用于腦成像中的運動跟蹤的設備和方法
【專利摘要】公開了用于在醫學腦成像中對對象進行運動跟蹤的設備和方法。該方法包括：設置光投射器和第一相機；使用光投射器將第一圖案序列(S1)投射到對象的表面區域上，其中對象被定位在醫學掃描儀的掃描儀孔中，第一圖案序列包括第一主圖案(P1,1)和/或第一次級圖案(P1,2)；使用第一相機來檢測所投射的第一圖案序列(S1’)；基于所檢測的第一圖案序列(S1’)來確定包括第二主圖案(P2,1)的第二圖案序列(S2)；使用光投射器將第二圖案序列(S2)投射到對象的表面區域上；使用第一相機來檢測所投射的第二圖案序列(S2’)；以及基于所檢測的第二圖案序列(S2’)來確定運動跟蹤參數。
【專利說明】用于腦成像中的運動跟蹤的設備和方法
[0001]本發明涉及用于醫學成像如腦成像具體地磁共振成像(MRI)和/或正電子發射斷層成像(PET)中的運動跟蹤的方法和設備。本方法和設備可以用于正電子發射斷層成像(PET)和組合的MRI/PET掃描儀中的運動跟蹤。本方法和設備可以用于臨床前MRI和PET掃描儀中的運動跟蹤。
【背景技術】
[0002]在過去的十年中，研發了用于腦成像中的運動跟蹤的多種方法，但是掃描過程中的頭部運動屬于造成偽影并且顯著降低圖像質量的重要問題。
[0003]已知的方法包括外部跟蹤系統以及基于圖像的運動跟蹤和校正。許多外部跟蹤系統使用附接至對象頭部的標記。這潛在地引入了誤差并且使為掃描準備對象的過程復雜化，因此降低了在臨床實踐中的可用性。相應地，為醫學腦成像研發的基于圖像的運動跟蹤方法通常遭受不能同時獲得足夠高的時間和空間分辨率的影響。另外，現代醫學掃描儀的高分辨率(對于MRI下至零點幾毫米，以及對于PET下至幾毫米)對運動跟蹤系統設置了嚴格的要求。
【發明內容】
[0004]因此，需要改進的對對象的運動跟蹤，以提高醫學掃描儀具體地磁共振(MR)和/或PET掃描儀的掃描圖像的運動校正。
[0005]另外，需要簡化掃描過程例如減少對象的預處理的運動跟蹤系統。
[0006]因此，提供了用于在成像中具體地在醫學成像或醫學腦成像中對對象進行運動跟蹤的方法，該方法包括:設置光投射器和第一相機，以及使用光投射器將第一圖案序列
(SI)投射到對象的表面區域上，第一圖案序列包括第一主圖案(Pu)和可選的第一次級圖案(Pu)。對象可以被定位在掃描儀的掃描區域中，如在醫學掃描儀的掃描儀孔中。該方法包括使用第一相機來檢測所投射的第一圖案序列(Sr)。可選地，該方法包括基于所檢測的第一圖案序列(Sr)來確定包括第二主圖案(P2，D的第二圖案序列(S2)，使用光投射器將第二圖案序列(S2)投射到對象的表面區域上以及使用第一相機來檢測所投射的第二圖案序列(S2’)。該方法可以包括基于所檢測的第一圖案序列(SI’ )和/或第二圖案序列(S2’ )來確定運動跟蹤參數。
[0007]另外，提供了用于在成像中具體地在醫學成像或醫學腦成像中對對象進行運動跟蹤的設備，該設備包括:控制單元；光投射器，該光投射器包括光源和光調制器；以及第一相機。該設備被配置用于:使用光投射器將第一圖案序列(Si)投射到對象的表面區域上，其中對象可選地被定位在掃描儀的掃描區域中，如在醫學掃描儀的掃描儀孔中，第一圖案序列包括第一主圖案(Pu)和可選的第一次級圖案(Pu)，以及使用第一相機來檢測所投射的第一圖案序列(Sr)。另外，該設備可以被配置用于基于所檢測的第一圖案序列(Sr)來確定包括第二主圖案(U的第二圖案序列(S2)，使用光投射器將第二圖案序列(S2)投射到對象的表面區域上并且使用第一相機來檢測所投射的第二圖案序列(S2’)。該設備可以被配置用于基于所檢測的第一圖案序列(SI’ )和/或第二圖案序列(S2’ )來確定運動跟蹤參數。
[0008]本發明的方法和設備的優點是實現了亞毫米范圍內的運動跟蹤。
[0009]本發明的方法和設備的重要優點是提供了無標記運動校正，降低了對于待掃描的對象的準備的需求。
[0010]本發明的方法和設備使得能夠提高腦成像的圖像質量和/或可以降低對設備的存儲器需求。
[0011]由于圖案序列及其圖案的自適應確定，本發明使得能夠提高跟蹤速度和/或提高運動跟蹤參數的精度。因此，可以優化所投射的圖案的屬性，例如以便專注于對于運動跟蹤參數的相關子區域。
[0012]由于能夠調整序列的圖案使得將眼睛區域排除在照射以外或針對期望的圖案子區域來照射眼睛區域，所以本發明提供提高的患者安全性。
[0013]另外，第二圖案的自適應確定使得能夠將圖案優化到用于運動跟蹤的特別關注的子區域。例如，具有大曲率的表面子區域是期望的以便獲得所有方向和角度的運動信息。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]通過參照附圖對本發明的示例性實施例進行的以下詳細描述，本發明的上述及其他特征和優點對本領域技術人員來說變得明顯，在附圖中:
