诊断或其他领域。

步骤三，利用三个标志物的阴影在三维重建图中的坐标，将实际空间的三维坐标系对应到三维重建图中的一个局部坐标系，并得到两个坐标系之间的对应关系，具体为：

步骤S30，将第一标志物、第二标志物的阴影(下简称第一标志物、第二标志物)在三维重建图中的坐标连线作为局部坐标系的X′轴，从第三标志物在三维重建图中的坐标向X′轴作垂线，垂线与X′轴相交点记为O′即为局部坐标系的原点，O′在三维重建图中的坐标记为(x₀,y₀,z₀)；

步骤S31，三维重建图中第三标志物的坐标与X′轴的垂线为局部坐标系的Z′轴，通过局部坐标系的原点O′的坐标和第三标志物在三维重建图中的坐标，计算出两点间的直线方程，继而可计算出局部坐标系Z′轴与三维重建图中的三维坐标系X,Y,Z轴的夹角分别为α,β,γ，如图9所示；

步骤S32，局部坐标系中的Z′轴可看作是三维重建图中三维坐标系的Z轴先绕Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度得到；则由局部坐标系到三维重建图中的坐标系的变换可看作是由局部坐标系绕三维重建图中坐标系Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度，继而平移至(x₀,y₀,z₀)三个变换组成，则三个变换矩阵分别为：

$T_a=\left[\begin{array}{cccc}\cos a& 0& -\sin a& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ \sin a& 0& \cos a& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_b=\left[\begin{array}{cccc}\cos b& \sin b& 0& 0\\ -\sin b& \cos b& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],T_{O^{\′}}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]$

则组合变换矩阵为：

$T=T_a\·T_b\·T_{O^{\′}}=\left[\begin{array}{cccc}\cos a\cos b& \cos a\sin b& -\sin a& 0\\ -\sin b& \cos b& 0& 0\\ \sin a\cos b& \sin a\sin b& \cos a& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

根据图10所示的几何关系，可推导出a、b和Z′轴与X,Y,Z轴的夹角α,β,γ之间的关系：

Z′轴的方向余弦分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1=\cos \mathrm{\α}\\ n_2=\cos \mathrm{\β}\\ n_3=\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据图中的关系可知：

cosa＝n₃＝cosγ   (3)

$\sin a=\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}=\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}---\left(4\right)$

$\cos b=\frac{n_1}{\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}---\left(5\right)$

$\sin b=\frac{n_2}{\sqrt{(n_1^2+n_2^2)}}=\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}---\left(6\right)$

将上面的式(3)至(6)代入组合变换矩阵式(1)中可得到：

$T=\left[\begin{array}{cccc}\frac{\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& -\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}& 0\\ -\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& 0& 0\\ \cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ x_0& y_0& z_0& 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

因此，局部坐标系中的一点(x′,y′,z′)可以通过转换矩阵转换为三维重建图中坐标系中的坐标(x,y,z)，转换关系如下：

[x′y′z′1]·T＝[x y z 1]   (8)

如果已知三维重建图中坐标系中的坐标，要转化为局部坐标系中的坐标，则可采用以下公式：

[x′y′z′1]＝[x y z 1]·T^-1   (9)

式(9)中，T^-1可通过对T求逆矩阵得到，T^-1为：

$T^{-1}=\left[\begin{array}{cccc}\frac{\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& -\frac{\cos \mathrm{\β}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ \frac{\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \frac{\cos \mathrm{\α}}{\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}}& \cos \mathrm{\β}& 0\\ -\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}+{\cos }^2\mathrm{\β})}& 0& \cos \mathrm{\γ}& 0\\ \mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}& 1\end{array}\right]---\left(10\right)$

则将(10)代入(9)中即可将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系，即实际空间坐标系中的坐标；

步骤四，根据两个坐标系之间的对应关系，得到病灶脑区在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)，具体为：

利用公式(9)能将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系中的坐标，也就是实际空间(患者所在的空间)的三维坐标系中的坐标，通过步骤二得知病灶脑区在三维重建图中坐标为P(x,y,z)；因此，根据公式(9)可得到病灶脑区在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)。

病灶脑区在实际空间当中的坐标即为刺激装置所在空间当中的坐标。三维重建图中的局部坐标即为实际空间当中的坐标，这个坐标是由三维重建图中三个标志物阴影点所确定的。

在实际空间，三个标志物的点即为三个定位器发出的光点打在适形面罩上的位置，那么以这三个光点的位置建立三维坐标系，和以三个定位器为三点建立的三维坐标系，是同一个坐标系(定位器和定位器在适形面罩上留下的光点可以看做是一条直线上的两点，也即同一坐标轴上的两点)。而三个定位器与刺激装置—头盔是一体的，在同一坐标下的，这样头盔固定时，头盔上每一个探头在实际空间三维坐标系中的坐标是一定的，每一个探头对应一个确定的坐标；可在控制器中保存好探头与实际坐标的对应表，便于查对。

经过图像信息的提取、算法的计算可得到病灶在实际空间坐标系中的坐标，通过这个坐标和头盔上探头的坐标进行拟合，找出与病灶在实际空间坐标最接近的一个或多个探头，用这些探头来刺激患者脑部即可。

由于在进行定位时，已经确定了固定器的位置，固定器在患者定位完毕后位置是不动的。患者仍处于固定器中时，其头部位置相对于头盔位置不改变，这样就保证了从颅内病灶到颅外坐标的一致对应。

根据计算的坐标，控制器控制对应的探头打开对患者脑部进行刺激，并且可根据情况调整探头距离头皮的位置，实现单点单频或多频的治疗；同时，如有多个病灶，也可以利用本系统进行一次性的确定，利用同一个头盔，对头部的多个点进行单频、多频的磁刺激治疗。

