Brain Stimulation: 基于面部点云配准的经颅磁刺激定位方法-杭州脑海科技有限公司

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2023年1月20日，四川大学物理学院和四川大学华西医院磁共振研究中心的幸浩洋教授及其团队在期刊Brain Stimulation（IF: 9.184）上发表了题为“Transcranial magnetic stimulation (TMS) localization by co-registration of facial point clouds”的文章，该研究提出了一种基于面部点云配准的经颅磁刺激（Transcranial magnetic stimulation, TMS）导航定位方法，避免了使用指针工具的手动标定过程，并且不需要患者在治疗过程中再去佩戴定位用头带。

作者：刘高杰 幸浩洋

校审：李杰

TMS治疗想要取得良好的效果，精准的靶区定位是必不可少的。通过TMS导航系统，操作人员可以直观地把控刺激线圈与头皮的距离和角度以及线圈磁场的分布，定位的准确性得以大幅度地提升^[1]。但是，当前的TMS导航系统在标定过程中需要大量的人工操作，比较耗时。为了简化TMS定位的流程，研究者提出了一种基于面部点云配准的自动化定位方法，并免去了患者在治疗过程中佩戴头带的需要。

研究者使用分时点云相机采集患者的面部点云图像作为源点云，通过磁共振成像技术获取患者的T1加权结构像并由此重建3D模型，从该模型中提取人脸部分作为目标点云，利用两部分点云数据中的五对特征点进行粗配准，再在粗配准的基础上通过迭代最近点(Iterative Closet Point, ICP)算法完成精配准从而将患者的真实大脑与3D模型进行标定。通过逐帧处理点云相机采集的数据，实时检测患者的头部移动情况并同步显示到导航系统的可视化界面中。

定位方法流程图

文章中统计了25名被试点云数据的配准性能，在Intel i7-9700K CPU上，粗配准和ICP精配准的耗时和误差分别为15ms和35±13ms，1.7±0.5 mm和1.2 ±0.2 mm，在这里误差被定义为点云中对应点的平均距离。后续帧间配准的耗时大约在30ms，误差在1mm以内。在配准结果示意图中分别展示了粗配准后（a）与精配准后（b）的效果，绿色为目标点云，红色为源点云，（c）中展现了完整的配准结果，（d）中展现了TMS线圈与靶点的位置关系。研究者还比较了使用传统的TMS导航系统（NetBrain Neuronavigation 9000^[2]）与这种新方法进行定位时两者的定位误差为4.7±2.4 mm。

配准结果示意图

文中提出的这种基于面部点云配准的定位方法简化了TMS定位的流程，避免了繁琐的标定过程，为TMS导航机器人的发展提供了方向。

研究者通过快速的点云配准实现了患者头部移动的检测，并利用配准返回的旋转矩阵完成了TMS线圈的标定，从而实现了TMS线圈对靶区的导航，整个过程操作简单，耗时短。

目前，这种定位方法在后续的帧间配准中使用的是点到点的ICP算法，在运行速度方面并不是最优解；所使用的分时点云相机分辨率还可以进一步提高从而提高定位的精度。对磁共振影像导航下实现个体化，精准化提供了重要技术思路。

第一作者

刘高杰

通讯作者

幸浩洋教授

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X23008392

原文文献

Liu, G., Li, J., Zhao, J., Roberts, N., Kong, D., Qi, X., Xing, H., & Gong, Q. (2023). Transcranial magnetic stimulation (TMS) localization by co-registration of facial point clouds. Brain stimulation, 16(1), 79–81. https://doi.org/10.1016/j.brs.2023.01.837

参考文献

[1] Caulfield K A, Fleischmann H H, Cox C E, et al. Neuronavigation maximizes accuracy and precision in TMS positioning: Evidence from 11,230 distance, angle, and electric field modeling measurements[J]. Brain Stimul, 2022, 15(5): 1192-1205.

[2] Zhou J, Fogarty A, Pfeifer K, et al. EEG Evoked Potentials to Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation in Normal Volunteers: Inhibitory TMS EEG Evoked Potentials. Sensors, 2022.

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