CN101983341B - 用于校准磁感应断层成像系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准成像系统的偏移的方法和设备。本发明的核心思想在于：将参考物体置于成像系统的测量室中；在不同时间点测量与参考物体关联的信号；根据参数的变化计算评价函数，所述参数表示参考物体的电磁特性；导出使得评价函数的值最小的一组最优偏移数据，以便在随后的图像重构中补偿系统的偏移。在一个实施例中，本发明使用了包括不传导外壳和腔体的参考物体，传导流体可以填充到该参考物体中，也可从该参考物体中清空，这样，可以减少监测期间由参考物体引起的成像干扰。

Description

用于校准磁感应断层成像系统的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于校准例如磁感应断层成像系统的成像系统的方法和设备。

背景技术

磁感应断层成像术(MIT)是一种应用于工业和医疗成像中的非侵入式成像技术。和其他电成像技术相对照，MIT不需要传感器与待成像的物体直接接触。

MIT利用来自一个或多个发生器线圈(也称为激励线圈)的磁场以便在待研究的物体(即材料)中感应出涡流。换言之，用时变磁场来激励扫描区。传导和/或可渗透材料的存在使得其中的激励场发生扭曲。所述初级磁场的扰动即由涡流引起的次级磁场，是通过许多传感器线圈(也称为测量线圈、检测线圈或接收线圈)来检测的。获取成组测量结果，用于恢复物体的位置、形状和电磁特性。MIT对所有三个被动电磁特性都敏感：电导率、介电常数和磁导率。结果，例如可以在目标物体中重构电导率的贡献。具体说来，MIT适用于检查生物组织，因为这种组织的磁导率的值μ_R≈1。

现有技术专利申请WO2007072343公开了一种用于研究物体的电磁特性的磁感应断层成像系统，该系统包括：一个或多个适用于产生初级磁场的发生器线圈，所述初级磁场在物体中感应出涡流；一个或多个适用于检测次级磁场的传感器线圈，所述次级磁场作为所述涡流的结果而产生；用于提供一方面的一个或多个发生器线圈和/或一个或多个传感器线圈和另一方面的待研究的物体之间的相对运动的装置。通过相对于目标物体移动发生器线圈和/或传感器线圈，就可增大独立测量的数量而无需更多的线圈。结果，可以更加容易地对灵敏度矩阵求逆，解更加稳定，并且重构图像的空间分辨率更高。

MIT系统的一个主要应用是在生物医学监测领域。在这种情况下，需要该系统工作长的时间。系统偏移尤其是温度引起的偏移，可能影响测量的精度。电子设备通常在不同的温度条件下具有不同的相延特性，并且机械结构在温度变化时也将发生改变。所有这些变化都可能影响需要以毫度精度测量的系统的精度。因此，必须经常对所述成像系统进行校准。在常规的校准方法中，患者必须离开测量室。显然，在监测的是严重受伤的患者时，进行这种校准并不方便，患者的任何动作都将加重他/她的病情。

因此，需要提供一种用于不移动受监测患者而校准成像系统的方法和设备，以提高系统精度。

发明内容

本发明的一个目的是校准成像系统。本发明是通过提供一种校准成像系统的方法来实现这个目的的，该方法包括：

-第一测量步骤，其测量与置于成像系统的测量室中的参考物体关联的磁感应信号，以便获得第一组测量数据；

-根据所述第一组测量数据和一组偏移数据计算第一组参数的步骤，所述第一组参数表示参考物体的电磁特性，该偏移数据组是所述系统的偏移的初始估计；

-第二测量步骤，其测量与置于测量室中的参考物体和感兴趣物体关联的磁感应信号，以便获得第二组测量数据；

-根据所述第二组测量数据和所述偏移数据组计算第二组参数的步骤，所述第二组参数表示参考物体和感兴趣物体的电磁特性；

-根据测量室中参考物体的形状和/或位置从所述第二组参数导出第三组参数的步骤，所述第三组参数表示参考物体的电磁特性；和

-从所述第一和第三组参数导出一组最优偏移数据的步骤，该最优偏移数据组是所述系统的偏移的估计；和

-用所述最优偏移数据组更新所述偏移数据组的步骤。

通过计算基于表示参考物体的电磁特性并且由测得的信号导出的参数变化的评价函数，该方法可以导出一组使得该评价函数最小的最优偏移数据，从而可以补偿所述成像系统的偏移的影响，即降低成像系统偏差所引起的不精确度，而不将感兴趣物体移出测量室。

