Abstract
为解决鲤鱼脑组织坐标准确定位问题，本文提出一种将鲤鱼脑组织磁共振成像坐标转换为应用脑立体定位仪进行电极植入所需坐标的方法。本研究应用 3.0T 磁共振成像仪对鲤鱼颅脑成像，自主建立颅脑三维立体定位坐标系、颅骨表面辅助三维坐标系和脑组织内部辅助三维坐标系，经两次坐标转换，将脑电极植入位点磁共振图像坐标转换到三维立体定位坐标系中以引导电极植入。实验分 A、B 两组，A 组为磁共振成像仪结合脑立体定位仪组，B 组为脑图谱结合脑立体定位仪组，每组鲤鱼 20 尾（n = 20），分别应用两种方法将电极植入小脑运动区。进行鲤鱼机器人水下实验检验，结果表明 A 组和 B 组植入电极准确度分别为 90% 和 60%，A 组成功率明显高于 B 组（P < 0.05）。故本文的新方法能够准确定位鲤鱼脑组织的坐标。
Keywords: 鲤鱼水生动物机器人, 控脑技术, 磁共振成像, 脑立体定位, 磁共振坐标转换
Abstract
To solve the problem of precise positioning of carp brain tissue coordinates, it is proposed in this paper for a method for transforming the coordinates of magnetic resonance imaging of carp brain tissue into the coordinates of electrode implantation using a brain stereotaxic apparatus. In this study, the 3.0T magnetic resonance imaging instrument was used to scan the carp brain. We independently established the three-dimensional positioning coordinate system of the brain, the three-dimensional coordinate assistance system of skull surface and the three-dimensional coordinate assistance system in brain tissue. After two coordinate transformations, the magnetic resonance image coordinates of the brain electrodes implantation sites were converted into the three-dimensional stereotactic coordinate system to guide the electrodes implantation. The experimental groups were divided into two groups, A and B. Group A was the group of magnetic resonance imaging apparatus combining with the brain stereotaxic apparatus, and group B was the group of brain atlas combining with the brain stereotaxic apparatus. Each group had 20 tails of carps (n = 20). This two methods were used to implant the electrodes into the cerebellar motor area. The underwater experiments of the carp robots were carried out to test the two methods. The results showed that the accuracy of the implanted electrodes were 90% in group A and 60% in group B. The success rate of group A was significantly higher than that of group B (P < 0.05). Therefore, the new method in this paper can accurately determine the coordinates of carp brain tissue.
Keywords: carp aquatic animal robot, brain control technique, magnetic resonance imaging, brain stereotaxic localization, magnetic resonance coordinate conversion
引言
