為解決鯉魚腦組織坐標準確定位問題，本文提出一種將鯉魚腦組織磁共振成像坐標轉換為應用腦立體定位儀進行電極植入所需坐標的方法。本研究應用 3.0T 磁共振成像儀對鯉魚顱腦成像，自主建立顱腦三維立體定位坐標系、顱骨表面輔助三維坐標系和腦組織內部輔助三維坐標系，經兩次坐標轉換，將腦電極植入位點磁共振圖像坐標轉換到三維立體定位坐標系中以引導電極植入。實驗分 A、B 兩組，A 組為磁共振成像儀結合腦立體定位儀組，B 組為腦圖譜結合腦立體定位儀組，每組鯉魚 20 尾（n = 20），分別應用兩種方法將電極植入小腦運動區。進行鯉魚機器人水下實驗檢驗，結果表明 A 組和 B 組植入電極準確度分別為 90% 和 60%，A 組成功率明顯高于 B 組（P < 0.05）。故本文的新方法能夠準確定位鯉魚腦組織的坐標。
引用本文： 彭勇, 王婷婷, 王占秋, 杜丹, 李京龍, 韓曉曉, 劉佳寧, 王愛迪, 周向前. 面向鯉魚機器人控腦技術的磁共振坐標轉換方法研究及應用. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(6): 845-851. doi: 10.7507/1001-5515.201807059 復制
引言
動物機器人是當今世界新興的前沿高科技領域。動物機器人在災難搜救、環境監測、生態研究、工業應用、生物醫學以及特殊領域等具有潛在的廣闊應用前景。20 世紀，國際上就開始對水生動物機器人進行了研究。2004 年，美國將一枚微型芯片植入鯊魚腦內，由于鯊魚嗅覺特別靈敏，所以選擇鯊魚的嗅覺神經核團作為刺激位點，以此來實現對鯊魚機器人的遠程控制[1]；2005 年，俄羅斯研制了海龜機器人，在其身上安裝了攝像裝置，控制海龜完成“特殊”任務[2]；2009 年，日本對硬骨魚的中腦進行了研究，發現通過刺激金魚中腦可誘導其出現運動行為[3]。這些動物機器人都可以被人類所控制以實現指定的動作。人類利用動物體的運動機能和動力供應體制，從動物運動的感受傳入神經支配入手，實現對動物的運動和某些行為的人為控制，從而利用動物特長代替人類完成人們不能和不敢的特殊任務[4]。
動物機器人是當代多種高科技融合的新型的特殊機器人，而控腦技術是動物機器人控制的最有效方法。腦是高級神經中樞，動物的運動是受腦運動神經核團支配的，所以人們普遍應用控腦技術控制動物機器人，其中電極植入腦運動神經核團的精確程度是動物機器人控制的關鍵。
應用腦立體定位儀將電極植入腦神經核團是常規的腦立體定位技術。根據預先獲得的定位參數，可以較好地應用腦立體定位儀將電極植入到指定位點。但腦立體定位儀上的定位參數往往是基于腦圖譜或經驗參數而設定的，如果應用不開顱法，則在植入電極前通常不易準確獲得電極植入的三維立體位點參數，所以難免會出現定位誤差。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是 20 世紀醫學診斷領域最重要的進展之一。MRI 具有較高的組織對比度和組織分辨率、任意方位的層面成像、多參數和多序列成像等優點，所以 MRI 已廣泛用于全身各器官，其中尤以腦成像效果最好。
腦立體定位是應用控腦技術實現動物機器人行為控制的關鍵技術。但由于動物個體差異等原因，面向不開顱法采用常規的腦立體定位儀向腦組織植入電極的精確度還不高。而目前將腦電極植入位點 MRI 圖像坐標轉換到顱骨空間坐標系中來引導電極植入，再結合磁共振成像儀與腦立體定位儀為鯉魚機器人腦電極植入進行定位與導航的方法尚未見文獻報道。
因此，為解決面向不開顱法對動物機器人準確定位腦組織坐標的問題，本研究針對鯉魚水生動物機器人，提出一種將鯉魚腦組織磁共振成像坐標轉換為應用腦立體定位儀進行電極植入所需坐標的方法。本研究自主建立三個坐標系，經兩次坐標轉換，將腦電極植入位點 MRI 圖像坐標轉換到三維立體定位坐標系中引導電極植入，再進行鯉魚機器人水下控制實驗，以期更準確地定位鯉魚腦組織的坐標。
1 材料和方法
1.1 材料與儀器
3.0T 磁共振成像儀（SIEMENS TRIO，德國）；丁香油水門汀（上海醫療器械股份有限公司齒科材料廠，批號：201504）；68025 數顯式腦立體定位儀（深圳市瑞沃德生命科技有限公司）；自主研發的水下無線遙控系統；自制的鎢絲電極。
1.2 實驗動物
健康成年鯉魚 40 尾，體重為（1.02 ± 0.05）kg，體長（33.51 ± 2.34）cm，購于秦皇島市水產市場。
1.3 顱腦三維立體定位坐標系的建立
借助腦立體定位儀對鯉魚顱腦進行定位，將鯉魚第一片魚鱗（顱骨與軀干交界處的魚鱗）作為坐標原點 O。圖 1 為顱腦三維立體定位坐標系和顱骨表面輔助三維坐標系示意圖，圖中 O 為坐標原點，X 軸為過原點平行于冠狀縫的水平直線，正向指向軀體左側；Y 軸為平行于矢狀縫的直線，正向指向吻部（見圖 1a）；Z 軸為過原點垂直于 XOY 平面的直線，正向指向腹部（見圖 1b）。
圖1
顱腦三維立體定位坐標系和顱骨表面輔助三維坐標系示意圖
a.
a.