有利的是，在一个实施例中，该参考物体包括不传导外壳和由该外壳形成的腔体，该方法还包括步骤：

-在所述第一测量步骤或所述第二测量步骤之前将传导流体填充到参考物体的腔体中；

-在所述第二测量步骤之后从该腔体中清空所述传导流体。

通过从参考物体的腔体中清空传导流体，在测量室中只留下参考物体的不传导外壳，这使得在监测患者期间由参考物体引起的磁干扰最小，从而改善了图像质量。

本发明的另一个目的是校准成像系统的偏移。本发明是通过提供一种用于校准成像系统的偏移的设备来实现这个目的的，该设备包括：

-测量单元，其用于测量与置于所述系统的测量室中的参考物体关联的磁感应信号以便获得第一组测量数据，并且测量与置于测量室中的参考物体和感兴趣物体关联的磁感应信号以便获得第二组测量数据；

-第一计算器，其用于根据所述第一组测量数据和一组偏移数据计算第一组参数并且用于根据所述第二组测量数据和该偏移数据组计算第二组参数，所述第一组参数表示参考物体的电磁特性，所述第二组参数表示参考物体和感兴趣物体的电磁特性，所述偏移数据组是所述系统的偏移的初始估计；

-第二计算器，其用于根据测量室中参考物体的已知形状和/或已知位置从所述第二组参数导出第三组参数，所述第三组参数表示参考物体的电磁特性；

-第一处理单元，其用于从所述第一和第三组参数导出一组最优偏移数据，该最优偏移数据组是所述系统的偏移的估计；

-第二处理单元，其用于利用所述最优偏移数据组更新所述偏移数据组。

在另一个实施例中，当参考物体包括不传导外壳和由该外壳形成的腔体时，该设备还包括：填充单元，其用于将传导流体填充到参考物体的腔体中；清空单元，其用于从该腔体中清空所述传导流体；第一控制器，其用于控制所述填充单元和所述清空单元。

下面将描述本发明的详细解释和其他方面。

附图说明

根据下面参考附图的详细说明，本发明的上述以及其他目的和特征将变得更加显而易见，在附图中：

图1为示例地表示依照本发明的成像系统测量室的一个实施例的示意图；

图2为依照本发明的方法的第一流程图；

图3为依照本发明的方法的第二流程图；

图4为示例地表示依照本发明的成像系统的一个实施例的方框图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相似的部件。

具体实施方式

图1为示例地表示依照本发明的成像系统测量室的一个实施例的示意图。

在图1所示的实施例中，测量室100是成像系统的一部分，它由圆形体103形成，用于容纳待成像的物体。这些待成像的物体限定了用于成像的感兴趣物体101，例如患者头部，或者其身体的其他部位。这些待成像的物体也可以包括一个或多个参考物体102，其如下文所解释的可以用于校准成像系统的偏移。

图2为校准成像系统的偏移的方法的第一流程图。

依照本发明，该方法包括第一测量步骤204，其测量与置于所述系统的测量室100中的参考物体102关联的磁感应信号，以便获得第一组测量数据。如图1所示，参考物体102可以包括几个具有预定形状的传导结构体，每个结构体可以置于测量室100中的预定位置。

在用于生物医学监测的磁感应断层成像系统的应用中，所述第一测量步骤包括子步骤：通过提供激励信号产生初级磁场，该初级磁场在待测量的物体中感应出涡流；检测次级磁场以便产生相应的测量数据组，所述次级磁场作为所述涡流的结果而产生，并且由一组测量数据表示。所述第一组测量数据可以包括相差矢量，每个相差反映了激励信号和测得的磁感应信号之间的电压差。

