本发明专利技术提供磁共振成像(MRI)坐标与光学跟踪坐标之间的改进的交叉校准。校准工具执行初始校准，该校准工具包含可使用MRI扫描仪跟踪的无线有源标记和可使用光学跟踪系统跟踪的光学标记。来自此工具的一个或多个姿势的数据用于提供初始交叉校准。在使用中，校正此初始校准以计及实际相机位置与参考位置之间的差异。在这里，该参考位置是执行该初始校准的相机位置。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及医学成像。本专利技术涉及在同时磁共振成像期间用于人或动物被测对象的运动跟踪的光学跟踪装置的校准。更具体来说，本专利技术允许光学跟踪装置的坐标系与MRI扫描仪的坐标系之间的坐标变换的计算。
技术介绍
磁共振成像(MRI)是用于人和动物的有价值的医学成像技术。MRI经常用于使人体成像，以用于研究和临床目的两者，例如众多疾病的诊断和手术计划。通常在患者躺在又长又窄的膛孔中的情况下且在经受探测的身体部分位于局限线圈(其用于接收用于图像重构的信号)中的情况下执行磁共振成像。单个扫描持续大约几分钟；整个检查通常由数个扫描组成且持续大约几十分钟。在MRI扫描期间，对于患者来说保持几乎不动是必要的，因为仅几毫米的平移移动或几度的旋转会导致所重构图像中的严重运动伪影。许多患者对此要求感到困难，尤其是老年人、儿童或患有幽闭恐怖症的人。美国专利号5,545,993描述运动跟踪系统可如何用于通过更新成像磁场以补偿所测量运动而防止磁共振成像期间的运动伪影。此程序现在在术语‘预期运动校正’或‘自适应运动校正’下广为人知。光学跟踪是用于从被测对象获得所需要运动信息的受欢迎方法。光学系统，例如相机独立于正常MRI图像采集且因此该程序需要对MRI脉冲序列的最小修改。基于相机的系统可在高时间分辨率(例如30Hz或更多)下操作，此足以对人被测对象在MRI期间进行的移动取样且进行校正。关于基于相机的系统的一个挑战是相机的参考系不与MRI扫描仪的参考系自动对准。也就是说，在光学跟踪系统的坐标系中而不在MRI扫描仪的坐标系中规定用光学系统获得的运动参数。因此，跟踪数据必须使用由旋转和平移组成的变换从相机的参考系变换到MRI扫描仪的参考系中。此变换经常存储于单个矩阵中，在该情况下该变换称为齐次变换矩阵。确定此变换矩阵中的条目的过程广泛地称为‘交叉校准’。美国专利号6,490,473中已考虑此类交叉校准。尽管先前工作描述如何获得准确交叉校准，但所使用的方法对于光学运动校正系统在MRI中的临床部署经常并非实际的。具体来说，常规方法不提供用以进行以下操作的手段：(a)在不具有对校准的初始估计的情况下迅速地(<2分钟)获得对于准确运动校正足够良好的交叉校准，和(b)甚至在以下情况下仍维持交叉校准准确性：在移动或重新定位光学跟踪系统时，例如在光学跟踪系统附接到可移动头部线圈且在患者台上的放置在患者间改变时，或在于MRI检查期间移动患者台时。
技术实现思路
此作品解决对上文所讨论的校准的需要，该校准即(a)快速初始校准和(b)在移动/重新定位患者台、头部线圈和/或相机系统的情况下的重新校准。在下文中，‘交叉校准’是指确定两个参考系之间的适当坐标变换的过程。此作品提供用以执行交叉校准的一次性高度准确手段。采用包含对于MRI系统可见的无线有源标记和对于正校准的光学系统可见的光学标记的校准工具。使用MRI扫描仪跟踪无线有源标记的位置和定向：来自这些无线标记的跟踪数据固有地登记在MRI系统的坐标系中。这些无线有源标记刚性地连接到光学标记，使得两个标记系统总是经历相同运动且具有彼此的固定(但未必已知)几何关系。使用校准工具进行交叉校准的示例方法如下继续进行：执行单个迅速跟踪扫描，在此期间执行对校准工具的一系列小旋转。在此时间期间，从无线有源标记(使用MRI扫描仪跟踪脉冲序列)和光学标记(使用光学跟踪系统)两者收集运动数据。接着在校准工具的同一物理位置处从光学跟踪系统和有源标记跟踪系统两者的跟踪数据提取一系列‘姿势’。依据此，针对两个跟踪系统中的每一者计算连续姿势之间的一系列‘运动’。接着计算从光学坐标系到有源标记坐标系的变换，使得从一个姿势到下一姿势的运动尽可能一致。通常，光学跟踪系统包含至少第一相机，且此第一相机的位置可从一个扫描到下一扫描改变。相应地，用安置在参考位置处的第一相机执行上文所描述的初始校准，且视需要校正此初始校准以计及相机的实际位置与参考位置之间的任何差异。在某些情况下，使用第二相机来确定第一相机相对于参考位置的位置。校正初始校准以计及新相机位置与重新进行初始校准相比耗费的时间少得多，因此此两步骤过程实际上提供显著减少的交叉校准时间。附图说明图1示出MR兼容相机如何放置在MRI扫描仪内侧的头部线圈上以跟踪躺在患者台上的患者的头部运动。图2示出刚性地附接到MRI扫描仪头部线圈使得不可在两个部件之间发生运动的相机的实例。