1.4 顱骨表面輔助三維坐標系的建立
由于鯉魚顱骨的頂骨與額骨基本處于同一個平面，且中心基線基本處于同一直線上，所以可以用作定位的參照物。基于此，我們設計了顱骨表面輔助三維坐標系（見圖 1b），坐標系的原點仍然為第一片魚鱗，且處于冠狀縫的中心（O'）。將兩眼連線的中點與坐標原點 O'的連線定義為坐標系的 Y 軸（Y'），正向指向吻部；過原點平行于冠狀縫的直線定義為坐標系的 X 軸（X'），正向指向軀體左側；過原點垂直于 X'O'Y' 平面的垂線定義為坐標系的 Z 軸（Z'），正向指向腹部。
1.5 腦組織內部輔助三維坐標系的建立
圖 2 為腦組織內部輔助三維坐標系示意圖，圖 2a 中的 a 表示在 MRI 中的腦組織，以兩眼連線作為坐標系的 X 軸（X'' 軸），因 MRI 圖像與實際方向相反，故正向指向軀體右側；以圖像的中心對稱軸為坐標系的 Y 軸（Y'' 軸），正向指向尾部。圖 2b 表示將過 XY 軸交點的直線與 MRI 掃描第一層圖像的交點定為坐標原點 O（O''），將過原點且垂直于 MRI 掃描平面的直線定為 Z 軸（Z'' 軸）。
圖2
腦組織內部輔助三維坐標系示意圖
a.
a.
1.6 鯉魚顱腦的磁共振掃描
應用 3.0T 磁共振成像儀對鯉魚顱腦進行矢狀位與軸狀位的掃描成像，掃描的主要參數見表 1。
表1
鯉魚顱腦矢狀位與軸狀位的磁共振掃描參數
Table1.
The MRI scanning parameters for sagittal and axial position of carp brain
1.7 顱腦 MRI 掃描方位的確定
在進行鯉魚顱腦 MRI 掃描時，矢狀位為鯉魚顱骨矢狀縫所在方向。圖 3 中，P 平行于顱骨表面三維輔助坐標系的 Y 軸，沿 P 方向，因掃描層面與顱骨表面三維輔助坐標 XOY 平面緊密貼合，便于同一坐標在不同坐標系中進行轉換，從而更方便進行空間定位。
圖3
鯉魚顱腦磁共振軸狀位掃描方向確定示意圖
Figure3.
Sketch map of determining the direction of carp brain MRI axial scanning
本研究所用定位方法，將矢狀掃描方向與顱骨表面三維輔助坐標系 YOZ 平面平行；軸狀位選擇基于空間坐標系平面的斜軸位，其掃描方向為與顱骨表面輔助坐標系 XOY 平面平行（P 方向），冠狀掃描方向與顱骨表面輔助坐標系 XOZ 平面平行。
1.8 腦組織內部輔助坐標轉換顱骨表面輔助坐標
圖 4 為 MRI 矢狀位序列的第 51 幀，在圖像中應用 Mimics 軟件測量眼球中心至劃痕的距離，記為 D1（mm），即顱骨表面輔助坐標系原點在腦組織內部輔助三維坐標系的 Y 值為 D1。
圖4
冠狀劃痕距眼球中心距離示意圖
Figure4.