[0015]圖1示意性地示出了根據本發明的示例性設備，
[0016]圖2示意性地示出了光纖的遠端在醫學掃描儀中的示例性定位，
[0017]圖3示出了根據本發明的示例性方法，
[0018]圖4示出了第一圖案序列的示例性圖案，
[0019]圖5不出了第一圖案序列的不例性圖案，
[0020]圖6示出了圖案的示例性子區域，
[0021]圖7示出了圖案的示例性子區域，
[0022]圖8示出了圖案的示例性子區域，
[0023]圖9示出了圖案的示例性子區域，
[0024]圖10示出了圖案的示例性子區域，
[0025]圖11示意性地示出了控制單元，
[0026]圖12A至圖12D示出了在對象上的示例性投射圖案，
[0027]圖13示出了根據本發明的示例性方法，
[0028]圖14示意性地示出了光纖的遠端在醫學掃描儀中的示例性定位，
[0029]圖15示意性地示出了光纖的遠端在醫學掃描儀中的示例性定位，
[0030]圖16至圖18示出了圖案序列的示例性圖案，以及
[0031]圖19至圖20分別示出了期望的所檢測的圖案和從其得到的所投射的圖案。
【具體實施方式】
[0032]為了清楚起見，附圖是示意性和簡化的，并且它們僅示出了理解本發明所必需的細節，而略去了其他細節。貫穿全文，相同的附圖標記用于相同或相應的部件。
[0033]方法中所提供的和/或設備中所包括的光投射器包括光源。光源可以包括一個或更多個激光器或LED，一個或更多個激光器或LED包括被配置成發出第一波長λ 光的第一激光器/LED和/或被配置成發出第二波長λ 2的光的第二激光器/LED。光源可以包括被配置成發出第三波長λ 3的光的第三激光器/LED。光源可以包括廣譜光源如金屬鹵化物燈。在一個或更多個實施例中，光源可以包括發光二極管(LED)。光源可以包括用于形成具有期望的頻譜/波長分布的光的濾光器。在一個或更多個實施例中，光源可以適于發出紅外(IR)或近紅外(NIR)范圍內的光，例如波長在從700nm至約1，OOOnm的范圍內，例如約850nm。在一個或更多個實施例中，光源可以適于發出UV范圍內的光。
[0034]第一激光器/LED可以是紅色或橙色/紅色激光器，其中第一波長λ i在從約590nm至約700nm的范圍內。在一個或更多個實施例中，第一波長λ i為約635nm。第一激光器/LED可以是LED，其中第一波長人丨在從約830nm至約870nm的范圍內，例如為約850nmo
[0035]第二激光器/LED可以是綠色激光器，其中第二波長λ 2在從約490nm至約560nm的范圍內，例如為約532nm。第二激光器/LED可以是LED，其中第二波長λ 2在從約880nm至約920nm的范圍內，例如為約900nm。
[0036]第三激光器/LED可以是藍色或藍紫色激光器，例如，其中第三波長λ3在從430nm至約490nm的范圍內，例如為約445nm或約473nm。第三激光器/LED可以是LED，例如，其中第三波長λ 3在從930nm至約lOOOnm的范圍內，例如為約940nm。
[0037]光源可以包括UV光源，例如被配置成發出波長在從約230nm至約400nm的范圍內的光，例如約350nmo
[0038]方法中所提供的和/或設備中所包括的光投射器可以包括光調制器，例如用于將圖案投射到對象的表面區域或場景上。光調制器可以包括液晶顯示器(LCD)芯片或數字光處理(DLP)芯片。在一個或更多個實施例中，光調制器可以包括硅基液晶(LC0S)芯片。在一個或更多個實施例中，光調制器可以包括網格、狹縫或濾光器。光調制器可以是傳輸光調制器或反射光調制器。
[0039]光投射器可以連接至控制單元用于從控制單元接收控制信號。控制信號可以包括圖案序列參數如圖案序列中的圖案的數量、配置、順序和/或時刻。在一個或更多個實施例中，控制信號可以包括圖案序列選擇器，并且光投射器可以被配置用于取決于圖案序列選擇器來投射不同的圖案序列。
[0040]光投射器的分辨率限制圖案分辨率。光投射器的分辨率可以是HVGA(480X320像素)或更高例如(608 X 684像素)、SVGA (800 X 600像素)、XGA (1024 X 768像素)、720p (1280 X 720 像素)或 1080p (1920 X 1080 像素)。
[0041]在一個或更多個實施例中，多個不同的圖案序列可以存儲在光投射器中，并且光投射器可以被配置成基于來自控制單元的圖案序列選擇器來投射所選擇的圖案序列。
[0042]圖案序列⑶例如第一圖案序列(S1)和/或第二圖案序列(S2)包括一個或更多個圖案(P)，如包括主圖案和次級圖案的多個圖案。圖案序列包括N個圖案或由N個圖案組成。圖案序列可以由圖案序列參數來定義，圖案序列參數例如包括圖案序列中的圖案的數目、相應的圖案的配置/結構、圖案的順序和/或圖案的時刻。圖案序列的持續時間可以在從1毫秒至約1秒的范圍內。圖案序列的持續時間可以是約10毫秒、約20毫秒、約50毫秒、約100毫秒或約200毫秒。