动物机器人是当今世界新兴的前沿高科技领域。动物机器人在灾难搜救、环境监测、生态研究、工业应用、生物医学以及特殊领域等具有潜在的广阔应用前景。20 世纪，国际上就开始对水生动物机器人进行了研究。2004 年，美国将一枚微型芯片植入鲨鱼脑内，由于鲨鱼嗅觉特别灵敏，所以选择鲨鱼的嗅觉神经核团作为刺激位点，以此来实现对鲨鱼机器人的远程控制[1]；2005 年，俄罗斯研制了海龟机器人，在其身上安装了摄像装置，控制海龟完成“特殊”任务[2]；2009 年，日本对硬骨鱼的中脑进行了研究，发现通过刺激金鱼中脑可诱导其出现运动行为[3]。这些动物机器人都可以被人类所控制以实现指定的动作。人类利用动物体的运动机能和动力供应体制，从动物运动的感受传入神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制，从而利用动物特长代替人类完成人们不能和不敢的特殊任务[4]。
动物机器人是当代多种高科技融合的新型的特殊机器人，而控脑技术是动物机器人控制的最有效方法。脑是高级神经中枢，动物的运动是受脑运动神经核团支配的，所以人们普遍应用控脑技术控制动物机器人，其中电极植入脑运动神经核团的精确程度是动物机器人控制的关键。
应用脑立体定位仪将电极植入脑神经核团是常规的脑立体定位技术。根据预先获得的定位参数，可以较好地应用脑立体定位仪将电极植入到指定位点。但脑立体定位仪上的定位参数往往是基于脑图谱或经验参数而设定的，如果应用不开颅法，则在植入电极前通常不易准确获得电极植入的三维立体位点参数，所以难免会出现定位误差。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是 20 世纪医学诊断领域最重要的进展之一。MRI 具有较高的组织对比度和组织分辨率、任意方位的层面成像、多参数和多序列成像等优点，所以 MRI 已广泛用于全身各器官，其中尤以脑成像效果最好。
脑立体定位是应用控脑技术实现动物机器人行为控制的关键技术。但由于动物个体差异等原因，面向不开颅法采用常规的脑立体定位仪向脑组织植入电极的精确度还不高。而目前将脑电极植入位点 MRI 图像坐标转换到颅骨空间坐标系中来引导电极植入，再结合磁共振成像仪与脑立体定位仪为鲤鱼机器人脑电极植入进行定位与导航的方法尚未见文献报道。
因此，为解决面向不开颅法对动物机器人准确定位脑组织坐标的问题，本研究针对鲤鱼水生动物机器人，提出一种将鲤鱼脑组织磁共振成像坐标转换为应用脑立体定位仪进行电极植入所需坐标的方法。本研究自主建立三个坐标系，经两次坐标转换，将脑电极植入位点 MRI 图像坐标转换到三维立体定位坐标系中引导电极植入，再进行鲤鱼机器人水下控制实验，以期更准确地定位鲤鱼脑组织的坐标。
1. 材料和方法
1.1. 材料与仪器
3.0T 磁共振成像仪（SIEMENS TRIO，德国）；丁香油水门汀（上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂，批号：201504）；68025 数显式脑立体定位仪（深圳市瑞沃德生命科技有限公司）；自主研发的水下无线遥控系统；自制的钨丝电极。
1.2. 实验动物
健康成年鲤鱼 40 尾，体重为（1.02 ± 0.05）kg，体长（33.51 ± 2.34）cm，购于秦皇岛市水产市场。
1.3. 颅脑三维立体定位坐标系的建立
借助脑立体定位仪对鲤鱼颅脑进行定位，将鲤鱼第一片鱼鳞（颅骨与躯干交界处的鱼鳞）作为坐标原点 O。图 1 为颅脑三维立体定位坐标系和颅骨表面辅助三维坐标系示意图，图中 O 为坐标原点，X 轴为过原点平行于冠状缝的水平直线，正向指向躯体左侧；Y 轴为平行于矢状缝的直线，正向指向吻部（见图 1a）；Z 轴为过原点垂直于 XOY 平面的直线，正向指向腹部（见图 1b）。
图 1.
Schematic diagram of three-dimensional stereoscopic positioning coordinate system and skull surface assisted three-dimensional coordinate system
颅脑三维立体定位坐标系和颅骨表面辅助三维坐标系示意图
a. XOY coordinate system; b. YOZ coordinate system
a. XOY 坐标系；b. YOZ 坐标系
1.4. 颅骨表面辅助三维坐标系的建立
由于鲤鱼颅骨的顶骨与额骨基本处于同一个平面，且中心基线基本处于同一直线上，所以可以用作定位的参照物。基于此，我们设计了颅骨表面辅助三维坐标系（见图 1b），坐标系的原点仍然为第一片鱼鳞，且处于冠状缝的中心（O'）。将两眼连线的中点与坐标原点 O'的连线定义为坐标系的 Y 轴（Y'），正向指向吻部；过原点平行于冠状缝的直线定义为坐标系的 X 轴（X'），正向指向躯体左侧；过原点垂直于 X'O'Y' 平面的垂线定义为坐标系的 Z 轴（Z'），正向指向腹部。
1.5. 脑组织内部辅助三维坐标系的建立
图 2 为脑组织内部辅助三维坐标系示意图，图 2a 中的 a 表示在 MRI 中的脑组织，以两眼连线作为坐标系的 X 轴（X'' 轴），因 MRI 图像与实际方向相反，故正向指向躯体右侧；以图像的中心对称轴为坐标系的 Y 轴（Y'' 轴），正向指向尾部。图 2b 表示将过 XY 轴交点的直线与 MRI 扫描第一层图像的交点定为坐标原点 O（O''），将过原点且垂直于 MRI 扫描平面的直线定为 Z 轴（Z'' 轴）。
图 2.
