CN100502776C - 磁共振系统与其引导的设备间的坐标系切换装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的装置和相应的方法，其使用MRI成像来确定该MRI引导的医疗设备的坐标系相对于该MRI系统的坐标系的旋转和平移值从而实现上述的切换。其中该装置包括多个设置在所述的MRI引导的医疗设备中的基准标示器，各所述的基准标示器上设置用来确定其在MRI系统的坐标系中的位置的信号的线圈绕组，其中所述的线圈绕组是串联连接的，该串联连接的线圈绕组通过接口电路接入所述的磁共振系统。

Description

磁共振系统与其引导的设备间的坐标系切换装置和方法

技术领域

本发明涉及一种磁共振(Magnetic Resonance Imaging，MRI)引导的医疗设备与MRI系统的兼容技术，特别是涉及一种坐标系变换装置和方法。

背景技术

MRI引导的医疗设备，在对病人进行治疗时，不但可以提供更好的图像效果，而且可以精确地对剂量进行控制。

请参阅图1，所述的MRI引导的医疗设备，以MRI引导的高强度聚焦超声(High IntensityFocused Ultrasound，HIFU)系统10为例，其聚焦区域位于MRI图像内并且与病人需要治疗的部位相匹配。这样便可以采用多种不同的MRI成像方法，如质子共振频(proton resonancefrequency，PRF)变换方法来动态地跟踪所述的聚焦区域的温度变化。为此，非常有必要将该HIFU系统10的坐标系12变换到该MRI系统20的坐标系22中。

然而，目前将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的方法采用的是机械定位方法，而并没有采用MRI成像的方法来自动地将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系中。

在JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE IMAGING14：617-627(2001)中发表的文章“A Methodfor Fast 3D Tracking Using Tuned Fiducial Markers and a Limited ProjectionReconstruction FISP(LPR-FISP)Sequence”中介绍了一种对三个基准标示器(fiducialmarker)在MRI系统中进行投影(projection)，并且计算得到其三维坐标值的方法。然而，该文章中使用的基准标示器是并联设置，需要分别地独立进行调谐然后感性耦合进MRI系统中，另外，该文章并未探讨如何根据得到的基准标示器在MRI系统中的三维坐标值来将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的问题。因此，如何采用MRI成像的方法来自动地将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系中已经成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的装置和相应的方法，其使用MRI成像来确定该MRI引导的医疗设备的坐标系相对于该MRI系统的坐标系的旋转和平移值从而实现上述的切换。

为实现上述的目的，本发明提出一种将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的装置，包括多个设置在所述的MRI引导的医疗设备中的基准标示器，各所述的基准标示器上设置用来确定其在MRI系统的坐标系中的位置的信号的线圈绕组，其中所述的线圈绕组串联连接成一个单一的线圈，该串联连接的线圈绕组通过接口电路接入所述的磁共振系统。

其中，所述的接口电路包括调谐电路；所述的线圈绕组通过同轴电缆相连接。进一步地，各基准标示器含有造影剂，优选地，所述的造影剂是钆-DTPA。

根据本发明的一个方面，该装置包括四个所述的基准标示器，其中的一个基准标示器与其他三个不同面。

根据本发明的一个方面，所述的MRI引导的医疗设备是高强度聚焦超声系统。

相应地，本发明提出一种将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的方法，所述的MRI引导的医疗设备包括多个基准标示器，在所述的多个基准标示器上分别设置有线圈绕组，所述的线圈绕组串联连接成一个单一的线圈，所述的基准标示器在所述的MRI引导的医疗设备的坐标系中的三维坐标值已知，所述的方法包括以下步骤：a)使用所述的MRI系统对所述的基准标示器进行多次投影；b)根据所述的投影确定所述的基准标示器在所述的MRI系统的坐标系中的三维坐标值；c)根据所述的基准标示器在所述的MRI引导的医疗设备的坐标系以及在所述的MRI系统的坐标系中的三维坐标值计算切换所需的旋转和平移值；以及d)根据算出的旋转和平移值将所述的MRI引导的医疗设备的坐标系切换到所述的MRI系统的坐标系中。

本发明使用MRI成像的方法，仅通过数次的投影，便可以确定该MRI引导的医疗设备的坐标系相对于该MRI系统的坐标系的旋转和平移值，从而进行相应的切换。其中，本发明中的基准标示器上设置的线圈绕组串联连接成一个单一的线圈，仅通过一个调谐电路便可对其进行调谐，其结构简单且操作方便。

附图说明

图1是MRI引导的HIFU系统在对应的MRI系统中工作的示意图；

图2是本发明将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的装置的基准标示器上的线圈绕组的连接示意图；

图3是图2中的基准标示器的相对位置的示意图；

图4是图2中的基准标示器在MRI系统中投影的一维傅立叶变换(Fourier transform)的信号的示意图；以及

图5是本发明将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的方法的流程图。

具体实施方式

为了将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系，首先应当取得所述的MRI引导的医疗设备的坐标系相对于所述的MRI系统的坐标系的旋转和平移值。

