CN102883655B - 医学成像系统中的运动补偿和患者反馈 - Google Patents

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Abstract

一种用于对解剖结构进行成像的光学运动感测系统（10）采用光学运动传感器（20），光学运动传感器（20）包括体轮廓顺应基质（“BCCM”）（30）和光纤（40）。在BCCM（30）接合至所述解剖结构时，BCCM（30）结构上至少部分顺应所述解剖结构的表面轮廓，以交换所述解剖结构的任何运动。所述光纤（40）至少部分嵌入BCCM（30）中，用于生成编码光信号（42），所述编码光信号（42）指示所述光纤（40）的响应于对所述解剖结构的成像期间BCCM（30）的任何交换运动的形状。所述系统（10）还采用运动跟踪器（50），运动跟踪器（50）响应于所述编码光信号（42）来周期性地重建所述光纤（40）的所述形状，所述光纤（40）的形状的每个改变表示所述解剖结构的运动。

Description

医学成像系统中的运动补偿和患者反馈
技术领域
本发明总体涉及用于成像系统中的时间分辨的成像和运动伪影补偿的精确和时间高效的运动跟踪。本发明具体涉及光学运功传感器，其并入有嵌入体轮廓顺应基质(matrix)中的一个或多个光纤。
背景技术
运动伪影是在对对象进行成像期间由成像对象或成像对象的一部分的运动引起的。从而，在患者的图像帧的序列获取期间的患者的运动在患者的显示的图像中引起伪影。更具体地，在图像帧序列期间，患者可以主动移动或经历非主动的移动(例如，呼吸、心脏运动和血流、眼运动和吞咽)，并且该患者移动可以导致患者的显示的图像中的模糊和/或幻影。因此，精确且时间高效的运动跟踪对成像系统中的运动伪影的运动补偿是关键的。
然而，运动跟踪高度取决于成像系统自身的能力(例如，X射线荧光系统、三维超声系统(“3D US”)、时间分辨的磁共振成像系统(“MRI”)、以及计算机断层摄影系统(“CT”))。典型地，此种运动跟踪受到成像帧速率(例如，对于3D US为12Hz)的限制，并且经常能够涉及特殊的获取序列和处理(例如，MRI中跟踪脉冲序列与成像序列交替)。另外，对于每个成像形态，还存在在图像帧获取和/或图像重建期间整合心电图、呼吸、和其它生理信号作为门控触发器的能力。因此，运动跟踪和随后的补偿是耗时的并且经常没有固有高帧速率成像精确(例如运动补偿的CT重建相比于用于心脏成像的实时回声)。
发明内容
与当前运动跟踪系统相比，本发明提供用于高精度、实时患者位置信息的能够潜在地提高图像质量并缩短图像获取时间的光学运动传感器。更具体地，本发明容许对感兴趣的目标固有的在光学运动传感器中直接反映的运动进行跟踪和补偿。
本发明的一种形式是用于解剖结构的成像中的光学运动感测系统。光学运动感测系统采用光学运动传感器和具有光学运动传感器的运动跟踪器，光学运动传感器包括体轮廓顺应基质(“BCCM”)和一个或多个光纤。为本发明的目的，术语“解剖结构”于此宽泛地定义为人体或动物体的任何结构特征，该特征是外部的或内部的或外部或内部可接近的。范例包括，但不限于，体躯干/肢和器官系统。
在接合至解剖结构时，BCCM结构上部分或完全顺应解剖结构的表面轮廓，以交换解剖结构的任何运动。更具体地，BCCM可以附接至或毗邻解剖结构，由此BCCM结构弯曲、伸展、膨胀、和/或压缩以部分或完全顺应解剖结构的表面轮廓。同样，BCCM积极地或消极地交换解剖结构的任何线性移动和/或角移动，和/或解剖结构的任何结构弯曲、伸展、膨胀和/或压缩。
每个光纤嵌入BCCM中，用于生成指示单个(多个)光纤的响应于对解剖结构的成像期间BCCM的任何交换(reciprocal)运动的形状的编码光信号。