图3A示出包含三个‘无线标记’和一个光学跟踪标记的校准工具。图3B示出校准工具的示例光学跟踪标记。图4示出包括两个个别相机的相机单元：一个相机面向内、朝向被测对象，且一个相机面向外、朝向MRI扫描仪膛孔的内壁。图5示出包括一个相机和小镜子以允许被测对象和MRI扫描仪膛孔的内壁的同时观看的相机单元。图6示出图4和图5中所展示的相机单元可如何跟踪安装于被测对象上的标记而同时通过跟踪安装于扫描仪上的标记而确定其自身在扫描仪内的位置。图7示出其中膛孔安装式相机观看跟踪相机上的光学标记以提供跟踪相机的相机位置信息的实例。具体实施方式图1示出包含MRI扫描仪101和患者台/躺椅102的MRI系统100，其中被测对象105在MRI检查期间躺着。在此实例中，被测对象的头部放置在头部线圈103内侧且使用相机104监视头部运动。此工作的主要目标是提供用以计算相机104的坐标系与MRI扫描仪101的坐标系之间的变换的实际手段。图2示出相机201的实例，相机201使用已经设计以紧密地装配到头部线圈203的索具202来附接到该头部线圈。该索具确保相机和头部线圈形成刚性主体，也就是相机和头部线圈作为单个物体一起移动。该头部线圈放置在附接到患者台的可移除基座204上。头部线圈中的孔205提供从相机201到被测对象的头部的视线。或者，相机可与MRI头部线圈组件整合在一起。图3A示出包括三个无线有源标记301和一个光学标记302的示例校准工具300。这些无线标记可被围封在聚碳酸酯盒内，此帮助保护这些无线标记免于物理损坏和失调。可使用塑料手柄304手动旋转该校准工具。此校准工具被配置为安置于容器303中的球形构件305，容器303提供机械支撑同时允许工具移动到各种定向。在优选实施例中，该校准工具可容易地围绕全部三个轴旋转，使得旋转中心保持接近于MRI扫描仪的等中心点。使校准装置保持在等中心点附近帮助确保借助两个系统的跟踪是准确本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种交叉校准磁共振成像(MRI)坐标与光学跟踪系统的坐标的方法，所述方法包括：a)当所述光学跟踪系统的第一相机安置在参考位置处时通过测量校准工具的MRI坐标和光学坐标来执行初始校准；其中所述校准工具包含由所述光学跟踪系统可辨识的光学特征；其中所述校准工具包含由MRI系统可辨识的无线有源MRI标记，其中所述光学特征和所述无线有源MRI标记在所述校准工具上具有固定的相对位置；其中所述初始校准包括获得所述校准工具的一个或多个不同姿势的MRI数据和光学数据且确定使MRI坐标与光学坐标相关的初始交叉校准坐标变换；b)在MRI被测对象的成像之前或在其期间，i)确定所述第一相机相对于所述参考位置的位置，ii)使用所述相机位置和所述初始交叉校准坐标变换来确定校正的校准，且iii)使用所校正的校准来使正被成像的所述被测对象的MRI坐标与光学坐标相关。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.02 US 61/910,9151.一种交叉校准磁共振成像(MRI)坐标与光学跟踪系统的坐标的方法，所
述方法包括：
a)当所述光学跟踪系统的第一相机安置在参考位置处时通过测量校准工具
的MRI坐标和光学坐标来执行初始校准；
其中所述校准工具包含由所述光学跟踪系统可辨识的光学特征；
其中所述校准工具包含由MRI系统可辨识的无线有源MRI标记，其中所
述光学特征和所述无线有源MRI标记在所述校准工具上具有固定的相对位置；
其中所述初始校准包括获得所述校准工具的一个或多个不同姿势的MRI数
据和光学数据且确定使MRI坐标与光学坐标相关的初始交叉校准坐标变换；
b)在MRI被测对象的成像之前或在其期间，i)确定所述第一相机相对于
所述参考位置的位置，ii)使用所述相机位置和所述初始交叉校准坐标变换来确定
校正的校准，且iii)使用所校正的校准来使正被成像的所述被测对象的MRI坐标
与光学坐标相关。
2.如权利要求1所述的方法，其中每一无线有源MRI标记包含耦合到共振电
路的MR可见的样本，且其中可经由所述无线有源MRI标记的共振电路与磁共振
系统的一个或多个接收线圈的电感耦合来确定所述无线有源MRI标记的位置。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述光学特征是可单独区分的，且其中所
述光学特征布置成具有已知相对位置的预定图案，由此所述图案的部分观察足以完
全地确定光学标记的位置。
【专利技术属性】
技术研发人员：J·马克拉伦，M·阿克索耶，M·B·乌伊，R·巴马，
申请(专利权)人：小利兰·斯坦福大学托管委员会，
类型：发明
国别省市：美国;US
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