[0043]圖案可以包括多個像素，例如布置在沿第一軸和第二軸的陣列中的像素。圖案可以由圖案參數來定義，圖案參數例如包括圖案中的每個像素和/或一組或更多組像素的像素設置(顏色/波長和/或強度)。圖案的一組像素可以被稱為圖案的標記為R的子區域。因此，圖案可以包括一個或更多個子區域札、1?2、1?3……，子區域包括一個或更多個像素。圖案序列參數可以包括圖案參數，例如主圖案、次級圖案和/或三級圖案的圖案參數。
[0044]圖案、圖案的子區域或圖案的不同像素可以是顏色/波長編碼、強度編碼和/或二進制編碼的。例如，例如對于第二圖案序列中的一個或更多個例如所有圖案，可以掩蔽例如與對象的眼部區域對應的第一子區域的像素，使得眼部區域不被照射。
[0045]在一個或更多個實施例中，第一和/或第二圖案序列中的一個或更多個圖案是顏色/波長編碼的，例如通過具有沿第一軸變化的顏色和沿第二軸恒定的或變化的顏色。
[0046]在一個或更多個實施例中，第一和/或第二圖案序列中的一個或更多個圖案是強度編碼的，例如通過具有沿第一軸變化的強度和沿第二軸恒定的或變化的強度。
[0047]在一個或更多個實施例中，第一和/或第二圖案序列中的一個或更多個圖案是二進制編碼的，即給圖案的像素或子區域分配“亮”和“不亮”中的一個以形成所需的圖案。
[0048]標記為S1的第一圖案序列包括標記為Ρ1Λ的第一主圖案和可選的標記為Ρ 1;2的第一次級圖案。第一圖案序列S1包括Ni個圖案或由Ni個圖案組成，其中\可以在從1至100的范圍內，如在從2至10的范圍內。在具體的示例中，&是2、3、4、5或6。在一個或更多個實施例中至少是10。
[0049]標記為S2的第二圖案序列包括標記為Ρ2Λ的第二主圖案和可選的第二次級圖案Ρ2;2ο第二圖案序列(S2)包括Ν2個圖案或由Ν2個圖案組成，其中1可以在從1至100的范圍內，如在從2至10的范圍內。在具體的示例中，隊是1、2、3、4、5或6。在一個或更多個實施例中，Ν2至少是10。
[0050]第一相機可以是(XD相機或CMOS相機。第一相機的分辨率可以為至少640X480，例如 1280X960、3264X2448 或更高。
[0051]在該方法中，可以將對第一圖案序列的投射和對所投射的第一圖案序列的檢測重復至少一次，如至少10次、至少50次，以及第二圖案序列(S2)可以基于重復的第一圖案序列。在該方法中，可以將對第二圖案序列的投射重復至少一次，如至少50次、至少100次，或至少144，000次(以20Hz重復投射兩小時)。
[0052]表面區域可以具有至少0.lcm2的面積，例如在從lcm 2至500cm 2的范圍內。在一個或更多個實施例中，表面區域面積可以在從20cm2至100cm2的范圍內。
[0053]表面區域可以至少部分覆蓋對象的鼻部區域。由于該區域的對象表面的顯著曲率，這可以導致改進的運動跟蹤。另外，面部運動在鼻梁附近受限，這在跟蹤顱骨和腦的運動時是優選的。
[0054]不同的圖案可以各自包括不同的顏色/波長，和/或圖案的子區域可以包括與相應的圖案的另一子區域不同的顏色或波長。因此，第一主圖案或其子區域
&…可以包括第一波長的光，即具有第一顏色編碼，和/或第一次級圖案(Ρ1?2)或其子區域R^、&，2，2、&2，3、&2，4、…可以包括第二波長的光，即具有第二顏色編碼。
[0055]該方法可以包括確定當前圖案序列是否應被重新計算。如果當前圖案序列應被重新計算，則圖案序列可以移動以確定新圖案序列，包括確定在第一循環中的第二圖案序列。如果當前圖案序列不需要被重新計算，則該方法可以繼續進行對當前圖案序列的投射和檢測。
[0056]在該方法中，確定第二圖案序列可以包括確定第二圖案使得在第二圖案序列的投射期間光到對象的眼部區域上的投射被限制或基本被消除。由于能夠調整序列的圖案使得將眼部區域排除于照射之外，因此提供了提高的患者安全性。
[0057]在該方法中，確定第二圖案序列可以包括識別表面區域的第一區域和/或第二區域的位置參數。第一區域可以具有期望的第一曲率屬性。第一區域可以至少部分覆蓋對象的鼻部區域，和/或第二區域可以是覆蓋一個眼睛或雙眼的眼部區域。可以基于第一區域和/或第二區域的位置參數來確定第二圖案序列的圖案參數，例如第二主圖案(Ρ2Λ)的第二主圖案參數和/或第二次級圖案(ρ2，2)的第二次級圖案參數。例如，最優圖案配置可以應用于第二圖案序列中的一個或更多個圖案的第一子區域，第一子區域對應于第一區域，和/或第二圖案序列中的一個或更多個圖案的子區域可以被阻擋或掩蔽以避免對第二區域的不期望的照射。
[0058]第二圖案序列(S2)可以表示為:
[0059]S2 = f(Sl，Sl')，
[0060]其中S1是第一圖案序列或其圖案，而S1’是所檢測的第一圖案序列或其圖案。