Sketch map of the distance between the coronary sign and the center of eyeball
在本研究中，鯉魚顱腦定位主要是借助矢狀位和軸狀位圖像來實現的（見圖 5）。圖 5a 為掃描定位項圖像，圖 5b 為矢狀位圖像，圖 5c 為軸狀位圖像。圖中的 b 為腦組織內任一點；m 為參考基線，與鯉魚嗅莖及整體腦組織分布方向平行；n 為軸狀位掃描方向，與腦組織內部坐標系的 Y 軸平行，也與顱骨表面三維輔助坐標系 XOY 平面平行。
圖5
腦組織目標位點定位方法示意圖
a. 定位項圖像；b. 矢狀位圖像；c. 軸狀位圖像
Figure5. Sketch map of the method of loacting the target site in brain tissuea. locating item image; b. sagittal plane image; c. axial plane image
通過圖 5c 可知，b 所在的軸狀位，層數記為 N，若軸狀位掃描層厚為 S（mm），則 b 在腦組織內部輔助坐標系的縱坐標 Z 為 N*S；通過圖像軟件測量 b 到兩眼連線距離，記為 D2（mm），則 b 在腦組織內部輔助坐標系的縱坐標 Y 為 D2；測量 b 到中心軸線的水平距離，記為 D3（mm），則 b 在腦組織內部輔助坐標系的橫坐標 X 為 D3。由此可知，腦內任一點 b 在腦組織內部輔助坐標系中的坐標值為（D3，D2，N*S）。
腦組織內部輔助三維坐標系與顱骨表面輔助三維坐標系，具有相同的坐標平面，二者的 X 軸、Y 軸相互反向平行，坐標原點在同一直線上，Z 軸相互平行且正向指向相同。則顱骨表面輔助三維坐標系原點在腦組織內部輔助坐標系中的坐標為（0，D1，0）。若圖像內任一點 p，在腦組織內部輔助坐標系的坐標值記為
，其在顱骨表面輔助三維坐標系中的坐標記為
，則存在如下等式：
 |
由此可知，上述 b 點在顱骨表面輔助三維坐標系的坐標值為（–D3，D2–D1，N*S）。
1.9 顱骨表面輔助坐標轉換顱腦立體定位坐標
在本研究中，顱腦立體定位坐標系是腦立體定位儀所在的坐標系，將顱骨表面輔助坐標值轉換成由腦立體定位儀可執行的三維坐標值，即可來指導腦電極植入。如圖 1 所示，顱腦立體定位坐標系與顱骨表面輔助坐標系具有相同的坐標原點和 X 軸，其他兩坐標軸之間夾角均為 θ。故顱腦立體定位坐標系為顱骨表面輔助坐標系繞 X 軸逆時針旋轉 2π–θ 形成的坐標系，記顱腦立體定位坐標系內任一點坐標為（x，y，z），則存在如下對應關系：
 |
其中，θ 為坐標系對應軸之間夾角，0 < θ < 90°，通過上式即可實現將腦組織內部輔助坐標值轉換為可執行的定位坐標值，從而實現對鯉魚顱腦的三維定位。
1.10 鯉魚機器人水下控制實驗
基于不開顱法，本研究根據測量及坐標轉換得到的坐標值，應用開顱鉆在顱骨表面相應位置鉆孔，借助腦立體定位儀，將電極按照垂直于水平面的方向經鉆孔植入到腦運動區。應用自主研發的無線遙控系統對植入腦電極的鯉魚機器人進行水下控制實驗以觀察鯉魚機器人的運動狀況。
1.10.1 實驗分組
將實驗鯉魚 40 尾分成 A、B 兩組，每組 20 尾，A 組為磁共振成像儀結合腦立體定位儀組，B 組為腦圖譜結合腦立體定位儀組。
1.10.2 腦立體定位
將 A 組鯉魚（n = 20）、B 組鯉魚（n = 20）置于丁香酚溶液中進行藥浴麻醉。設定目標植入位點為鯉魚小腦。A 組鯉魚腦電極植入過程：在第一片魚鱗處，沿顱骨冠狀縫劃一道痕跡，將鯉魚固定在磁共振掃描儀的線圈內，在定位項圖像中確定掃描范圍和方向，得到顱腦矢狀位和軸狀位的 MRI 圖像。通過圖像測量軟件，利用上述坐標轉換方法將目標位點轉換到基于體外的空間坐標系中，得到基于參考點的空間坐標，再找目標點在顱骨表面（XOY 平面）的投影點，將電極植入到目標區域。B 組鯉魚腦電極植入過程：根據鯉魚腦圖譜組織切片圖[5]，在第一片魚鱗處鉆一孔，借助腦立體定位儀，在第一片魚鱗所在的水平面上將腦電極垂直植入。
1.10.3 水下控制實驗
將植入腦電極的 A、B 兩組鯉魚機器人進行水下控制實驗，檢驗腦電極植入的準確性。將無線刺激器搭載于鯉魚頭部，使之與腦電極相連。通過上位機 Labview 控制界面發出指令信號，對鯉魚機器人進行無線遙控。進行實驗觀察，若鯉魚機器人按照指令信號作出相應動作，則表明植入電極位置準確，實驗為成功；否則為失敗。本研究應用兩種不同方法將電極植入到鯉魚小腦內，通過水下無線遙控實驗來檢驗采用本文新方法植入電極的準確性與可行性。
1.10.4 統計學處理
應用統計學處理軟件 SPSS 22.0 對 A、B 兩組的實驗成功率做 χ2 檢驗，檢驗水準 α = 0.05。
2 結果
2.1 腦組織結構的空間定位
通過對鯉魚小腦的左側、上側、右側和下側部分進行定位，將待定位組織的坐標在腦組織內部輔助三維坐標系、顱骨表面輔助三維坐標系和顱骨立體定位坐標系之間進行轉換，確定小腦在顱腔內的位置。
本研究對小腦位置數據進行統計，根據腦立體定位儀植入電極建立的坐標系（見圖 6），紅色坐標系為顱腦立體定位三維坐標系，藍色坐標系為顱骨表面輔助三維坐標系，應用 Mimics 醫學圖像處理軟件測得兩坐標系夾角 θ 為（26.96 ± 1.02）°。測得 D1 為（35.60 ± 2.16）mm，遵循上述坐標轉換流程，獲得小腦的空間定位坐標值，表 2 為小腦的空間位置統計結果。
圖6
坐標系夾角的測量
Figure6.
The measurement of the angle of coordinate systems
表2
鯉魚小腦在坐標系中的坐標位置表（n = 20，
，mm）
Table2.