该方法还包括步骤206，其根据所述第一组测量数据和一组偏移数据计算第一组参数，所述第一组参数表示参考物体的电磁特性，所述初始偏移数据组是所述系统的偏移的初始估计。

计算步骤206遵循图像重构理论，例如遵循传导率计算和图像重构的方法，在现有技术文献“Image reconstruction approaches for Philipsmagnetic induction tomography(用于Philips磁感应断层成像的图像重构方法)”，M.Vauhkonen，M.Hamsch and C.H.Igney，ICEBI 2007，IFMBE Proceedings 17，pp.468-471，2007中描述了所述传导率计算和图像重构。

所述初始偏移数据组可以通过在测量室为空时测量获得。可替换地，所述初始偏移数据组可以通过经验的偏移数据组来确定，或者结合针对空的测量室的测量数据和经验的偏移数据组来确定。

该方法还包括第二测量步骤210，其测量与置于测量室100中的参考物体102和感兴趣物体101关联的磁感应信号，以便获得第二组测量数据。所述第二测量步骤210与所述第一测量步骤204相似，主要差别在于待测量物体包括参考物体102和感兴趣物体101两者。在第一测量步骤204之后，将感兴趣物体101置于测量室中而不移动参考物体102，并且感兴趣物体101在测量空间中不与参考物体102重叠。感兴趣物体101可以是患者头部，或者某种具有待分析特殊电磁特性的可感知材料。

该方法还包括步骤212，其根据所述第二组测量数据和所述偏移数据组计算第二组参数，所述第二组参数表示参考物体和感兴趣物体的电磁特性。类似于步骤206中执行的计算，计算步骤212例如通过使用上述现有技术中描述的方法而遵循相同的图像重构理论。

该方法还包括步骤216，其根据测量室中参考物体的已知形状和/或已知位置从所述第二组参数导出第三组参数，所述第三组参数表示参考物体的电磁特性。

当测量室100中参考物体102的位置已知即预定时，表示感兴趣物体101和参考物体102的电磁特性的第二组参数可以分成两部分：第一部分表示参考物体的电磁特性(所述第三组参数)并且可以用于以下的评价函数计算；第二部分表示感兴趣物体的电磁特性(第四组参数)并且可以用于表示感兴趣物体三维电磁特性的图像的进一步重构。

该方法还包括步骤218，其从所述第一和第三组参数导出一组最优偏移数据，该最优偏移数据组是所述系统的偏移的估计。在一个实施例中，导出步骤218包括计算由下式定义的评价函数F(S₁，S₃)的子步骤：

$F(S_1,S_3)=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\σ}}_i-{{\mathrm{\σ}}_i}^{\′})}^2}/(M-1)---\left(1\right)$

式中，S₁、S₃分别表示包括M个元素的所述第一和第三组参数，σ_i和σ_i’分别表示S₁和S₃中第i个元素的数据值，即与测量空间中的第i个三维点对应的参考物体的传导率。评价函数是所述第三组参数的质量指示。评价函数的值越小，表示所述第三组参数的质量越好。当评价函数的值大于预先确定的阈值时，就需要进行校准以补偿成像系统的偏移。在这种情况下，应该为所述校准找出使得评价函数的值最小的一组最优偏移数据。

导出步骤218还包括更新所述偏移数据组从而获得经过更新的第一和第三组参数以便计算评价函数的子步骤。所述两个子步骤迭代执行，直到获得了使得评价函数的值最小的一组最优偏移数据。

导出一组最优偏移数据的方法有许多。例如，可以在所述偏移数据组上使用Newton-Raphson最优化过程来最小化评价函数的值。

该方法还包括用所述最优偏移数据组来更新所述偏移数据组的步骤220。通过将所述最优偏移数据组用于计算表示待测量物体的电磁特性的所述第二组参数，可以补偿并且从而自校准由所述成像系统的偏移引起的不精确度，而不用将患者搬移出测量室。