运动跟踪器响应于每个编码光信号来周期性地重建对应的单个(多个)光纤的形状。单个(多个)光纤的几何结构重建之间单个(多个)光纤的形状的每个改变表示对解剖结构的成像期间解剖结构的运动。例如，运动跟踪器可以针对对解剖结构的成像的每帧或成系列的帧重建单个(多个)光纤的形状，由此每个帧或成系列的帧之间的单个(多个)光纤的形状的每个改变表示所述解剖结构的线性和/或角移动、和/或所述解剖结构的结构弯曲、伸展、膨胀和/或压缩。
结合附图阅读本发明的各范例实施例的以下详细描述，本发明的前述形式和其它形式以及本发明的各特征和优点将变得更加明显。详细描述和附图仅是示例本发明，而不是限制本发明，本发明的范围由所附权利要求及其等效物定义。
附图说明
图1示例了根据本发明的医学成像系统的范例实施例；
图2示例了根据本发明的光学运动传感器的范例实施例；
图3和4示例了本领域已知的光纤的范例实施例；
图5和6示例了根据本发明的图2中所示的光学运动传感器的范例实施例；
图7示例了根据本发明的图1中所示的医学成像系统的范例实施例；
图8示例了代表根据本发明的运动补偿/患者反馈方法的范例实施例的流程图。
具体实施方式
如图1中所示，本发明的医学成像系统采用光学运动感测系统10、成像系统60(例如，X射线装置、MRI、CT、US、IVUS)以及一个或多个反馈系统70。
系统10采用包括BCCM 30、一个或多个光纤40以及运动跟踪器50的光学运动传感器20。为本发明的目的，BCCM 30于此宽泛地定义为结构上配置为，在接合至解剖结构(例如，附接至或毗邻解剖结构)时，结构上部分或完全顺应解剖结构的表面轮廓的任何物品或装置。通过结构上顺应解剖结构的表面轮廓，由BCCM 30积极地或消极地交换(reciprocate)解剖结构的任何运动，如于此接合图7的描述进一步解释的。BCCM 30的范例包括，但不限于，用于环绕人肢的套、用于附着至人肢的绷带、用于覆盖人头的帽子和用于邻接人器官(例如，心脏或动脉)的导管充气囊。
为本发明的目的，每个光纤40于此宽泛地定义为，结构上配置为用于借助于连续内部光学反射经由变形光学传感器阵列41传输光的任何物品，并且每个变形光学传感器阵列41于此宽泛地定义为，结构上配置为用于反射特定波长的光，而透射所有其它波长的光，由此反射波长可以作为施加于光纤40的外部刺激的函数而偏移的任何物品。光纤40的范例和变形光学传感器阵列41包括，但不限于，如本领域已知的并入有沿光纤的长度集成的光纤布拉格光栅的阵列的柔性光学透明玻璃或塑料光纤，以及如本领域已知的沿光纤的长度发生光折射率的自然变化的柔性光学透明玻璃或塑料光纤。
在利用嵌入BCCM 30内的一个或多个光纤40的操作中，每个光纤40经由变形光学传感器阵列41生成编码光信号(“EOS”)42，光信号(“EOS”)42如本领域已知的指示光纤40的任何瞬时形状采样时光纤40的形状，并且更具体地，在多重形状采样的过程中，光信号(“EOS”)42指示BCCM30交换解剖结构的运动时发生的光纤40的形状的每个改变。编码光信号42因此有助于视觉显示解剖结构在任何瞬时在定义的空间内的位置和取向中以及视觉显示解剖结构在定义的空间内的运动跟踪(tracking)中使用光纤40。
为此目的，系统10还采用运动跟踪器50，运动跟踪器50并入有光学接口51、形状重建器52以及反馈生成器53，用于处理编码光信号42以由此周期性地重建光纤40的部分或整个形状。为本发明的目的，光学接口51于此宽泛地定义为，结构上配置为用于通过光纤30发送光以接收例如经由变形光学传感器阵列41通过发送的光的连续内反射生成的编码光信号42的任何装置或系统。光学接口51的范例包括，但不限于，本领域已知的光学耦合器、宽带参考反射器和频域反射计的布置，用于通过光纤40发送光并用于接收经由变形光学传感器阵列41通过发送的光的连续的内反射生成的编码光信号42。