The coordinate positions of carp cerebellums in the positioning coordinate system (n = 20,
, mm)
2.2 鯉魚機器人水下控制實驗
水下控制實驗的結果見表 3。
表3
不同定位方法植入電極結果
Table3.
The results of electrodes implantation with different location methods
采用統計學處理軟件 SPSS 22.0 對兩組成功率進行 χ2 檢驗，由表 4 可知，皮爾遜（Pearson）χ2 = 4.800，自由度 df = 1，P = 0.028 < 0.05，按照 α = 0.05 水準應該拒絕原假設，故二者差別具有統計學意義。
表4
χ2 檢驗結果
Table4.
The results of Chi-square tests
3 討論
國際上自 20 世紀就開始關注和研究動物機器人，如日本的螳螂機器人[6]、美國的大鼠機器人[7]和猴子機器人[8]等。近年來，我國也在動物機器人領域積極開展科學研究，典型的有大鼠機器人[9]、鴿子機器人[10-12]、大壁虎機器人[13]、鯉魚機器人[14]和家兔機器人[15]等，這些都是通過對動物的腦區或者其他運動神經植入電極施以電刺激來控制其運動[16]，所以對動物腦組織進行準確定位至關重要。
腦立體定位是應用控腦技術實現對動物機器人行為控制的關鍵技術。為解決面向不開顱法準確定位水生動物機器人腦組織坐標值的問題，本研究提出一種將鯉魚腦組織磁共振成像坐標轉換為應用腦立體定位儀進行電極植入坐標的方法。開顱法是動物機器人中常用的一種技術手段，但在水下環境中，不開顱法比開顱法更適合于水生動物機器人。所以，本文基于 MRI 具有較高組織對比度和軟組織分辨率的功能特點，提出了借助先進的 MRI 成像技術經兩次坐標轉換得到鯉魚腦組織坐標的方法，為腦電極的準確植入定位導航，更有助于水生動物機器人的精確控制。
傳統的腦立體定位方法主要是單一應用腦立體定位儀進行定位，這種定位方法是基于統計學建立的腦圖譜或經驗參數而設定的。應用不開顱法在植入電極前，通常不易準確獲得腦電極的三維立體植入位點參數，所以難免會出現定位誤差。對此，本研究借助 MRI 設備獲取腦組織結構特征，分析不同方位的 MRI 序列圖像，經坐標轉換進而獲得腦電極植入位點在三維立體坐標系中的坐標，解決面向不開顱法準確定位動物腦組織坐標值的問題，從而起到提升腦電極植入精度的作用。本文僅以鯉魚小腦為例，我們認為該方法對鯉魚腦組織其他部位以及與鯉魚類似的其他魚類腦組織定位也同樣適用。
腦立體定位是動物機器人生物控制的關鍵，空間坐標系的建立是腦立體定位的前提和基礎。因而本研究自主建立了顱腦三維立體定位坐標系、顱腦表面輔助三維坐標系和腦組織內部輔助三維坐標系，經腦組織內部坐標轉換顱骨表面坐標、顱骨表面坐標轉換立體定位坐標，將電極植入位點磁共振圖像坐標轉換到三維立體定位坐標系中指導電極植入。該方法可解決面向不開顱法準確定位鯉魚機器人腦組織坐標的問題，并通過鯉魚機器人水下控制實驗進行了驗證。
顱骨冠狀縫是一般腦結構定位普遍選取的參照物。本研究在過第一片魚鱗處做一道劃痕，將第一片魚鱗所處位置設置成坐標原點 O，以顱骨表面兩眼連線中點與原點的連線定義為 Y 軸，以過原點平行于冠狀縫的直線定義為 X 軸，以過原點垂直于 XOY 平面的直線定義為 Z 軸。在 MRI 掃描定位項掃描完成后，確定掃描平面時，將矢狀位方向與 YOZ 平面平行，軸狀位方向與 XOY 平面平行，從而建立顱骨表面輔助三維坐標系。顱骨表面輔助三維坐標系的建立，可用于電極在顱腦內的三維立體定位。該方法可用于腦組織的準確定位，提出利用與顱骨表面三維坐標系相聯系的斜軸位對顱腦進行成像的方式，可有效解決因鯉魚放置體位而帶來定位誤差的問題。目前為止，該方法還未見相關文獻報道。
MRI 技術是一種無創性成像方法，具有較高的組織對比度和軟組織分辨率以及可多參數和任意方位層面成像等優點，故有學者將 MRI 用于鯉魚脂肪組織的掃描成像[17]，但利用 MRI 技術對鯉魚腦組織進行成像尚未見報道。對此，我們在這方面進行了探索性研究，能夠獲取比較清晰的鯉魚顱腦 MRI 圖像。我們將 MRI 圖像與腦立體定位儀結合，建立三個坐標系，經兩次坐標轉換獲得了鯉魚腦組織的坐標。