[0061]確定第二圖案序列(S2)可以包括確定第二圖案(P2;1，P2，2，……，P2，N2)使得可以預期或旨在檢測期望的第二圖案序列(泣’)。為了促進較快的/改進的運動校正，期望的所檢測的第二圖案序列(SH)可以包括需要較少圖像處理的一個或更多個期望的所檢測的第二圖案……，Ε12，Ν2)。因此，第二圖案序列可以表示為:
[0062]S2 = f(Sl，Sl' , S2')’
[0063]其中，S1是第一圖案序列或其圖案，S1’是所檢測的第一圖案序列或其圖案，而&是期望的所檢測的第二圖案序列或其圖案。
[0064]圖案序列S中的圖案P如第一圖案序列S1中的第一圖案和/或第二圖案序列S2中的第二圖案可以包括一個或更多個線段，如一個或更多個直線段。線段可以是彎曲的。圖案的線段L可以具有相同的或不同的長度。圖案的線段L可以具有相同的或不同的寬度。圖案的線段可以是相對于彼此平行或成角度的，如相對于彼此垂直。同一圖案序列中不同圖案的線段可以是垂直的或平行的，例如，主圖案可以包括相對于次級圖案的一個或更多個直線段垂直或否則成角度的一個或更多個直線段。圖案可以包括彎曲的和成角度的線或以從相機的視角圖案被檢測為或被視為直線的方式的線段。
[0065]確定第二圖案序列可以包括確定第二圖案序列中的圖案的子區域或線段的尺寸和/或形狀。
[0066]確定第二圖案序列可以包括確定第二圖案序列中圖案的子區域或線段的位置。
[0067]確定第二圖案序列可以基于包括一個或更多個期望的所檢測的圖案的期望的所檢測的第二圖案序列。
[0068]確定第二圖案序列可以包括確定第二圖案序列的持續時長1~2，其中T2小于第一圖案序列的持續時長!\。
[0069]確定第二圖案序列可以包括減少第二圖案序列中的第二圖案的照射的區域以便減少由于光散射而造成的光干擾。從而提高所檢測的序列的圖像質量，導致更精確的運動跟蹤。另外，通過減少所照射的圖案面積來調整或確定圖案可以降低對系統的存儲器需求和/或使得能夠提高可用存儲器的利用率。
[0070]確定第二圖案序列可以包括增加第二圖案序列中的第二圖案的照射的區域，以便例如在第一圖案序列不提供足夠的分辨率/精度的情況下優化圖像投射和/或檢測。從而提高所檢測的序列的圖像質量，導致更精確的運動跟蹤。另外，通過增加所照射的圖案面積來調整或確定圖案可以提供提高的運動校正精度。
[0071]確定運動跟蹤參數可以基于對對象的默認位置參數的計算。可以基于所檢測的第一圖案序列(S1’ )和/或所檢測的第二圖案序列(S2’ )來計算默認位置參數。
[0072]該方法可以包括將運動跟蹤參數或所選擇的運動跟蹤參數發送至醫學掃描儀或控制單元用于掃描圖像的運動校正。可以在掃描過程期間和/或在掃描過程之后發送運動跟蹤參數。運動跟蹤參數可以存儲在數據庫或存儲器中。
[0073]確定運動跟蹤參數可以包括生成表面區域或其部分的3D點云表示。可以通過使3D點云表示的點云與參考表面對齊來估計或確定運動跟蹤參數。參考表面可以基于對對象的默認位置參數的計算。
[0074]確定運動跟蹤參數可以基于第一圖案序列(S1)。另外或替選地，確定運動跟蹤參數可以基于所檢測的第一圖案序列(S1’)。
[0075]確定運動跟蹤參數可以基于第二圖案序列(S2)。
[0076]確定運動跟蹤參數可以基于對象的表面區域的3D模型。這可以導致簡化的對MTP的確定。
[0077]由于圖案序列被調整以適應待掃描的具體對象，所以基于第一圖案序列對第二圖案序列的動態配置或確定實現了使用較少數據對對象的改進跟蹤。因此，提高了圖像數據質量，這又降低了對存儲器和/或處理能力的要求。
[0078]另外，由于圖案序列可以被調整以適應待掃描的具體表面區域幾何形狀，所以基于第一圖案序列對第二圖案序列的動態配置和確定實現了簡化的對運動跟蹤參數(MTP)的確定，使得能夠進行更快速的和/或更精確的運動跟蹤。
[0079]該設備包括控制單元。控制單元連接至光投射器，用于將控制信號發送至光源和/或從光源接收控制信號。至光源的控制信號可以包括圖案序列參數。另外，控制單元連接至第一相機，用于接收圖案序列數據。控制單元可以被配置成將控制信號發送至第一相機和/或從第一相機接收控制信號。
[0080]控制單元、光投射器和第一相機可以容置在殼體中。該設備可以包括用于將來自光投射器的光光學耦接至第一光纖的第一耦接裝置。該設備可以包括用于將來自第二光纖的光光學耦接至第一相機的第二耦接裝置。第一光纖和/或第二光纖可以是可選的，即，該方法和設備可以在沒有光纖的情況下使用。
[0081]該設備可以包括連接至控制單元的用戶接口。用戶接口可以包括一個或更多個連接器，例如，用于將設備連接至外部計算機或醫學掃描儀。
[0082]該設備可以包括存儲器，例如，被配置用于存儲包括圖案參數的圖案序列參數。運動跟蹤參數可以被存儲在存儲器中。在一個或更多個實施例中，該設備被配置成實時地確定運動跟蹤參數并且將運動跟蹤參數發送至外部計算機或醫學掃描儀。這可以降低對存儲器大小的要求。
[0083]控制單元可以包括適于確定第二圖案序列的處理器。