为本发明的目的，形状重建器52宽泛地定义为任何物品或装置，该任何物品或装置结构上配置为用于处理编码光信号42以部分或完全重建光纤40的形状，并用于以使得成像系统60能够补偿解剖结构的成像中归因于解剖结构的成像期间解剖结构的移动的运动引起的畸变。更具体地，光纤40的几何结构重建之间光纤40的形状的任何改变表示系统60的成像期间解剖结构的运动。同样，运动补偿数据51a将解剖结构的任何感测和跟踪的运动通知给成像系统60，由此成像系统60可以执行已知的图像运动补偿算法以最小化，如果不是消除的话，解剖结构的成像中的任何幻影或模糊。因此，可以实现成像系统60的高精度图像重建，特别是关于低帧速率成像。
形状重建器52的范例包括，但不限于，作为软件和/或固件安装于任何类型的计算机上用于实施已知的形状重建技术的重建引擎。特别是，用于将编码光信号42关联到集成到光纤40的形状中的应变/弯曲测量中的已知的形状重建技术。实践中，重建引擎可以集成到成像系统60中。
为本发明的目的，反馈生成器53于此宽泛地定义为用于将运动跟踪数据54转换为反馈数据55，以将运动反馈提供给成像系统60和一个或多个反馈系统70的任何物品或装置。
在第一范例实施例中，反馈生成器53可以生成并传输闭环控制数据(“CCD”)55a到成像系统60，以使得成像系统60能够自动调节系统的各成像方面。例如，闭环控制数据55a可以有助于通过成像系统60的自动扫描调节，涉及患者相对于成像系统60的位置的确定和基于患者定位的解剖结构的高质量图像的重建。
在第二范例实施例中，反馈生成器53可以生成并传输视频/音频数据(“VAD”)55b给反馈系统70，反馈系统70具有带扬声器和/或耳塞的监视器，以给患者呈现关于解剖结构的成像期间患者的任何移动的视频和/或音频反馈。患者因此可以如所需地调节他/她的身体定位、心理状态和/或身体状态(例如，呼吸深度和速率)，以促进解剖结构的精确成像。此外，视频/音频反馈可以包括最大容许的运动的信息用于精确成像。例如，视觉反馈可以包括两(2)条平行线和点，线指示容许的最大运动，而点指示患者的当前位置，并且在患者运动在平行线以外的任何时候，可以呈现音频反馈。患者因此可以主动调节他/她的位置。
在第三范例实施例中，反馈生成器53可以生成并传输患者控制数据(“PCD”)55c给反馈系统，反馈系统用于阻遏患者的移动和/或控制患者的定位。例如，患者控制数据55c可以转换为经由BCCM 30或任何其它物品或装置施加于患者上以阻遏患者的任何不可接受的移动的力。也通过范例，患者控制数据55c可以转换为用于介入装置(例如，导管)的控制信号，以保持患者相对于成像系统60的定位。
在第四范例实施例中，反馈生成器53可以生成并传输感测控制数据(“SCD”)55d给与成像系统60关联的反馈系统或具有反馈系统70的另一感测系统(例如，用于手术仪器的电磁跟踪装置)。例如，感测控制数据55d可以转换为用于执行位置和/或取向改变的信号，用于成像系统60(例如MR线圈)或感测系统的某些感测元件以优化图像质量。
反馈生成器53的范例包括，但不限于，作为软件和/或固件安装于任何类型的计算机上用于实施一个或多个反馈模式的反馈引擎。实践中，反馈引擎可以集成到形状重建器52、成像系统60或反馈系统70中。
现在将于此提供图2-8的描述，以有助于对本发明的更详细的理解。
如图2中所示，光学运动传感器21采用部分或完全嵌入BCCM 30中的光纤43。光纤43包括一个或多个光纤布拉格光栅阵列44，每个阵列44具有近端44p和远端44d。更具体地，对于图3中所示的光纤43的一种版本，光纤43具有如三维弯曲感测所需的以120°间隔布置的三(3)个光纤布拉格光栅阵列44。替代地，对于图4中所示的光纤43的另一版本，三(3)根光纤43中的每根光纤43具有单个光纤布拉格光栅阵列44，并且阵列44如三维弯曲感测所需地以120°间隔布置。
光纤43用以嵌入BCCM 30内的特定方式取决于光学运动传感器21的应用。