我們應用新的方法，在不開顱的情況下，能夠提高鯉魚機器人腦電極植入的精確度和成功率，通過水下實驗檢驗，表明該方法定位鯉魚腦組織坐標是可行的也是可靠的，有助于鯉魚機器人控制能力的提升。
4 結論
本文提出了一種將鯉魚腦組織磁共振成像坐標轉換為應用腦立體定位儀進行電極植入所需坐標的方法。原創性地建立三種坐標系并經過兩次坐標轉換，將腦電極植入位點的 MRI 圖像坐標轉換到鯉魚顱腦三維立體定位坐標系中確定腦組織坐標，從而引導電極的植入。通過水下實驗，檢驗了該方法是可行的也是可靠的。該方法不僅能夠對腦電極的植入進行準確定位，還能為腦電極的植入進行導航及糾偏，對鯉魚水生動物機器人運動控制能力起到了提升作用，此外還有望為多種動物機器人研究提供一種更有效的技術手段和方法。
引言
動物機器人是當今世界新興的前沿高科技領域。動物機器人在災難搜救、環境監測、生態研究、工業應用、生物醫學以及特殊領域等具有潛在的廣闊應用前景。20 世紀，國際上就開始對水生動物機器人進行了研究。2004 年，美國將一枚微型芯片植入鯊魚腦內，由于鯊魚嗅覺特別靈敏，所以選擇鯊魚的嗅覺神經核團作為刺激位點，以此來實現對鯊魚機器人的遠程控制[1]；2005 年，俄羅斯研制了海龜機器人，在其身上安裝了攝像裝置，控制海龜完成“特殊”任務[2]；2009 年，日本對硬骨魚的中腦進行了研究，發現通過刺激金魚中腦可誘導其出現運動行為[3]。這些動物機器人都可以被人類所控制以實現指定的動作。人類利用動物體的運動機能和動力供應體制，從動物運動的感受傳入神經支配入手，實現對動物的運動和某些行為的人為控制，從而利用動物特長代替人類完成人們不能和不敢的特殊任務[4]。
動物機器人是當代多種高科技融合的新型的特殊機器人，而控腦技術是動物機器人控制的最有效方法。腦是高級神經中樞，動物的運動是受腦運動神經核團支配的，所以人們普遍應用控腦技術控制動物機器人，其中電極植入腦運動神經核團的精確程度是動物機器人控制的關鍵。
應用腦立體定位儀將電極植入腦神經核團是常規的腦立體定位技術。根據預先獲得的定位參數，可以較好地應用腦立體定位儀將電極植入到指定位點。但腦立體定位儀上的定位參數往往是基于腦圖譜或經驗參數而設定的，如果應用不開顱法，則在植入電極前通常不易準確獲得電極植入的三維立體位點參數，所以難免會出現定位誤差。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是 20 世紀醫學診斷領域最重要的進展之一。MRI 具有較高的組織對比度和組織分辨率、任意方位的層面成像、多參數和多序列成像等優點，所以 MRI 已廣泛用于全身各器官，其中尤以腦成像效果最好。
腦立體定位是應用控腦技術實現動物機器人行為控制的關鍵技術。但由于動物個體差異等原因，面向不開顱法采用常規的腦立體定位儀向腦組織植入電極的精確度還不高。而目前將腦電極植入位點 MRI 圖像坐標轉換到顱骨空間坐標系中來引導電極植入，再結合磁共振成像儀與腦立體定位儀為鯉魚機器人腦電極植入進行定位與導航的方法尚未見文獻報道。
因此，為解決面向不開顱法對動物機器人準確定位腦組織坐標的問題，本研究針對鯉魚水生動物機器人，提出一種將鯉魚腦組織磁共振成像坐標轉換為應用腦立體定位儀進行電極植入所需坐標的方法。本研究自主建立三個坐標系，經兩次坐標轉換，將腦電極植入位點 MRI 圖像坐標轉換到三維立體定位坐標系中引導電極植入，再進行鯉魚機器人水下控制實驗，以期更準確地定位鯉魚腦組織的坐標。
1 材料和方法
1.1 材料與儀器
3.0T 磁共振成像儀（SIEMENS TRIO，德國）；丁香油水門汀（上海醫療器械股份有限公司齒科材料廠，批號：201504）；68025 數顯式腦立體定位儀（深圳市瑞沃德生命科技有限公司）；自主研發的水下無線遙控系統；自制的鎢絲電極。
1.2 實驗動物
健康成年鯉魚 40 尾，體重為（1.02 ± 0.05）kg，體長（33.51 ± 2.34）cm，購于秦皇島市水產市場。
1.3 顱腦三維立體定位坐標系的建立
借助腦立體定位儀對鯉魚顱腦進行定位，將鯉魚第一片魚鱗（顱骨與軀干交界處的魚鱗）作為坐標原點 O。圖 1 為顱腦三維立體定位坐標系和顱骨表面輔助三維坐標系示意圖，圖中 O 為坐標原點，X 軸為過原點平行于冠狀縫的水平直線，正向指向軀體左側；Y 軸為平行于矢狀縫的直線，正向指向吻部（見圖 1a）；Z 軸為過原點垂直于 XOY 平面的直線，正向指向腹部（見圖 1b）。
圖1
顱腦三維立體定位坐標系和顱骨表面輔助三維坐標系示意圖
a.
a.