[0084]該設備可以包括第一光纖，其具有光學耦接至光投射器的近端，用于將經由第一光纖來自光投射器的至少一個圖案投射到定位在醫學掃描儀的孔中的對象的表面區域上。第一光纖可以包括至少100個光纖，如至少10，000個光纖，每個光纖對應于投射到對象的表面區域上的圖案中的像素。在一個或更多個實施例中，為了充分受益于光投射器的分辨率，第一光纖的數目等于或大于光投射器中像素的數目。第一光纖具有遠端。該設備可以包括布置在第一光纖的遠端用于將來自第一光纖的圖案序列耦接至對象的表面區域的第一光學元件，如第一透鏡或第一透鏡組件。第一光纖的數目可以與光投射器的分辨率匹配或在光投射器的分辨率±20%的范圍內。
[0085]該設備可以包括第二光纖，其具有光學耦接至第一相機的近端，用于經由第二光纖來檢測至少一個投射圖案。第二光纖可以包括至少100個光纖，如至少100，000個光纖。每個第二光纖可以對應于第一相機中的一個或更多個像素。在一個或更多個實施例中，為了充分受益于光投射器的分辨率，第二光纖的數目等于或大于光投射器中的像素的數目。第二光纖具有遠端。該設備可以包括布置在第二光纖的遠端用于將來自對象的表面區域的圖案序列耦接至第二光纖的第二光學元件，如第二透鏡或第二透鏡組件。第二光纖的數目可以與第一相機的分辨率匹配或在第一相機的分辨率±20%的范圍內。
[0086]第一光纖和第二光纖可以被布置成相應的第一光纖陣列和第二光纖陣列。
[0087]在一個或更多個實施例中，第一光纖包括400X400個光纖、600X600個光纖或680 X 480個光纖的第一陣列。在一個或更多個實施例中，第二光纖包括至少400 X 400個光纖、600 X 600個光纖或680 X 480個光纖的第二陣列。光纖可以布置成任意適當的尺寸和形狀的陣列，例如矩形、圓形、橢圓形、多邊形或其他形狀。
[0088]使用第一光纖和第二光纖實現或促進該方法和設備在具有圍繞對象的永磁場的醫學掃描儀例如MR掃描儀中的使用。另外，使用第一光纖和第二光纖實現或促進該方法和設備在由于在掃描過程中對象被放置在掃描儀孔中而使對對象的訪問受限的醫學掃描儀中的使用。
[0089]該設備可以包括用于檢測第一圖案序列和/或第二圖案序列的第二相機。
[0090]醫學掃描儀可以是磁共振(MR)掃描儀。另外，用于運動跟蹤的方法和設備可以用于對通過其他醫學掃描儀獲得的掃描圖像的運動校正，如正電子發射斷層成像(PET)掃描儀、單光子發射計算機斷層成像(SPECT)掃描儀或計算機斷層成像(CT)掃描儀。在一個或更多個實施例中，該方法和設備可以用于對組合PET-MR掃描儀或組合PET-CT掃描儀中的對象的運動校正。
[0091]圖1示意性地示出了本發明的設備。設備2包括容置控制單元6和光投射器8的殼體4。光投射器8包括光源10和光調制器12。另外，設備2包括第一相機14，其連接至控制單元6用于在控制單元與第一相機之間交換控制信號和/或圖案序列數據。在使用過程中，第一光纖16在第一光纖的近端17處通過第一光學耦合器18耦接至該設備，使得來自光投射器8的光被親接入第一光纖16。第一光纖16可以固定地安裝至殼體，S卩，第一光纖可以構成設備的一部分。在使用過程中，第二光纖20在第二光纖的近端21處通過第二光學耦合器22耦接至該設備，使得由第一相機14來檢測被投射在表面區域上的圖案序列。第一光纖和第二光纖可以固定地安裝至殼體4，S卩，第一光纖和第二光纖可以構成設備的一部分，從而簡化了設備的設置。在一個或更多個實施例中，第一光纖在近端處設置有連接器，用于將第一光纖可拆卸地耦接至設備。在一個或更多個實施例中，第二光纖在近端處設置有連接器用于將第二光纖可拆卸地耦接至設備。
[0092]設備2被配置用于使用光投射器10將第一圖案序列(S1)投射到對象的表面區域上，以及使用第一相機14來檢測所投射的第一圖案序列(S1’)，其中對象被定位在醫學掃描儀的掃描儀孔中，第一圖案序列包括第一主圖案(PM)和第一次級圖案(Ρ1?2)。控制單元基于所檢測的第一圖案序列(S1’)來確定包括第二主圖案(P2;1)的第二圖案序列(S2)，并且將控制信號發送至光投射器10，用以將第二圖案序列(S2)投射到對象的表面上。使用第一相機來檢測所投射的第二圖案序列(S2’)，并且在控制單元和/或在第一相機中處理圖案序列數據。在檢測到圖案序列數據時或在檢測圖案序列數據的過程中，設備2基于所檢測的第二圖案序列(S2’ )來確定運動跟蹤參數。
[0093]圖2示意性地示出了用于與該方法和設備一起使用的醫學掃描儀。掃描儀30是MR掃描儀，其包括在形成掃描儀孔36的掃描儀殼體34中的永磁體32。掃描儀30包括用于對定位在支撐結構(掃描儀床)39上的對象進行掃描的頭線圈38。相應的光纖16、光纖20的遠端42、遠端44被定位在掃描儀孔36中，用于將圖案序列投射到頭線圈38內的表面區域/從頭線圈38內的表面區域檢測圖案序列。