Sketch map of three-dimensional auxiliary coordinate system in brain tissue
脑组织内部辅助三维坐标系示意图
a. XOY coordinate system; b. XYZ coordinate system
a. XOY 坐标系；b. XYZ 坐标系
1.6. 鲤鱼颅脑的磁共振扫描
应用 3.0T 磁共振成像仪对鲤鱼颅脑进行矢状位与轴状位的扫描成像，扫描的主要参数见表 1。
表 1. The MRI scanning parameters for sagittal and axial position of carp brain.
鲤鱼颅脑矢状位与轴状位的磁共振扫描参数
| 方位 | 序列 | 图像矩阵 Matrix | 视野 FOV | 重复时间 TR | 回波 时间 TE | 层厚 SL | 层数 Slices | 平均 次数 NEX | 带宽 BW |
| 矢状 Sag | SE（T2WI） | 512 × 512 | 200 mm × 200 mm | 750 ms | 112 ms | 0.8 mm | 72 | 1 | 210 |
| 轴状 Cor | TSE（T2WI） | 512 × 512 | 119 mm × 119 mm | 2 500 ms | 131 ms | 0.5 mm | 56 | 2 | 287 |
1.7. 颅脑 MRI 扫描方位的确定
在进行鲤鱼颅脑 MRI 扫描时，矢状位为鲤鱼颅骨矢状缝所在方向。图 3 中，P 平行于颅骨表面三维辅助坐标系的 Y 轴，沿 P 方向，因扫描层面与颅骨表面三维辅助坐标 XOY 平面紧密贴合，便于同一坐标在不同坐标系中进行转换，从而更方便进行空间定位。
图 3.
Sketch map of determining the direction of carp brain MRI axial scanning
鲤鱼颅脑磁共振轴状位扫描方向确定示意图
本研究所用定位方法，将矢状扫描方向与颅骨表面三维辅助坐标系 YOZ 平面平行；轴状位选择基于空间坐标系平面的斜轴位，其扫描方向为与颅骨表面辅助坐标系 XOY 平面平行（P 方向），冠状扫描方向与颅骨表面辅助坐标系 XOZ 平面平行。
1.8. 脑组织内部辅助坐标转换颅骨表面辅助坐标
图 4 为 MRI 矢状位序列的第 51 帧，在图像中应用 Mimics 软件测量眼球中心至划痕的距离，记为 D1（mm），即颅骨表面辅助坐标系原点在脑组织内部辅助三维坐标系的 Y 值为 D1。
图 4.
Sketch map of the distance between the coronary sign and the center of eyeball
冠状划痕距眼球中心距离示意图
在本研究中，鲤鱼颅脑定位主要是借助矢状位和轴状位图像来实现的（见图 5）。图 5a 为扫描定位项图像，图 5b 为矢状位图像，图 5c 为轴状位图像。图中的 b 为脑组织内任一点；m 为参考基线，与鲤鱼嗅茎及整体脑组织分布方向平行；n 为轴状位扫描方向，与脑组织内部坐标系的 Y 轴平行，也与颅骨表面三维辅助坐标系 XOY 平面平行。
图 5.