1.4 顱骨表面輔助三維坐標系的建立
由于鯉魚顱骨的頂骨與額骨基本處于同一個平面，且中心基線基本處于同一直線上，所以可以用作定位的參照物。基于此，我們設計了顱骨表面輔助三維坐標系（見圖 1b），坐標系的原點仍然為第一片魚鱗，且處于冠狀縫的中心（O'）。將兩眼連線的中點與坐標原點 O'的連線定義為坐標系的 Y 軸（Y'），正向指向吻部；過原點平行于冠狀縫的直線定義為坐標系的 X 軸（X'），正向指向軀體左側；過原點垂直于 X'O'Y' 平面的垂線定義為坐標系的 Z 軸（Z'），正向指向腹部。
1.5 腦組織內部輔助三維坐標系的建立
圖 2 為腦組織內部輔助三維坐標系示意圖，圖 2a 中的 a 表示在 MRI 中的腦組織，以兩眼連線作為坐標系的 X 軸（X'' 軸），因 MRI 圖像與實際方向相反，故正向指向軀體右側；以圖像的中心對稱軸為坐標系的 Y 軸（Y'' 軸），正向指向尾部。圖 2b 表示將過 XY 軸交點的直線與 MRI 掃描第一層圖像的交點定為坐標原點 O（O''），將過原點且垂直于 MRI 掃描平面的直線定為 Z 軸（Z'' 軸）。
圖2
腦組織內部輔助三維坐標系示意圖
a.
a.
1.6 鯉魚顱腦的磁共振掃描
應用 3.0T 磁共振成像儀對鯉魚顱腦進行矢狀位與軸狀位的掃描成像，掃描的主要參數見表 1。
表1
鯉魚顱腦矢狀位與軸狀位的磁共振掃描參數
Table1.
The MRI scanning parameters for sagittal and axial position of carp brain
1.7 顱腦 MRI 掃描方位的確定
在進行鯉魚顱腦 MRI 掃描時，矢狀位為鯉魚顱骨矢狀縫所在方向。圖 3 中，P 平行于顱骨表面三維輔助坐標系的 Y 軸，沿 P 方向，因掃描層面與顱骨表面三維輔助坐標 XOY 平面緊密貼合，便于同一坐標在不同坐標系中進行轉換，從而更方便進行空間定位。
圖3
鯉魚顱腦磁共振軸狀位掃描方向確定示意圖
Figure3.
Sketch map of determining the direction of carp brain MRI axial scanning
本研究所用定位方法，將矢狀掃描方向與顱骨表面三維輔助坐標系 YOZ 平面平行；軸狀位選擇基于空間坐標系平面的斜軸位，其掃描方向為與顱骨表面輔助坐標系 XOY 平面平行（P 方向），冠狀掃描方向與顱骨表面輔助坐標系 XOZ 平面平行。
1.8 腦組織內部輔助坐標轉換顱骨表面輔助坐標
圖 4 為 MRI 矢狀位序列的第 51 幀，在圖像中應用 Mimics 軟件測量眼球中心至劃痕的距離，記為 D1（mm），即顱骨表面輔助坐標系原點在腦組織內部輔助三維坐標系的 Y 值為 D1。
圖4
冠狀劃痕距眼球中心距離示意圖
Figure4.
Sketch map of the distance between the coronary sign and the center of eyeball
在本研究中，鯉魚顱腦定位主要是借助矢狀位和軸狀位圖像來實現的（見圖 5）。圖 5a 為掃描定位項圖像，圖 5b 為矢狀位圖像，圖 5c 為軸狀位圖像。圖中的 b 為腦組織內任一點；m 為參考基線，與鯉魚嗅莖及整體腦組織分布方向平行；n 為軸狀位掃描方向，與腦組織內部坐標系的 Y 軸平行，也與顱骨表面三維輔助坐標系 XOY 平面平行。
圖5
腦組織目標位點定位方法示意圖
a. 定位項圖像；b. 矢狀位圖像；c. 軸狀位圖像
Figure5. Sketch map of the method of loacting the target site in brain tissuea. locating item image; b. sagittal plane image; c. axial plane image
通過圖 5c 可知，b 所在的軸狀位，層數記為 N，若軸狀位掃描層厚為 S（mm），則 b 在腦組織內部輔助坐標系的縱坐標 Z 為 N*S；通過圖像軟件測量 b 到兩眼連線距離，記為 D2（mm），則 b 在腦組織內部輔助坐標系的縱坐標 Y 為 D2；測量 b 到中心軸線的水平距離，記為 D3（mm），則 b 在腦組織內部輔助坐標系的橫坐標 X 為 D3。由此可知，腦內任一點 b 在腦組織內部輔助坐標系中的坐標值為（D3，D2，N*S）。
腦組織內部輔助三維坐標系與顱骨表面輔助三維坐標系，具有相同的坐標平面，二者的 X 軸、Y 軸相互反向平行，坐標原點在同一直線上，Z 軸相互平行且正向指向相同。則顱骨表面輔助三維坐標系原點在腦組織內部輔助坐標系中的坐標為（0，D1，0）。若圖像內任一點 p，在腦組織內部輔助坐標系的坐標值記為