Claims (10)

1.一种多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，包括固定装置、刺激装置和辅助定位装置；

固定装置包括用于固定人体颅部位置的固定器；

刺激装置位于固定装置的上方，包括呈球面状分布的多个探头(20)，探头(20)连接至经颅磁刺激仪(13)；

辅助定位装置包括设置在紧密贴附于人体面部的适形面罩(32)，和设置在适形面罩(32)周围的定位器(22)，在适形面罩(32)上开设有定位孔(33)；

经颅磁刺激仪(13)连接至一个控制器。

2.如权利要求1所述的所述的多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，定位器(22)设置三个，其中两个定位器(2)与水平面之间的距离相同，与这两个定位器(22)连线垂直且经过连线中心的面称为平分面，则另外一个定位器(22)位于平分面中，并且三个定位器(22)连接构成的平面不与水平面平行；定位器(22)连接在导航装置上。

3.如权利要求1所述的所述的多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，所述的刺激装置包括球形头盔(5)，在头盔(5)上按照人体脑部不同的功能区域对应地划分为多个区域，在头盔(5)上划分的每个区域中设置至少一个所述的探头(20)。

4.如权利要求3所述的所述的多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，所述的探头(20)穿过头盔(5)表面伸入到头盔(5)中，每个探头(20)上均安装有驱动装置(35)，驱动装置(35)可带动探头(20)沿远离或靠近头盔(5)中心的方向运动，驱动装置(35)连接至控制器。

5.如权利要求1所述的所述的多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，所述的头盔(5)通过连接杆(19)安装在平行于地面设置的支撑杆(17)上，连接杆(19)可沿支撑杆(17)滑动，在支撑杆(17)上还设置有限制连接杆(19)位置的限位块(25)。

6.如权利要求1所述的所述的多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，所述的固定器包括筒状颈托(8)，该颈托(8)套装在人体颈部并与人体颈部曲线相贴合，颈托(8)的顶端向上延伸且不超过患者的嘴部和耳部，颈托(8)的 底端向下延伸且不超过患者的胸部和肩部，颈托(8)向上、向下延伸的部分和与延伸部分接触的人体部位的曲线相贴合。

7.如权利要求6所述的所述的多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，所述的颈托(8)沿其轴向剖切对称一分为二，分开的两部分颈托(8)通过合页(23)连接，在分开的两部分颈托(8)上对称设置有锁扣(27)，两部分颈托(8)通过锁扣(27)锁合形成一个完整的颈托(8)。

8.如权利要求1所述的所述的多点多频三维经颅磁刺激系统，其特征在于，所述的适形面罩(32)由热塑材料制成，适形面罩(32)由眼底向下延伸至下颌底部，由鼻部向两侧延伸至耳底部，与人体面部生理结构相切合，且在适形面罩(32)上留有与鼻部和嘴部对应的通孔；所述的定位孔(33)开设在面罩上眼底位置和耳底位置。

9.一种颅内外坐标转换方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤一，利用定位器在患者面部进行三点定位，在定位的三点处固定标志物，然后进行磁共振扫描，得到包含病灶区域和标志物阴影在内的扫描图；

步骤二，根据扫描图信息，得到病灶发生的脑区，然后对扫描图进行三维重建，在三维重建图中，得到病灶脑区在三维重建图中的三维坐标系中的坐标，记为P(x,y,z)；

步骤三，利用三个标志物的阴影在三维重建图中的坐标，将实际空间的三维坐标系对应到三维重建图中的一个局部坐标系，并得到两个坐标系之间的对应关系；

步骤四，根据两个坐标系之间的对应关系，得到病灶脑区在实际空间坐标系中的坐标P′(x′,y′,z′)。

10.如权利要求9所述的颅内外坐标转换方法，其特征在于，步骤三的具体过程如下：

步骤S30，记所述的三个标志物分别为第一标志物、第二标志物和第三标志物，将第一标志物、第二标志物在三维重建图中的坐标连线作为局部坐标系的X′轴，从第三标志物在三维重建图中的坐标向X′轴作垂线，垂线与X′轴相交点记为O′即为局部坐标系的原点，O′在三维重建图中的坐标记为(x₀,y₀,z₀)；

步骤S31，三维重建图中第三标志物的坐标与X′轴的垂线为局部坐标系的Z′轴，通过局部坐标系的原点O′的坐标和第三标志物在三维重建图中的坐标，计算出两点间的直线方程，继而得到局部坐标系Z′轴与三维重建图中的三维坐标系X,Y,Z轴的夹角分别为α,β,γ；

步骤S32，局部坐标系到三维重建图中的坐标系的变换可看作是由局部坐标系绕三维重建图中坐标系Y轴旋转a角度，然后又绕着Z轴旋转b角度，继而平移至(x₀,y₀,z₀)三个变换组成，则三个变换矩阵分别为：

则组合变换矩阵为：

Z′轴的方向余弦分别为：

cosa＝n₃＝cosγ  (3)

将上面的式(3)至(6)代入组合变换矩阵式(1)中可得到：

因此，局部坐标系中的一点(x′,y′,z′)可以通过转换矩阵转换为三维重建图中坐标系中的坐标(x,y,z)，转换关系如下：

[x′ y′ z′ 1]·T＝[x y z 1]  (8) 

已知三维重建图中坐标系中的坐标，要转化为局部坐标系中的坐标，则可采用以下公式：

[x′ y′ z′ 1]＝[x y z 1]·T^-1  (9) 

式(9)中，T^-1可通过对T求逆矩阵得到，T^-1为：

则将(10)代入(9)中即可将三维重建图中的坐标转化为局部坐标系，即实际空间坐标系中的坐标。