例如，如图5中所示，光纤43的部分43a嵌入BCCM 30的套版本31的壁内，以形成用于环绕患者的肢或躯干的光学运动传感器22。更具体地，套31可以环绕患者80的头，如图7中所示。在此范例中，在BCCM 30放置在患者的头上时，套31内的光纤43的部分43a的形状就相对于患者的头固定，而套31外的光纤43的部分43b的形状将随患者沿任何线性方向或任何角度方向移动他/她的头而改变。这有助于患者的头相对于成像装置的各种位置的运动跟踪。
替代地或并存地，套31可以环绕患者80的胸部，如图7中所示。套31内(图5)的光纤43a的部分的形状将随患者呼吸而改变，而套31外的光纤43a的部分的形状将随患者沿任何线性方向或任何角度方向移动他/她的胸部而改变。这有助于患者的呼吸的深度和速率以及患者的胸部相对于成像装置的各种位置的运动跟踪。
通过另一范例，如图6中所示，数个光纤43可以平行地延伸穿过BCCM30的导管充气囊版本32的壁。延伸穿过导管充气囊32的光纤43的部分的形状将随导管充气囊32随施加于导管充气囊32的外部刺激的消极交换(例如，心脏按压导管充气囊32)膨胀或压缩而改变，而导管充气囊32外的光纤43的部分的形状(未示出)将随导管充气囊32沿任何线性方向或任何角度方向移动而改变。同样，充气囊32的使用适合于跟踪器官(例如，心脏和肺)的节律运动。
参考图7和8，于此现在将描述于患者80的X射线成像中介绍的本发明的范例操作使用。首先，流程图90的阶段S91包含处置中使用的每根光纤的基线形状确定。例如，如图7中所示，光学运动传感器22a环绕患者80的头，光学运动传感器22b环绕患者80的胸部，且导管充气囊23预备插入患者80内。在经由X射线装置60对患者80进行成像的时间t0之前或在该时间，运动跟踪器55操作其光学接口和重建引擎，以生成传感器22和23的光纤的基线形状。
流程图90的阶段92包含被跟踪的单个(多个)解剖结构的可接受运动范围的手动或自动定义。从而，例如，阶段92可以涉及患者80的头和胸部的线性移动和/或角移动的可接受范围、患者80的呼吸深度和速率的可接受范围、以及患者80的可接受心跳速率的定义。
流程图90的阶段93包含解剖结构的图像序列的获取和用于每帧或一系列帧(例如，每100帧的运动感测/跟踪)的运动跟踪，运动跟踪有助于运动补偿，用于经由图像监视器62对患者80的精确成像进行显示和/或经由C臂63对X射线装置61进行闭环控制。在进行了光纤的形状的每个重建时，流程图90的阶段94确定受试者解剖结构的任何被跟踪的运动是否可接受。如果可接受，则获取下一帧或成序列的帧。否则，在流程图90的阶段95期间，以视频、音频、患者控制和/或系统控制的形式生成先前于此描述的反馈。
例如，反馈监视器71可以显示两(2)条平行线和点，线指示患者80的头容许的最大运动，而点指示患者80的头的当前位置。另外，如从运动跟踪器52至传感器22和23延伸的虚线所描绘的，反馈力可以施加于患者80，以控制和/或保持患者80的定位。
虽然已经示例并描述了本发明的各种范例实施例，但是本领域技术人员应当理解，于此描述的本发明的范例实施例是示例性的，并且可以不脱离本发明的真实范围进行各种改变和修改，并且等效物可以替代其元件。例如，虽然于此关于FBG讨论了本发明，但是其理解为包括用于形状感测或定位的光纤光学器件，其通常包括例如，存在或不存在FBG或其它光学器件，根据使用背散射、光纤力感测、光纤位置传感器或瑞利散射对光纤中的一个或多个部分的变化的探测进行感测或定位。另外，可以不脱离本发明的中心范围，进行许多修改，以适应本发明的教导。因此，意思是本发明不限于于此作为执行本发明的预期最佳模式公开的特定实施例，而是本发明包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种用于对解剖结构进行成像的光学运动感测系统（10），所述光学运动感测系统（10）包括：
光学运动传感器（20），包括体轮廓顺应基质（30）和光纤（40），
其中，在所述体轮廓顺应基质（30）接合至所述解剖结构时，所述体轮廓顺应基质（30）结构上至少部分顺应所述解剖结构的表面轮廓，以交换所述解剖结构的任何运动，并且