该方法还包括监测感兴趣物体的步骤222。这可以通过重复执行下列步骤来完成：测量步骤210；使用经过更新的偏移数据组的计算步骤212；类似于步骤216的步骤，其从一组经过更新的、表示感兴趣物体和参考物体的电磁特性的参数导出表示感兴趣物体的电磁特性的第四组参数；从所述第四组参数重构图像以便进行监测的步骤。

在另一个实施例中，所述方法还包括步骤224，其控制执行所述校准过程以便补偿所述系统的偏移的时刻。例如，可以通过设定校准间隔来定期地执行所述校准过程。

有利的是，可以在需要的时候执行校准过程。当在步骤210中连续监测期间测量与参考物体和感兴趣物体关联的磁感应信号时，这是可能的。在这种情况下，可以像在步骤216中描述的那样将在步骤210中获得的参数组分成两部分。然后，可以计算测量结果的评价函数以便评估成像系统与其最后一次校准的偏移量。当评价函数的值大于预先确定的阈值时，将执行校准过程以找出所述最优偏移数据组。否则，可以将这些参数的第二部分即所述第四组参数用于感兴趣物体的成像。

图3为依照本发明的方法的第二流程图。

图2和图3中示出的方法之间的主要区别在于，当监测感兴趣物体时是否测量与参考物体关联的信号。在图2和图3中，相同附图标记用于指示具有相同或相似功能的步骤。

在参照图3的校准方法中，用于校准的参考物体102包括不传导外壳402和由该不传导外壳形成的腔体403。该方法还包括：步骤304，其在所述第一测量步骤204之前将传导流体填充到参考物体102的腔体403中；步骤314，其在所述第二测量步骤210之后从该腔体403中清空所述传导流体。

该方法还包括监测感兴趣物体的步骤322。在这个步骤中，可以通过迭代执行下列步骤来连续监测感兴趣物体：测量与感兴趣物体关联的信号来获得一组测量数据；根据该组测量数据和所述偏移数据组计算一组参数，该组参数表示感兴趣物体的电磁特性；使用该组参数重构感兴趣物体的图像。

该方法还包括步骤326，其控制执行所述校准过程以便补偿所述系统的偏移的时刻。当需要进行校准时，再次用传导流体填充参考物体的腔体(步骤328)，所述过程返回步骤210以测量与经过填充的参考物体和感兴趣物体关联的信号。

在这些应用中，当在两个校准之间的时间段期间监测感兴趣物体时，从参考物体的腔体中清空传导流体，在测量室中只留下参考物体的不传导外壳。按照这种方式，由参考物体特别是传导流体引起的成像干扰大大减少，这导致感兴趣物体的更好的成像质量。

如图2和3中示出的上述方法可以分别用软件或硬件来实现，或者用两者的组合来实现。

图4为示例地表示依照本发明的校准设备400的一个实施例的方框图。

设备400包括测量单元410，其用于测量与置于所述系统的测量室100中的参考物体102关联的磁感应信号以便获得第一组测量数据，并且测量与置于测量室100中的参考物体102和感兴趣物体101关联的磁感应信号以便获得第二组测量数据。测量单元410旨在执行步骤204和210的功能。

在一个实施例中，测量单元410包括：一个或多个发生器线圈，其设置用于通过提供激励信号来产生初级磁场，该初级磁场在待测量物体中感应出涡流；一个或多个传感器线圈，其设置用于检测次级磁场以便产生相应的测量数据组，该次级磁场作为所述涡流的结果而产生并且由一组测量数据表示。

设备400还包括测量单元410，其用于测量与置于所述系统的测量室中的参考物体关联的磁感应信号以便获得第一组测量数据，并且测量与置于所述测量室中的参考物体和感兴趣物体关联的信号以便获得第二组测量数据。测量单元410旨在执行步骤204和210的功能。

在另一个实施例中，测量单元410包括：一个或多个发生器线圈，其设置用于通过提供激励信号来产生初级磁场，该初级磁场在待测量物体中感应出涡流；一个或多个传感器线圈，其设置用于检测次级磁场以便产生相应的测量数据组，该次级磁场作为所述涡流的结果而产生并且由一组测量数据表示。