，其在顱骨表面輔助三維坐標系中的坐標記為
，則存在如下等式：
|
由此可知，上述 b 點在顱骨表面輔助三維坐標系的坐標值為（–D3，D2–D1，N*S）。
1.9 顱骨表面輔助坐標轉換顱腦立體定位坐標
在本研究中，顱腦立體定位坐標系是腦立體定位儀所在的坐標系，將顱骨表面輔助坐標值轉換成由腦立體定位儀可執行的三維坐標值，即可來指導腦電極植入。如圖 1 所示，顱腦立體定位坐標系與顱骨表面輔助坐標系具有相同的坐標原點和 X 軸，其他兩坐標軸之間夾角均為 θ。故顱腦立體定位坐標系為顱骨表面輔助坐標系繞 X 軸逆時針旋轉 2π–θ 形成的坐標系，記顱腦立體定位坐標系內任一點坐標為（x，y，z），則存在如下對應關系：
|
其中，θ 為坐標系對應軸之間夾角，0 < θ < 90°，通過上式即可實現將腦組織內部輔助坐標值轉換為可執行的定位坐標值，從而實現對鯉魚顱腦的三維定位。
1.10 鯉魚機器人水下控制實驗
基于不開顱法，本研究根據測量及坐標轉換得到的坐標值，應用開顱鉆在顱骨表面相應位置鉆孔，借助腦立體定位儀，將電極按照垂直于水平面的方向經鉆孔植入到腦運動區。應用自主研發的無線遙控系統對植入腦電極的鯉魚機器人進行水下控制實驗以觀察鯉魚機器人的運動狀況。
1.10.1 實驗分組
將實驗鯉魚 40 尾分成 A、B 兩組，每組 20 尾，A 組為磁共振成像儀結合腦立體定位儀組，B 組為腦圖譜結合腦立體定位儀組。
1.10.2 腦立體定位
將 A 組鯉魚（n = 20）、B 組鯉魚（n = 20）置于丁香酚溶液中進行藥浴麻醉。設定目標植入位點為鯉魚小腦。A 組鯉魚腦電極植入過程：在第一片魚鱗處，沿顱骨冠狀縫劃一道痕跡，將鯉魚固定在磁共振掃描儀的線圈內，在定位項圖像中確定掃描范圍和方向，得到顱腦矢狀位和軸狀位的 MRI 圖像。通過圖像測量軟件，利用上述坐標轉換方法將目標位點轉換到基于體外的空間坐標系中，得到基于參考點的空間坐標，再找目標點在顱骨表面（XOY 平面）的投影點，將電極植入到目標區域。B 組鯉魚腦電極植入過程：根據鯉魚腦圖譜組織切片圖[5]，在第一片魚鱗處鉆一孔，借助腦立體定位儀，在第一片魚鱗所在的水平面上將腦電極垂直植入。
1.10.3 水下控制實驗
將植入腦電極的 A、B 兩組鯉魚機器人進行水下控制實驗，檢驗腦電極植入的準確性。將無線刺激器搭載于鯉魚頭部，使之與腦電極相連。通過上位機 Labview 控制界面發出指令信號，對鯉魚機器人進行無線遙控。進行實驗觀察，若鯉魚機器人按照指令信號作出相應動作，則表明植入電極位置準確，實驗為成功；否則為失敗。本研究應用兩種不同方法將電極植入到鯉魚小腦內，通過水下無線遙控實驗來檢驗采用本文新方法植入電極的準確性與可行性。
1.10.4 統計學處理
應用統計學處理軟件 SPSS 22.0 對 A、B 兩組的實驗成功率做 χ2 檢驗，檢驗水準 α = 0.05。
2 結果
2.1 腦組織結構的空間定位
通過對鯉魚小腦的左側、上側、右側和下側部分進行定位，將待定位組織的坐標在腦組織內部輔助三維坐標系、顱骨表面輔助三維坐標系和顱骨立體定位坐標系之間進行轉換，確定小腦在顱腔內的位置。
本研究對小腦位置數據進行統計，根據腦立體定位儀植入電極建立的坐標系（見圖 6），紅色坐標系為顱腦立體定位三維坐標系，藍色坐標系為顱骨表面輔助三維坐標系，應用 Mimics 醫學圖像處理軟件測得兩坐標系夾角 θ 為（26.96 ± 1.02）°。測得 D1 為（35.60 ± 2.16）mm，遵循上述坐標轉換流程，獲得小腦的空間定位坐標值，表 2 為小腦的空間位置統計結果。
圖6
坐標系夾角的測量
Figure6.
The measurement of the angle of coordinate systems
表2
鯉魚小腦在坐標系中的坐標位置表（n = 20，
，mm）
Table2.
The coordinate positions of carp cerebellums in the positioning coordinate system (n = 20,
, mm)
2.2 鯉魚機器人水下控制實驗
水下控制實驗的結果見表 3。
表3
不同定位方法植入電極結果
Table3.
The results of electrodes implantation with different location methods
采用統計學處理軟件 SPSS 22.0 對兩組成功率進行 χ2 檢驗，由表 4 可知，皮爾遜（Pearson）χ2 = 4.800，自由度 df = 1，P = 0.028 < 0.05，按照 α = 0.05 水準應該拒絕原假設，故二者差別具有統計學意義。
表4
χ2 檢驗結果
Table4.