请参阅图1，仍然以MRI引导的HIFU系统10为例进行说明，本发明的装置包括在该HIFU系统10上设置多数个基准标示器30。在本实施例中，本发明的装置包括四个所述的基准标示器30，上述的基准标示器30在该HIFU系统10的坐标系12(X_HIFU，Y_HIFU，Z_HIFU)中的三维坐标值 $P=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$ 是已知的。只要能确定上述的基准标示器30在MRI系统20的坐标系22(X_MR，Y_MR，Z_MR)中的三维坐标值 $P_{\mathrm{MR}}=\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{mr}}\\ y_{\mathrm{mr}}\\ z_{\mathrm{mr}}\end{array}\right],$ 便可以通过方程P＝RP_MR+T计算出该HIFU系统10的坐标系12相对于所述的MRI系统20的坐标系22的旋转 $R=\left[\begin{array}{c}{R}_1,R_2,R_3\\ R_4,R_5,R_6\\ R_7,R_8,R_9\end{array}\right]$ 和平移 $T=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right]$ 的值，从而进行相应的切换。

本发明是采用MRI投影成像的方法来确定上述的基准标示器30在所述的MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值。

请同时参阅图2，为了在投影的时候获得高信噪比的信号，本发明的装置在所述的基准标示器30上分别设置线圈绕组32。所述的线圈绕组32通过同轴电缆34串联形成一个单一的线圈，其通过一个接口电路40连接到所述的MRI系统中以进行信号的接收，其中该接口电路40包括一调谐电路42用来对所述的串联的线圈绕组32进行调谐。进一步地，所述的基准标示器30中还含有造影剂(contrast agent)以获得高信噪比的信号，所述的造影剂例如可以为钆-DTPA(Gadolinium diethylenetriaminepentacetic acid)。

由于在本装置中设置在所述的基准标示器30上的线圈绕组32是串联连接而形成一个单—的线圈，因此只需要通过一个调谐电路42对其进行调谐。

由于该HIFU系统10的坐标系12相对于所述的MRI系统20的坐标系22的旋转 $R=\left[\begin{array}{c}{R}_1,R_2,R_3\\ R_4,R_5,R_6\\ R_7,R_8,R_9\end{array}\right]$ 和平移 $T=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right]$ 的值共包括十二个未知数，又由于在本实施例中采用了四个所述的基准标示器30，所以至少要在所述的MRI系统20中进行三次投影以获得足够多的所述的基准标示器30在所述的MRI系统20的坐标系22中的坐标值来建立方程求解该旋转和平移值。为了求解以及操作的方便，较佳地是从相互正交的方向来进行上述的至少三次投影。

虽然在本实施例中是采用四个基准标示器30在MRI系统20中进行至少三次正交方向的投影，但是可以理解地，在其他的实施例中，也可以采用其他数量的基准标示器30在MRI系统20中进行其他次数的投影，只要能获得足够多的基准标示器30在MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值来建立所述的方程即可。

请同时参阅图3，为了有效地减少所述的基准标示器30在上述投影时产生信号的重叠，所述的四个基准标示器30中，其中的一个基准标示器30被设置成与其他三个基准标示器30不同面。如图3下方的基准标示器30位于平面N-N上，而其他三个基准标示器30形成平面M-M，而平面N-N和平面M-M不共面。

请参阅图4，进行上述的投影后便可以探测到所述的基准标示器30在相应投影方向的一维傅立叶变换(Fourier Transforms)的峰值的位置，如图中所述的基准标示器的投影30’在轴X_MR和轴Z_MR上的峰值50上的位置，所述的位置经过反投影(back-projection)计算便可以得到所述的基准标示器30在该MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值。同理，所述的基准标示器30在其他投影方向的一维傅立叶变换(Fourier Transforms)的峰值的位置也可以被探测到，其相应的在该MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值也可以通过反投影计算得到。

由于所述的基准标示器30在该HIFU系统10的坐标系12中的三维座标值是已知的，而所述的基准标示器30在该MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值通过上述的方法便可以确定，因此该HIFU系统10的坐标系12相对于该MRI系统20的坐标系22的旋转R和平移T的值便可以通过方程P＝RP_MR+T计算得到，从而可以根据所述的旋转R和平移T的值将该HIFU系统的坐标系12切换到MRI系统20的坐标系22。

请参阅图5，相应地，本发明提出的将MRI引导的医疗设备10的坐标系切12换到MRI系统20的坐标系22的方法包括以下的步骤，其中所述的MRI引导的医疗设备10包括多个基准标示器30，所述的基准标示器30在所述的MRI引导的医疗设备10的坐标系12中的三维坐标值已知。