[0094]圖3示出了根據本發明的示例性方法。示出了用于在醫學腦成像中對對象進行運動跟蹤的方法50。方法50包括:52，設置光投射器和第一相機；54，使用光投射器將第一圖案序列S1投射到對象的表面區域上。對象被定位在醫學掃描儀的掃描儀孔中(見圖2)，以及第一圖案序列S1包括第一主圖案Ρ1Λ和第一次級圖案P1;2。方法50包括:56，使用第一相機來檢測所投射的第一圖案序列(S1’)。另外，方法50包括:58，基于所檢測的第一圖案序列S1，來確定包括至少第二主圖案P2;1的第二圖案序列S2 ;以及60，使用光投射器將第二圖案序列S2投射到對象的表面區域上。方法50還包括:62，使用第一相機來檢測所投射的第二圖案序列S2’；以及可選地64，基于所檢測的第二圖案序列S2’來確定運動跟蹤參數(MCP)。在方法50中，第二圖案序列S2包括其中包括第二次級圖案P2，2的至少兩個不同的圖案。可以使用圖1中所示出的設備2來執行方法50。在該方法的一個或更多個實施例中，可以省略58,60和62。
[0095]圖4示出了示例性第一圖案序列的圖案，包括六個不同的圖案P1;1、P1；2, P1；3> P“、Pli5和P w。通過沿第一軸X改變像素的強度來對圖案進行強度編碼。
[0096]圖5示出了基于所投射的第一圖案序列確定的示例性第二圖案序列S2的圖案。第二圖案序列由三個第二圖案P2;1、P2，2、P2，3組成或包括三個第二圖案Ρ 2,n P2，2、P2;3o在第二主圖案P2，i中，掩蔽了與對象的第一眼部區域對應的第一子區域R2，U，即沒有光或基本上沒有光被投射到第二主圖案的第一子區域R2，U中。另外，掩蔽了與對象的第二眼部區域對應的第二子區域R2i2，即沒有光或基本上沒有光被投射到第二主圖像的第二子區域R2，u中。另外，掩蔽了與跟蹤數據的對象的表面區域的曲率小并且從而提供低質量的區域對應的第三子區域R2，U，即沒有光或基本上沒有光被投射到第二主圖案的第三子區域^卩中。期望減小圖案的受照射的面積以便減小由于光散射造成的光干擾。因此圖像質量得到提高，導致更精確的運動跟蹤。另外，通過減小所照射的圖案面積來調整或確定圖案可以減小對系統的存儲器需求和/或使得能夠提高可用存儲器的利用率。可以基于所檢測的第一圖案序列來確定子區域和
[0097]基于第一圖案序列Sl、S1，來選擇第二圖案的子區域的尺寸和形狀。
[0098]圖6示出了第二圖案序列中的圖案P2;1的示例性子區域80。子區域80具有9X9個像素，并且通過顏色和/或強度對每個像素進行編碼。強度可以是二進制編碼的，例如，其中“1”表示“亮”，而“0”表示“不亮”。例如，如所示的，可以使用第一波長的光(例如，紅光)對像素82進行編碼，并且可以使用強度0或“不亮”對像素84進行編碼。
[0099]圖7至圖10示出了圖案的示例性子區域。子區域86通過沿第一軸X變化的顏色和沿第二軸Y相同的顏色而被顏色編碼。子區域88通過條紋圖案，即沿第一軸變化的編碼和沿第二軸Y恒定的編碼而被二進制編碼。子區域90、92通過每個子區域中的不同的像素的數目而被二進制編碼。
[0100]圖11示出了示例性控制單元6，其包括通過用于將控制單元連接至設備的其他單元的連接器而連接至接口 96的處理器94。控制單元6被配置成向光投射器發送控制信號Xi用于控制光投射器。可選地，控制單元6被配置成從光投射器接收控制信號X/。控制信號&表示圖案序列配置和/或圖案序列時刻。可選地，控制單元6被配置成向第一相機發送控制信號X2用于控制第一相機。控制單元6被配置成從第一相機接收控制信號X2’。控制信號V可以包括使用第一相機所檢測的圖案序列數據或圖像，例如用于在處理器中確定第二圖案序列的第一圖案序列數據。控制單元6可以被配置成將數據X3存儲在設備的存儲器中和/或從設備的存儲器檢索數據X3。控制單元6可以包括連接至處理器的內部存儲器98。
[0101]圖12A至圖12D示出了帶有示例性投射圖案的對象。在圖12A中，對象40被示出不帶有投射圖案。圖12B示出了帶有所投射的第一主圖案Ρ1Λ的對象，圖12C和圖12D示出了帶有第二圖案序列中的第二主圖案Ρ2Λ和第二次級圖案Ρ 2，2的對象。圖案Ρ 2;1和Ρ 2，2基于使用第一相機檢測P’ u或捕獲第一主圖案P u而被確定。
[0102]圖13示出了本發明的示例性方法50’的至少一部分。在方法50’中，將投射和檢測第一序列重復至少一次，例如至少10次。該方法可以包括:65，決定當前圖案序列是否應被重新計算。如果當前圖案序列應被重新計算，則該方法前進至58，確定新圖案序列(第一循環中的第二圖案序列)并且前進至投射和檢測新圖案序列。如果當前圖案序列不需要被重新計算，則該方法前進至投射和檢測當前圖案序列。如果所檢測的圖案序列的圖像質量不符合質量標準，則圖案序列可以被重新計算(是)。