该设备还包括第一计算器420，其用于根据所述第一组测量数据和一组偏移数据计算第一组参数并且用于根据所述第二组测量数据和所述偏移数据组计算第二组参数，所述第一组参数表示参考物体的电磁特性，所述第二组参数表示参考物体和感兴趣物体的电磁特性，所述偏移数据组是所述系统的偏移的初始估计。该计算器420旨在执行步骤206和212的功能。

该设备还包括第二计算器430，其用于根据测量室中参考物体的已知形状和/或已知位置从所述第二组参数导出第三组参数，所述第三组参数表示参考物体的电磁特性。该第二计算器430旨在执行步骤216的功能。

该设备还包括第一处理单元440，其用于从所述第一和第三组参数导出一组最优偏移数据，所述最优偏移数据组是所述系统的偏移的估计。该第一处理单元440旨在执行步骤218的功能。

该设备还包括第二处理单元450，其用于利用所述最优偏移数据组更新所述偏移数据组，即旨在执行步骤220的功能。

应当注意的是，所述第一计算器420、第二计算器430、所述第一处理单元440和所述第二处理单元450中的全部或一些可以在一个处理器中实现。

有利的是，用于校准的参考物体包括不传导外壳402和由该不传导外壳形成的腔体403。在这种情况下，设备400还包括：填充单元462，其用于将传导流体填充到参考物体的腔体中；清空单元464，其用于从参考物体的腔体中清空所述传导流体。

在一个实施例中，填充单元462和清空单元464可以由一种泵系统来实现，所述泵系统连接到贮存传导液体的液体容器468中并且由第一控制器466控制。

设备400还包括第二控制器472，其用于控制测量与参考物体和感兴趣物体关联的信号以便校准所述系统的偏移的时刻，即旨在执行步骤224和324的功能。

有利的是，所述泵系统连接到不止一个用于贮存具有不同传导率的不同流体的液体容器，而所述控制器可以依照不同的监测应用从不同的液体容器中选择这些流体中的一种。

应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，本领域技术人员将能够设计出可替换的实施例而不偏离所附权利要求的范围。在这些权利要求中，置于括号中的任何附图标记都不应当被视为限制了权利要求。动词“包括”及其变化的使用并不排除存在权利要求或说明书中所列出的元件或步骤之外的元件或步骤。元件之前的不定冠词“一”或“一个”的使用并不排除存在多个这样的元件。本发明可以由包括若干不同元件的硬件以及由经过编程的计算机来实现。在列举了若干单元的设备权利要求中，这些单元中的一些可以由同一硬件或软件项来实施。词语第一、第二和第三等等的使用并不意味着任何排序。这些词语应当被解释为用来命名。

Claims (13)

1.一种校准成像系统的方法，该方法包括：

-第一测量步骤(204)，其测量与置于该成像系统的测量室(100)中的参考物体(102)关联的磁感应信号，以便获得第一组测量数据；

-第一计算步骤(206)，其根据所述第一组测量数据和一组偏移数据计算第一组参数，所述第一组参数表示所述参考物体(102)的电磁特性，所述偏移数据组是所述系统的偏移的初始估计；

-第二测量步骤(210)，其测量与置于所述测量室(100)中的所述参考物体(102)和感兴趣物体(101)关联的磁感应信号，以便获得第二组测量数据；

-第二计算步骤(212)，其根据所述第二组测量数据和所述偏移数据组计算第二组参数，所述第二组参数表示所述参考物体(102)和感兴趣物体(101)的电磁特性；

-第一导出步骤(216)，其根据测量室中所述参考物体(102)的形状和/或位置从所述第二组参数导出第三组参数，所述第三组参数表示所述参考物体的电磁特性；和

-第二导出步骤(218)，其从所述第一和第三组参数导出一组最优偏移数据，该最优偏移数据组是所述系统的偏移的估计；和

-更新步骤(220)，其用所述最优偏移数据组更新所述偏移数据组。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