其中，所述光纤（40）至少部分嵌入所述体轮廓顺应基质中，用于生成编码光信号（42），所述编码光信号（42）指示所述光纤（4）的响应于对所述解剖结构的成像期间所述体轮廓顺应基质（30）的任何交换运动的形状；以及
运动跟踪器（50），响应于所述编码光信号（42），适于周期性地重建所述光纤（40）的几何形状；
其中，所述光纤（40）的几何结构重建之间所述光纤（40）的形状的每个改变表示对所述解剖结构的所述成像期间所述解剖结构的运动。
2.如权利要求1所述的光学运动感测系统（10），其中，所述体轮廓顺应基质（30）至所述解剖结构的接合包括所述体轮廓顺应基质（30）附接至所述解剖结构。
3.如权利要求1所述的光学运动感测系统（10），其中，所述体轮廓顺应基质（30）至所述解剖结构的接合包括所述体轮廓顺应基质（30）与所述解剖结构毗邻。
4.如权利要求1所述的光学运动感测系统（10），其中，所述解剖结构的运动包括以下至少之一：所述解剖结构的线性移动、所述解剖结构的角移动、所述解剖结构的结构弯曲、所述解剖结构的结构伸展、所述解剖结构的结构膨胀、以及所述解剖结构的结构压缩。
5.如权利要求1所述的光学运动感测系统（10），其中，所述体轮廓顺应基质（30）选自包括套、绷带、帽子、以及导管充气囊的组。
6.如权利要求1所述的光学运动感测系统（10），其中，嵌入所述体轮廓顺应基质（30）内的所述光纤（40）的部分具有响应于对所述解剖结构的所述成像期间所述体轮廓顺应基质（30）的任何交换运动的柔性形状。
7.如权利要求1所述的光学运动感测系统（10），
其中，嵌入所述体轮廓顺应基质（30）内的所述光纤（40）的第一部分具有不响应于对所述解剖结构的所述成像期间所述体轮廓顺应基质（30）的任何交换运动的非柔性形状；并且
其中，所述体轮廓顺应基质（30）外部的所述光纤（40）的第二部分具有响应于对所述解剖结构的所述成像期间所述体轮廓顺应基质（30）的任何交换运动的柔性形状。
8.一种用于对解剖结构进行成像的医学成像系统，所述医学成像系统包括：
如权利要求1所述的光学运动感测系统；以及
成像系统（60），
其中，所述运动跟踪器（50）用于生成表示对所述解剖结构的所述成像期间所述解剖结构的任何运动的运动跟踪数据（54）；并且
其中，所述成像系统（60）响应于所述运动跟踪数据（54）以有助于所述成像系统（60）执行运动补偿算法。
9.如权利要求8所述的医学成像系统，其中，所述解剖结构的运动包括以下至少之一：所述解剖结构的线性移动、所述解剖结构的角移动、所述解剖结构的结构弯曲、所述解剖结构的结构伸展、所述解剖结构的结构膨胀、以及所述解剖结构的结构压缩。
10.如权利要求8所述的医学成像系统，其中，所述体轮廓顺应基质（30）选自包括套、绷带、帽子、以及导管充气囊的组。
11.如权利要求8所述的医学成像系统，其中，所述运动跟踪器（50）还用于生成有助于所述成像系统（60）的闭环控制的闭环控制数据（55a）。
12.如权利要求8所述的医学成像系统，还包括：
反馈系统（70），其中，所述运动跟踪器（50）还用于生成用于提供指示所述解剖结构的运动的至少视觉反馈和声音反馈的反馈数据（55b）。
13.如权利要求12所述的医学成像系统，其中，所述至少视觉反馈和声音反馈指示所述解剖结构的不可接受的运动。
14.如权利要求8所述的医学成像系统，还包括：
反馈系统（70），其中，所述运动跟踪器（50）还用于生成用于以下至少之一的患者控制数据（55c）：定位所述解剖结构和保持所述解剖结构的定位。
15.如权利要求8所述的医学成像系统，其中，所述运动跟踪器（50）还用于生成用于调节所述成像系统（60）的至少一个操作方面的系统控制数据（55d）。
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