[0103]圖14示意性地示出了用于與方法和設備一起使用的醫學掃描儀。掃描儀30’是PET掃描儀，其包括在形成掃描儀孔36的掃描儀殼體34中的至少一個檢測器環132。掃描儀30’包括用于對定位在支撐結構(掃描儀床)39上的對象進行掃描的頭線圈38。相應的光纖16、光纖20的遠端42、遠端44被定位在檢測器環132外側并且靠近掃描儀孔36，用于將圖案序列投射到掃描儀孔36內的表面區域上以及從掃描儀孔36內的表面區域檢測圖案序列。可選地，遠端42、遠端44設置有相應的第一透鏡組件和第二透鏡組件。通過與遠端
42、遠端44類似地定位設備，在用于PET掃描儀的設備中可以省略光纖。
[0104]圖15示意性地示出了用于與方法和設備一起使用的醫學掃描儀。掃描儀30”是組合MR/PET掃描儀。相應的光纖16、光纖20的遠端定位在掃描儀孔36內，用于將圖案序列投射到掃描儀孔36內的表面區域上以及從掃描儀孔36內的表面區域檢測圖案序列。
[0105]圖16示出了示例性圖案100，如期望的所檢測的圖案P’、所投射的圖案P和/或所檢測的圖案P’。圖案100包括平行于第二軸X的8個平行的直線段L”……山。線段中的至少一些線段的寬度是變化的，并且線段之間的距離可以是恒定的或變化的。與對象的眼部或其他區域對應的圖案子區域可以被掩蔽，參見例如圖12C和圖12D。
[0106]圖17示出了示例性圖案102，如期望的所檢測的圖案P’、所投射的圖案P和/或所檢測的圖案P’。圖案102包括平行于第一軸X并且具有相同寬度的5個等距平行直線段L1；……，L5。與對象的眼部或其他區域對應的圖案子區域可以被掩蔽，參見例如圖12C和圖12D。
[0107]圖18示出了示例性圖案104，如期望的所檢測的圖案P’、所投射的圖案P和/或所檢測的圖案P’。圖案104包括平行于第二軸Y的5個平行直線段L”……，L5。第一組線段LjP L 5具有相同的寬度，并且第二組線段L 2和L 4具有相同的寬度，該寬度與第一組線段的寬度不同。與對象的眼部或其他區域對應的圖案子區域可以被掩蔽，參見例如圖12C和圖 12D。
[0108]需要注意的是，圖案的線段中的一個或更多個線段可以是彎曲的，例如如圖16至圖19中所示。如下文進一步示出的，由于對象的表面區域的曲率，所投射的圖案的彎曲線段可以在所檢測的圖案中顯示為直線段。
[0109]圖19示出了示例性的期望的所檢測的第二主圖案(夂)106。
[0110]圖20示出了相應的第二主圖案(P2，J108，其被確定為可選地所投射的第一圖案序列(S1)或其圖案、所檢測的第一圖案序列(S1’)或其圖案以及期望的所檢測的第二主圖案(夂)106的函數。
[0111]應當理解的是，除了附圖中所示出的本發明的示例性實施例以外，本發明可以以不同的形式來實施并且不應被理解為僅限于文中所闡述的實施例。而是，提供這些實施例以使得本公開內容變得更詳盡和完整，從而向本領域普通技術人員充分傳達本發明的構思。
[0112]參考標記列表
[0113]2 設備
[0114]4 殼體
[0115]6控制單元
[0116]8光投射器
[0117]10 光源
[0118]12光調制器
[0119]14第一相機
[0120]16第一光纖
[0121]17第一光纖的近端
[0122]18第一光學親合器
[0123]20第二光纖
[0124]21第二光纖的近端
[0125]22第二光學親合器
[0126]24存儲器
[0127]26用戶接口
[0128]30，30，，30” 醫學掃描儀
[0129]32 磁體
[0130]34掃描儀殼體
[0131]36掃描儀孔
[0132]38頭線圈
[0133]39掃描儀床
[0134]40 對象
[0135]42第一光纖的遠端
[0136]44第二光纖的遠端
[0137]50，50’用于在醫學腦成像中對對象進行運動跟蹤的方法
[0138]52設置光投射器和第一相機
[0139]54投射第一圖案序列
[0140]56檢測第一圖案序列
[0141]58確定第二圖案序列/新圖案序列
[0142]60投射第二圖案序列
[0143]62檢測第二圖案序列
[0144]64確定運動校正參數
[0145]65需要進行重新計算？
[0146]80第二圖案的子區域
[0147]82 像素
[0148]84 像素
[0149]86圖案的子區域
[0150]88圖案的子區域
[0151]90圖案的子區域
[0152]92圖案的子區域
[0153]94處理器
[0154]96 接口
[0155]98內部存儲器
[0156]100所投射的圖案P、所檢測的圖案P’和/或期望的所檢測的圖案P’中的圖案
[0157]102所投射的圖案P、所檢測的圖案P’和/或期望的所檢測的圖案P’中的圖案
[0158]104所投射的圖案P、所檢測的圖案P’和/或期望的所檢測的圖案P’中的圖案
[0159]106示例性的期望的所檢測的圖案E:
[0160]108示例性的所投射的圖案P
[0161]132檢測器環
[0162]L 線段
【權利要求】