Sketch map of the method of loacting the target site in brain tissue
脑组织目标位点定位方法示意图
a. locating item image; b. sagittal plane image; c. axial plane image
a. 定位项图像；b. 矢状位图像；c. 轴状位图像
通过图 5c 可知，b 所在的轴状位，层数记为 N，若轴状位扫描层厚为 S（mm），则 b 在脑组织内部辅助坐标系的纵坐标 Z 为 N*S；通过图像软件测量 b 到两眼连线距离，记为 D2（mm），则 b 在脑组织内部辅助坐标系的纵坐标 Y 为 D2；测量 b 到中心轴线的水平距离，记为 D3（mm），则 b 在脑组织内部辅助坐标系的横坐标 X 为 D3。由此可知，脑内任一点 b 在脑组织内部辅助坐标系中的坐标值为（D3，D2，N*S）。
脑组织内部辅助三维坐标系与颅骨表面辅助三维坐标系，具有相同的坐标平面，二者的 X 轴、Y 轴相互反向平行，坐标原点在同一直线上，Z 轴相互平行且正向指向相同。则颅骨表面辅助三维坐标系原点在脑组织内部辅助坐标系中的坐标为（0，D1，0）。若图像内任一点 p，在脑组织内部辅助坐标系的坐标值记为
，其在颅骨表面辅助三维坐标系中的坐标记为
，则存在如下等式：
 |
由此可知，上述 b 点在颅骨表面辅助三维坐标系的坐标值为（–D3，D2–D1，N*S）。
1.9. 颅骨表面辅助坐标转换颅脑立体定位坐标
在本研究中，颅脑立体定位坐标系是脑立体定位仪所在的坐标系，将颅骨表面辅助坐标值转换成由脑立体定位仪可执行的三维坐标值，即可来指导脑电极植入。如图 1 所示，颅脑立体定位坐标系与颅骨表面辅助坐标系具有相同的坐标原点和 X 轴，其他两坐标轴之间夹角均为 θ。故颅脑立体定位坐标系为颅骨表面辅助坐标系绕 X 轴逆时针旋转 2π–θ 形成的坐标系，记颅脑立体定位坐标系内任一点坐标为（x，y，z），则存在如下对应关系：
 |
其中，θ 为坐标系对应轴之间夹角，0 < θ < 90°，通过上式即可实现将脑组织内部辅助坐标值转换为可执行的定位坐标值，从而实现对鲤鱼颅脑的三维定位。
1.10. 鲤鱼机器人水下控制实验
基于不开颅法，本研究根据测量及坐标转换得到的坐标值，应用开颅钻在颅骨表面相应位置钻孔，借助脑立体定位仪，将电极按照垂直于水平面的方向经钻孔植入到脑运动区。应用自主研发的无线遥控系统对植入脑电极的鲤鱼机器人进行水下控制实验以观察鲤鱼机器人的运动状况。
1.10.1. 实验分组
将实验鲤鱼 40 尾分成 A、B 两组，每组 20 尾，A 组为磁共振成像仪结合脑立体定位仪组，B 组为脑图谱结合脑立体定位仪组。
1.10.2. 脑立体定位
将 A 组鲤鱼（n = 20）、B 组鲤鱼（n = 20）置于丁香酚溶液中进行药浴麻醉。设定目标植入位点为鲤鱼小脑。A 组鲤鱼脑电极植入过程：在第一片鱼鳞处，沿颅骨冠状缝划一道痕迹，将鲤鱼固定在磁共振扫描仪的线圈内，在定位项图像中确定扫描范围和方向，得到颅脑矢状位和轴状位的 MRI 图像。通过图像测量软件，利用上述坐标转换方法将目标位点转换到基于体外的空间坐标系中，得到基于参考点的空间坐标，再找目标点在颅骨表面（XOY 平面）的投影点，将电极植入到目标区域。B 组鲤鱼脑电极植入过程：根据鲤鱼脑图谱组织切片图[5]，在第一片鱼鳞处钻一孔，借助脑立体定位仪，在第一片鱼鳞所在的水平面上将脑电极垂直植入。
1.10.3. 水下控制实验
将植入脑电极的 A、B 两组鲤鱼机器人进行水下控制实验，检验脑电极植入的准确性。将无线刺激器搭载于鲤鱼头部，使之与脑电极相连。通过上位机 Labview 控制界面发出指令信号，对鲤鱼机器人进行无线遥控。进行实验观察，若鲤鱼机器人按照指令信号作出相应动作，则表明植入电极位置准确，实验为成功；否则为失败。本研究应用两种不同方法将电极植入到鲤鱼小脑内，通过水下无线遥控实验来检验采用本文新方法植入电极的准确性与可行性。
1.10.4. 统计学处理
应用统计学处理软件 SPSS 22.0 对 A、B 两组的实验成功率做 χ2 检验，检验水准 α = 0.05。
2. 结果
2.1. 脑组织结构的空间定位
通过对鲤鱼小脑的左侧、上侧、右侧和下侧部分进行定位，将待定位组织的坐标在脑组织内部辅助三维坐标系、颅骨表面辅助三维坐标系和颅骨立体定位坐标系之间进行转换，确定小脑在颅腔内的位置。
本研究对小脑位置数据进行统计，根据脑立体定位仪植入电极建立的坐标系（见图 6），红色坐标系为颅脑立体定位三维坐标系，蓝色坐标系为颅骨表面辅助三维坐标系，应用 Mimics 医学图像处理软件测得两坐标系夹角 θ 为（26.96 ± 1.02）°。测得 D1 为（35.60 ± 2.16）mm，遵循上述坐标转换流程，获得小脑的空间定位坐标值，表 2 为小脑的空间位置统计结果。
图 6.