-在所述第一测量步骤(204)或所述第二测量步骤(210)之前将传导流体填充(304、328)到所述参考物体(102)的腔体(403)中；和

-在所述第二测量步骤(210)之后从所述腔体(403)中清空(314)所述传导流体。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括控制测量与所述参考物体和感兴趣物体关联的信号以便校准所述系统的偏移的时刻的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中第一和第二测量步骤包括子步骤：

-通过提供激励信号产生初级磁场，该初级磁场在待测量的物体中感应出涡流；和

-检测次级磁场以使产生相应的测量数据组，所述次级磁场作为所述涡流的结果而产生，并且由一组测量数据表示。

5.如权利要求4所述的方法，其中导出一组最优偏移数据的步骤包括迭代的子步骤：

-计算由下式定义的评价函数：

$F(S_1,S_3)=\sqrt{\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\σ}}_i-{{\mathrm{\σ}}_i}^{\′})}^2}/(M-1)$

式中：S₁、S₃分别表示包括M个元素的所述第一和第三组参数，σ_i和σ_i’分别表示S₁和S₃中第i个元素的数据值，F(S₁，S₃)表示评价函数；和

-更新该偏移数据组从而获得经过更新的第一和第三组参数以便计算评价函数，直到获得使得评价函数的值最小的一组最优偏移数据。

6.如权利要求5所述的方法，其中每组测量数据中的每个数据与响应于激励信号的相差对应，每组参数中的每个数据与位于测量室中一个位置处的待测量物体的传导率估计对应。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述偏移数据组的初始估计通过测量与空的测量室(100)关联的磁感应信号和/或通过一组预定的偏移数据来确定。

8.一种用于校准成像系统的偏移的设备(400)，该设备包括：

-测量单元(410)，其用于测量与置于所述系统的测量室中的参考物体关联的磁感应信号以便获得第一组测量数据，并且测量与置于所述测量室中的所述参考物体和感兴趣物体关联的磁感应信号以便获得第二组测量数据；

-第一计算器(420)，其用于根据所述第一组测量数据和一组偏移数据计算第一组参数并且用于根据所述第二组测量数据和所述偏移数据组计算第二组参数，所述第一组参数表示所述参考物体的电磁特性，所述第二组参数表示所述参考物体和感兴趣物体的电磁特性，所述偏移数据组是所述系统的偏移的初始估计；

-第二计算器(430)，其用于根据测量室中所述参考物体的已知形状和/或已知位置从所述第二组参数导出第三组参数，所述第三组参数表示所述参考物体的电磁特性；

-第一处理单元(440)，其用于从所述第一和第三组参数导出一组最优偏移数据，该最优偏移数据组是所述系统的偏移的估计；和

-第二处理单元(450)，其用于利用所述最优偏移数据组更新所述偏移数据组。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述参考物体包括不传导外壳(402)和由该外壳(402)形成的腔体(403)，该设备还包括：填充单元(462)，其用于将传导流体填充到所述参考物体的腔体(403)中；清空单元(464)，其用于从该腔体中清空所述传导流体；以及第一控制器(466)，其用于控制所述填充单元和所述清空单元。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述填充单元(462)和清空单元(464)由泵系统来实现，所述泵系统连接到至少一个贮存液体的液体容器(468)中。

11.如前述权利要求8-10中任何一项所述的设备，还包括第二控制器(472)，其用于控制测量与所述参考物体和感兴趣物体关联的信号以便校准所述系统的偏移的时刻。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述测量单元(410)包括：

一个或多个发生器线圈(412)，其设置用于通过提供激励信号来产生初级磁场，该初级磁场在待测量物体中感应出涡流；和

一个或多个传感器线圈(414)，其设置用于检测次级磁场以便产生相应的测量数据组，该次级磁场作为所述涡流的结果而产生并且由一组测量数据表示。

13.一种成像系统，包括如权利要求8-12中任何一项所述的设备(400)。

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