1.一種用于在醫學腦成像中對對象進行運動跟蹤的方法，所述方法包括: 設置光投射器和第一相機； 使用所述光投射器將第一圖案序列(Si)投射到所述對象的表面區域上，其中，所述對象被定位在醫學掃描儀的掃描儀孔中，所述第一圖案序列包括第一主圖案(Pu)和第一次級圖案(P1,2)； 使用所述第一相機來檢測所投射的第一圖案序列(Si’); 基于所檢測的第一圖案序列(Si’)來確定包括第二主圖案(Ρ2Λ)的第二圖案序列(S2)； 使用所述光投射器將所述第二圖案序列(S2)投射到所述對象的表面區域上； 使用所述第一相機來檢測所投射的第二圖案序列(S2’)；以及 基于所檢測的第二圖案序列(S2’ )來確定運動跟蹤參數。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第二圖案序列(S2)包括第二次級圖案(P2, 2)。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，將對所述第一圖案序列的投射和對所投射的第一圖案序列的檢測重復至少一次，以及其中所述第二圖案序列基于重復的第一圖案序列。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述表面區域具有在Icm2至500cm2的范圍內的面積。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述表面區域至少部分覆蓋所述對象的鼻部區域。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述第一主圖案(P包括第一波長的光，而所述第一次級圖案(Pli2)包括第二波長的光。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，確定所述第二圖案序列包括確定第二圖案使得在所述第二圖案序列的投射期間光到所述對象的眼部區域上的投射被限制或基本被消除。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，確定運動跟蹤參數基于對所述對象的默認位置參數的計算。
9.根據前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法包括將所述運動跟蹤參數發送至所述醫學掃描儀或控制單元用于掃描圖像的運動校正。
10.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，確定運動跟蹤參數包括生成所述表面區域的3D點云表示。
11.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，設置光投射器和第一相機包括設置具有近端和遠端的第一光纖，其中，所述第一光纖的所述近端光學耦接至所述光投射器，而所述第一光纖的所述遠端定位在所述掃描儀孔內，以及其中，通過所述第一光纖來投射所述第一圖案序列和所述第二圖案序列。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，設置光投射器和第一相機包括設置具有近端和遠端的第二光纖，其中，所述第二光纖的所述近端光學耦接至所述第一相機，而所述第二光纖的所述遠端定位在所述掃描儀孔內，以及其中，通過所述第二光纖來檢測所投射的第一圖案序列和/或所投射的第二圖案序列。
13.一種用于在醫學腦成像中對對象進行運動跟蹤的設備，所述設備包括: 控制單元； 光投射器，所述光投射器包括光源和光調制器； 第一相機， 其中，所述設備被配置用于: 使用所述光投射器將第一圖案序列(Si)投射到所述對象的表面區域上，其中，所述對象被定位在醫學掃描儀的掃描儀孔中，所述第一圖案序列包括第一主圖案(Pu)和第一次級圖案(P1,2)； 使用所述第一相機來檢測所投射的第一圖案序列(Si’); 基于所檢測的第一圖案序列(Si’)來確定包括第二主圖案(Ρ2Λ)的第二圖案序列(S2)； 使用所述光投射器將所述第二圖案序列(S2)投射到所述對象的表面上； 使用所述第一相機來檢測所投射的第二圖案序列(S2’)；以及 基于所檢測的第二圖案序列(S2’ )來確定運動跟蹤參數。
14.根據權利要求13所述的設備，其中，所述設備包括: 第一光纖，所述第一光纖具有光學耦接至所述光投射器的近端，用于經由所述第一光纖將來自所述光投射器的至少一個圖案投射到所述對象的所述表面區域上；以及 第二光纖，所述第二光纖具有光學耦接至所述第一相機的近端，用于經由所述第二光纖來檢測至少一個投射圖案。
【文檔編號】G01R33/48GK104486996SQ201380039111
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年5月24日 優先權日:2012年5月25日
【發明者】奧利納·奧勒森, 拉斯穆斯·拉森, 拉斯穆斯·R·保爾森, 莉澤洛特·霍伊高 申請人:丹麥科技大學