The results of Chi-square tests
3 討論
國際上自 20 世紀就開始關注和研究動物機器人，如日本的螳螂機器人[6]、美國的大鼠機器人[7]和猴子機器人[8]等。近年來，我國也在動物機器人領域積極開展科學研究，典型的有大鼠機器人[9]、鴿子機器人[10-12]、大壁虎機器人[13]、鯉魚機器人[14]和家兔機器人[15]等，這些都是通過對動物的腦區或者其他運動神經植入電極施以電刺激來控制其運動[16]，所以對動物腦組織進行準確定位至關重要。
腦立體定位是應用控腦技術實現對動物機器人行為控制的關鍵技術。為解決面向不開顱法準確定位水生動物機器人腦組織坐標值的問題，本研究提出一種將鯉魚腦組織磁共振成像坐標轉換為應用腦立體定位儀進行電極植入坐標的方法。開顱法是動物機器人中常用的一種技術手段，但在水下環境中，不開顱法比開顱法更適合于水生動物機器人。所以，本文基于 MRI 具有較高組織對比度和軟組織分辨率的功能特點，提出了借助先進的 MRI 成像技術經兩次坐標轉換得到鯉魚腦組織坐標的方法，為腦電極的準確植入定位導航，更有助于水生動物機器人的精確控制。
傳統的腦立體定位方法主要是單一應用腦立體定位儀進行定位，這種定位方法是基于統計學建立的腦圖譜或經驗參數而設定的。應用不開顱法在植入電極前，通常不易準確獲得腦電極的三維立體植入位點參數，所以難免會出現定位誤差。對此，本研究借助 MRI 設備獲取腦組織結構特征，分析不同方位的 MRI 序列圖像，經坐標轉換進而獲得腦電極植入位點在三維立體坐標系中的坐標，解決面向不開顱法準確定位動物腦組織坐標值的問題，從而起到提升腦電極植入精度的作用。本文僅以鯉魚小腦為例，我們認為該方法對鯉魚腦組織其他部位以及與鯉魚類似的其他魚類腦組織定位也同樣適用。
腦立體定位是動物機器人生物控制的關鍵，空間坐標系的建立是腦立體定位的前提和基礎。因而本研究自主建立了顱腦三維立體定位坐標系、顱腦表面輔助三維坐標系和腦組織內部輔助三維坐標系，經腦組織內部坐標轉換顱骨表面坐標、顱骨表面坐標轉換立體定位坐標，將電極植入位點磁共振圖像坐標轉換到三維立體定位坐標系中指導電極植入。該方法可解決面向不開顱法準確定位鯉魚機器人腦組織坐標的問題，并通過鯉魚機器人水下控制實驗進行了驗證。
顱骨冠狀縫是一般腦結構定位普遍選取的參照物。本研究在過第一片魚鱗處做一道劃痕，將第一片魚鱗所處位置設置成坐標原點 O，以顱骨表面兩眼連線中點與原點的連線定義為 Y 軸，以過原點平行于冠狀縫的直線定義為 X 軸，以過原點垂直于 XOY 平面的直線定義為 Z 軸。在 MRI 掃描定位項掃描完成后，確定掃描平面時，將矢狀位方向與 YOZ 平面平行，軸狀位方向與 XOY 平面平行，從而建立顱骨表面輔助三維坐標系。顱骨表面輔助三維坐標系的建立，可用于電極在顱腦內的三維立體定位。該方法可用于腦組織的準確定位，提出利用與顱骨表面三維坐標系相聯系的斜軸位對顱腦進行成像的方式，可有效解決因鯉魚放置體位而帶來定位誤差的問題。目前為止，該方法還未見相關文獻報道。
MRI 技術是一種無創性成像方法，具有較高的組織對比度和軟組織分辨率以及可多參數和任意方位層面成像等優點，故有學者將 MRI 用于鯉魚脂肪組織的掃描成像[17]，但利用 MRI 技術對鯉魚腦組織進行成像尚未見報道。對此，我們在這方面進行了探索性研究，能夠獲取比較清晰的鯉魚顱腦 MRI 圖像。我們將 MRI 圖像與腦立體定位儀結合，建立三個坐標系，經兩次坐標轉換獲得了鯉魚腦組織的坐標。
我們應用新的方法，在不開顱的情況下，能夠提高鯉魚機器人腦電極植入的精確度和成功率，通過水下實驗檢驗，表明該方法定位鯉魚腦組織坐標是可行的也是可靠的，有助于鯉魚機器人控制能力的提升。
4 結論
本文提出了一種將鯉魚腦組織磁共振成像坐標轉換為應用腦立體定位儀進行電極植入所需坐標的方法。原創性地建立三種坐標系并經過兩次坐標轉換，將腦電極植入位點的 MRI 圖像坐標轉換到鯉魚顱腦三維立體定位坐標系中確定腦組織坐標，從而引導電極的植入。通過水下實驗，檢驗了該方法是可行的也是可靠的。該方法不僅能夠對腦電極的植入進行準確定位，還能為腦電極的植入進行導航及糾偏，對鯉魚水生動物機器人運動控制能力起到了提升作用，此外還有望為多種動物機器人研究提供一種更有效的技術手段和方法。