The measurement of the angle of coordinate systems
坐标系夹角的测量
表 2. The coordinate positions of carp cerebellums in the positioning coordinate system (n = 20,
, mm)
.
鲤鱼小脑在坐标系中的坐标位置表（n = 20，
，mm）
| 坐标轴 | 左侧 | 上侧 | 右侧 | 下侧 |
| X | 2.623 3 ± 0.037 8 | 0.010 0 ± 0.006 7 | –2.603 3 ± 0.044 4 | 0.013 3 ± 0.004 4 |
| Y | –7.298 0 ± 0.102 2 | –4.824 0 ± 0.086 7 | –7.530 2 ± 0.057 8 | –9.057 3 ± 0.020 0 |
| Z | 12.443 7 ± 0.066 7 | 12.108 9 ± 0.013 3 | 11.304 6 ± 0.006 7 | 10.527 8 ± 0.006 7 |
2.2. 鲤鱼机器人水下控制实验
水下控制实验的结果见表 3。
表 3. The results of electrodes implantation with different location methods.
不同定位方法植入电极结果
| 实验结果 | 成功数 | 失败数 | 成功率 |
| A 组（n = 20） | 18 | 2 | 90% |
| B 组（n = 20） | 12 | 8 | 60% |
采用统计学处理软件 SPSS 22.0 对两组成功率进行 χ2 检验，由表 4 可知，皮尔逊（Pearson）χ2 = 4.800，自由度 df = 1，P = 0.028 < 0.05，按照 α = 0.05 水准应该拒绝原假设，故二者差别具有统计学意义。
表 4. The results of Chi-square tests.
χ2 检验结果
| 值 | 自由度 | 渐近显著
性（双向） |
精确显著
性（双向） |
精确显著
性（单向） |
|
| 注：a0 资料格（0.0%）预期计数小于 5。预期的计数下限为 5.00。b只针对 2×2 表进行计算 | |||||
| 皮尔逊卡方 | 4.800a | 1 | 0.028 | ||
| 连续校正b | 3.333 | 1 | 0.068 | ||
| 似然比（L） | 5.063 | 1 | 0.024 | ||
| Fisher 精确检验 | 0.065 | 0.032 | |||
| 有效个案数 | 40 | ||||
3. 讨论
国际上自 20 世纪就开始关注和研究动物机器人，如日本的螳螂机器人[6]、美国的大鼠机器人[7]和猴子机器人[8]等。近年来，我国也在动物机器人领域积极开展科学研究，典型的有大鼠机器人[9]、鸽子机器人[10-12]、大壁虎机器人[13]、鲤鱼机器人[14]和家兔机器人[15]等，这些都是通过对动物的脑区或者其他运动神经植入电极施以电刺激来控制其运动[16]，所以对动物脑组织进行准确定位至关重要。
脑立体定位是应用控脑技术实现对动物机器人行为控制的关键技术。为解决面向不开颅法准确定位水生动物机器人脑组织坐标值的问题，本研究提出一种将鲤鱼脑组织磁共振成像坐标转换为应用脑立体定位仪进行电极植入坐标的方法。开颅法是动物机器人中常用的一种技术手段，但在水下环境中，不开颅法比开颅法更适合于水生动物机器人。所以，本文基于 MRI 具有较高组织对比度和软组织分辨率的功能特点，提出了借助先进的 MRI 成像技术经两次坐标转换得到鲤鱼脑组织坐标的方法，为脑电极的准确植入定位导航，更有助于水生动物机器人的精确控制。