步骤S50：使用所述的MRI系统20对所述的基准标示器30进行多次投影。

为了在投影的时候获得高信噪比的信号，在所述的基准标示器30上分别设置线圈绕组32。所述的线圈绕组32通过同轴电缆34串联形成一个单一的线圈，其通过一个接口电路40连接到所述的MRI系统中以进行信号的接收，其中该接口电路40包括一调谐电路42用来对所述的串联的线圈绕组32进行调谐。进一步地，所述的基准标示器30中还含有造影剂以获得高信噪比的信号，所述的造影剂例如可以为钆-DTPA。在本实施例采用四个所述的基准标示器30的情况下，至少进行三次上述的投影，优选地，所述的四个基准标示器30中，其中的一个基准标示器与其他三个基准标示器不共面，而且所述的投影是正交方向上的投影。

步骤S51：根据所述的投影确定所述的基准标示器30在所述的MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值；其中步骤S51进一步包括：

步骤S51a：侦测各所述的投影的一维傅立叶变换的峰值50位置；以及

步骤S51b：根据反投影算法确定所述的基准标示器30在所述的MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值。

步骤S52：根据所述的基准标示器30在所述的MRI引导的医疗设备10的坐标系12以及在所述的MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值计算切换所需的旋转和平移值；

其中，根据下面方程计算上述的旋转和平移值：

尸＝RP_MR+T，其中

$P=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$ 是所述的基准标示器30在所述的MRI引导的医疗设备10的坐标系12中的三维坐标值；

$P_{\mathrm{MR}}=\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{mr}}\\ y_{\mathrm{mr}}\\ z_{\mathrm{mr}}\end{array}\right],$ 是所述的基准标示器30在所述的MRI系统20的坐标系22中的三维坐标值；

$R=\left[\begin{array}{c}{R}_1,R_2,R_3\\ R_4,R_5,R_6\\ R_7,R_8,R_9\end{array}\right],$ 是切换所需的旋转值；以及

$T=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right],$ 是切换所需的平移值。

步骤S53：根据算出的旋转R和平移T的值将所述的MRI引导的医疗设备10的坐标系12切换到所述的MRI系统20的坐标系22中。

Claims (12)

1.一种将MRI引导的医疗设备(10)的坐标系(12)切换到MRI系统(20)的坐标系(22)的装置，包括多个设置在所述的MRI引导的医疗设备(10)中的基准标示器(30)，各所述的基准标示器(30)上设置线圈绕组(32)，所述的线圈绕组(32)用来确定基准标示器(30)在MRI系统(20)的坐标系(22)中的位置，其特征在于：所述的线圈绕组(32)串联连接成一个单一的线圈，该串联连接的线圈绕组(32)通过接口电路(40)接入所述的磁共振系统(20)。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述的接口电路(40)包括调谐电路(42)。

3.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述的线圈绕组(32)通过同轴电缆(34)相连接。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于：各基准标示器(30)含有造影剂。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于：所述的造影剂是钆-DTPA。

6.根据权利要求1的装置，包括四个所述的基准标示器(30)，其中的一个基准标示器与其他三个不同面。

7.根据上述权利要求中任意一项的装置，其特征在于：所述的MRI引导的医疗设备(10)是高强度聚焦超声系统。

8.一种将MRI引导的医疗设备的坐标系切换到MRI系统的坐标系的方法，所述的MRI引导的医疗设备包括多个基准标示器，在所述的多个基准标示器上分别设置有线圈绕组，所述的线圈绕组串联连接成一个单一的线圈，所述的基准标示器在所述的MRI引导的医疗设备的坐标系中的三维坐标值已知，所述的方法包括以下步骤：

a)使用所述的MRI系统对所述的基准标示器进行多次投影；

b)根据所述的投影确定所述的基准标示器在所述的MRI系统的坐标系中的三维坐标值；

c)根据所述的基准标示器在所述的MRI引导的医疗设备的坐标系以及在所述的MRI系统的坐标系中的三维坐标值计算切换所需的旋转和平移值；以及

d)根据算出的旋转和平移值将所述的MRI引导的医疗设备的坐标系切换到所述的MRI系统的坐标系中。

9.根据权利要求8的方法，步骤b)进一步包括：

1)侦测各所述的投影的一维傅立叶变换的峰值位置；以及

2)根据反投影算法确定所述的基准标示器在所述的MRI系统的坐标系中的三维坐标值。

10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于：根据下面方程计算步骤c)中的旋转和平移值：

P＝RP_MR+T，其中

$P=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$ 是所述的基准标示器在所述的MRI引导的医疗设备的坐标系中的三维坐标值；

$P_{\mathrm{MR}}=\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{mr}}\\ y_{\mathrm{mr}}\\ z_{\mathrm{mr}}\end{array}\right],$ 是所述的基准标示器在所述的MRI系统的坐标系中的三维坐标值；

$R=\left[\begin{array}{c}{R}_1,R_2,R_3\\ R_4,R_5,R_6\\ R_7,R_8,R_9\end{array}\right],$ 是切换所需的旋转值；以及

$T=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right],$ 是切换所需的平移值。

11.根据权利要求8的方法，包括四个所述的基准标示器，其中的一个基准标示器与其他三个不同面。

12.根据权利要求8的方法，其特征在于：在正交方向上进行所述的投影。

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