传统的脑立体定位方法主要是单一应用脑立体定位仪进行定位，这种定位方法是基于统计学建立的脑图谱或经验参数而设定的。应用不开颅法在植入电极前，通常不易准确获得脑电极的三维立体植入位点参数，所以难免会出现定位误差。对此，本研究借助 MRI 设备获取脑组织结构特征，分析不同方位的 MRI 序列图像，经坐标转换进而获得脑电极植入位点在三维立体坐标系中的坐标，解决面向不开颅法准确定位动物脑组织坐标值的问题，从而起到提升脑电极植入精度的作用。本文仅以鲤鱼小脑为例，我们认为该方法对鲤鱼脑组织其他部位以及与鲤鱼类似的其他鱼类脑组织定位也同样适用。
脑立体定位是动物机器人生物控制的关键，空间坐标系的建立是脑立体定位的前提和基础。因而本研究自主建立了颅脑三维立体定位坐标系、颅脑表面辅助三维坐标系和脑组织内部辅助三维坐标系，经脑组织内部坐标转换颅骨表面坐标、颅骨表面坐标转换立体定位坐标，将电极植入位点磁共振图像坐标转换到三维立体定位坐标系中指导电极植入。该方法可解决面向不开颅法准确定位鲤鱼机器人脑组织坐标的问题，并通过鲤鱼机器人水下控制实验进行了验证。
颅骨冠状缝是一般脑结构定位普遍选取的参照物。本研究在过第一片鱼鳞处做一道划痕，将第一片鱼鳞所处位置设置成坐标原点 O，以颅骨表面两眼连线中点与原点的连线定义为 Y 轴，以过原点平行于冠状缝的直线定义为 X 轴，以过原点垂直于 XOY 平面的直线定义为 Z 轴。在 MRI 扫描定位项扫描完成后，确定扫描平面时，将矢状位方向与 YOZ 平面平行，轴状位方向与 XOY 平面平行，从而建立颅骨表面辅助三维坐标系。颅骨表面辅助三维坐标系的建立，可用于电极在颅脑内的三维立体定位。该方法可用于脑组织的准确定位，提出利用与颅骨表面三维坐标系相联系的斜轴位对颅脑进行成像的方式，可有效解决因鲤鱼放置体位而带来定位误差的问题。目前为止，该方法还未见相关文献报道。
MRI 技术是一种无创性成像方法，具有较高的组织对比度和软组织分辨率以及可多参数和任意方位层面成像等优点，故有学者将 MRI 用于鲤鱼脂肪组织的扫描成像[17]，但利用 MRI 技术对鲤鱼脑组织进行成像尚未见报道。对此，我们在这方面进行了探索性研究，能够获取比较清晰的鲤鱼颅脑 MRI 图像。我们将 MRI 图像与脑立体定位仪结合，建立三个坐标系，经两次坐标转换获得了鲤鱼脑组织的坐标。
我们应用新的方法，在不开颅的情况下，能够提高鲤鱼机器人脑电极植入的精确度和成功率，通过水下实验检验，表明该方法定位鲤鱼脑组织坐标是可行的也是可靠的，有助于鲤鱼机器人控制能力的提升。
4. 结论
本文提出了一种将鲤鱼脑组织磁共振成像坐标转换为应用脑立体定位仪进行电极植入所需坐标的方法。原创性地建立三种坐标系并经过两次坐标转换，将脑电极植入位点的 MRI 图像坐标转换到鲤鱼颅脑三维立体定位坐标系中确定脑组织坐标，从而引导电极的植入。通过水下实验，检验了该方法是可行的也是可靠的。该方法不仅能够对脑电极的植入进行准确定位，还能为脑电极的植入进行导航及纠偏，对鲤鱼水生动物机器人运动控制能力起到了提升作用，此外还有望为多种动物机器人研究提供一种更有效的技术手段和方法。
Funding Statement
国家自然科学基金资助项目（61573305）；国家高技术研究发展计划（863计划）项目
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