CN104105456A - 多模态基准标记和标记装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于多模态数据的配准的多模态基准标记(10)，其包括含有在通过磁性颗粒成像方法获得的MPI数据中可见的磁性材料的第一部分(12)以及含有在通过另一成像方法获得的图像数据中可见的第二材料的第二部分(14)，所述图像数据将与所述MPI数据配准。此外，本发明涉及一种标记装置(20)。

Description

多模态基准标记和标记装置
技术领域
本发明涉及一种用于多模态数据的配准的多模态基准标记以及标记装置。
背景技术
多模态标记，即能够被不只一个模态检测到的标记允许使一个模态的图像与来自另一模态的图像配准。重要的例子是通过MPI(磁性颗粒成像)获得的磁示踪材料的分布的定量图像和能够通过MRI(磁共振成像)获得的解剖结构图像。在涉及对试样的检查或者对患者(其在成像期间被固定以避免移动)的身体部分的检查的临床前研究的情况中，还希望期望固持器设备的配准，因为能够假定对象或试样与固持器设备具有固定关系。因而，在假定试样或身体部分没有相对于固持器设备发生移动的情况下，如果固持器设备得到了配准，那么对象或试样的图像也将得到配准。
MPI可见的基准标记允许MPI图像与使用MRI或CT(计算机断层摄影)获得的解剖结构图像鲁棒地配准，以及与从混合PET-CT(PET＝正电子发射断层摄影)、PET-MR或SPECT-CT(SPECT＝单光子发射计算机断层摄影)系统获得的其他功能数据鲁棒地配准，如果这些标记在这些其他模态图像中同样可见的话。
解剖结构MRI或CT图像，尤其是具有不到0.1mm的空间分辨率的临床前图像与具有处于mm范围的相对低的空间分辨率的MPI图像之间的图像配准在基于解剖结构标志时能够是困难的，因为在各自的模态中不能容易并且准确地自动检测解剖结构标志。用于这一目的的基准标记应当是能在模态图像中优选以非常高的(亚像素的(对于2D而言)或者亚体素(对于3D而言)的)准确度容易地检测并定位的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于多模态数据的配准的多模态基准标记，其将使得与一个模态相关的基准标记的属性对各自的其他模态中的任何模态的不利作用最小化，尤其是就图像失真或者任何其他形式的图像劣化而言。
本发明的另一目的在于提供一种能够用于多模态数据的自动配准的标记装置。
在本发明的第一方面中，提出了一种多模态基准标记，其包括含有在通过磁性颗粒成像方法获得的MPI数据中可见的磁性材料的第一部分以及含有在通过另一成像方法获得的图像数据中可见的第二材料的第二部分，所述图像数据将与所述MPI数据配准。
因此，根据本发明，能够将相同的基准标记用于利用MPI方法获得MPI数据(其一般也是图像数据，也能够被称为MPI图像数据)以及利用一种或多种其他成像方法获得图像数据。所述第一部分和所述第二部分被配置，或者额外的器件被提供，使得所述第一部分不对其他成像方法以及其图像数据产生不利影响，并且使得所述第二部分不对MPI方法和MPI数据产生不利影响。因而所提出的基准标记能被不同的成像模态检测，因而在通过这些不同的成像模态获得的数据中可见。
根据优选实施例，所述第一部分被提供在第一隔室中，并且所述第二部分被提供在第二隔室中，所述第一部分位于所述第二部分内部。通过这种方式，能够将外侧隔室用于屏蔽内侧隔室内的磁性颗粒，以便不对将在例如MR成像中测量的外侧磁场造成干扰。
此外，所述第一隔室和所述第二隔室被配置为同心的球或椭球。这一实施例制造简单，并且避免了生成方向相关的失真(例如，潜在地因隔室的其他形式，尤其是非旋转对称形式而生成)。
第一隔室的直径与第二隔室的直径的直径比优选处于从1:1到1:10的范围中，尤其是处于从1:3到1:7的范围中。一般而言，所述直径比与用于获得图像数据(例如，MRI数据)的磁场的场强的立方根成反比。
在实施例中，所述多模态基准标记还包括被布置于所述第一部分和第二部分之间或者被布置于所述第二部分之内的第三部分。因而，这一第三部分使第一部分和第二部分隔开，以避免相互间的不利影响。优选地，所述第三部分被配置成将第一部分与第二部分隔开的反磁性壳。因而，实现了使标记的外侧磁场为零，即，抵消了第一部分的磁性材料的顺磁性。
此外，所述第三部分优选由反磁性材料构成，尤其是由铋或石墨构成。铋的使用将允许使用k边缘成像原理在能量分辨的计算机断层摄影系统中对所述标记容易地定位。
在实施例中，所述多模态基准标记还包括外侧反射涂层。因而，所述标记对于光学成像的光学测量或者对于位置检测或导航系统是可见的。
在另一实施例中，所述多模态基准标记还包括施加至第二部分或者施加至所述标记的外侧涂层的荧光材料。这进一步允许在光学荧光成像中对所述标记定位。
所述磁性材料优选包括：软磁性金属、或者溶解于溶液中的磁性颗粒、或者集成到软塑料中的磁性颗粒。集成到软塑料中提供了所述磁性材料的长期稳定性。
所述第二材料优选包括以下中的一种或多种：水、油、辐射不透材料、放射性材料、碘、钆、金、铋、橡胶、或者含有其他MR有效同位素的物质，这主要取决于用于获得成像数据的成像方法的种类，其中，所述MR有效同位素包括19F、13C或23Na中的一种或多种。所述成像方法可以包括MRI、CT、PET、SPECT或者任何其他成像方法中的一种或多种。
能够在不同的模态中检测到根据本发明提出的并且如上文所述的多模态基准标记，从而允许来自两种模态的图像信息配准以及融合，例如，所述图像信息可以是来自MRI的解剖结构信息和利用MPI获得的磁性示踪材料的分布。然而，基于标记的配准当前一直是手动执行的过程。此外，标记一般在检查中固定至对象或试样。这些标记要占用宝贵的用户时间进行附着，其可能滑动、脱落，因而配准变得错误且不可靠。
因而，在本发明的另一方面当中，提出了一种能够置于对象上的标记装置，从所述对象将采集多模态数据，所述标记装置包括多个根据本发明提出的多模态基准标记，以使所采集的多模态数据与固持所述多个多模态基准标记的固持器配准。对于使用而言，所述固持器可以被刚性附着至对象，但是一般可从对象移除。
优选地，所述多模态基准标记被布置为手性标记装置。这样的手性标记装置规定，在两种模态中，所述标记的图像之间的映射是唯一的。
在优选实施例中，所述标记装置包括一个或多个独立的子标记，其中，一个子标记的相关允许最多进行平移的配准，随后超过一个子标记的相关将降低未定义自由度的数量。例如，六个标记允许确定包括缩放、3D旋转和平移的仿射变换。然而，其他数量的标记也是可能的。
能够通过与单一的盘状形成对照的同心环或三角形，对一个或多个子标记做出特殊的标记，以允许将其与其余的标记进行区分，从而简化了相关和配准过程。
若干不同的标记装置是手性的，且能够被使用。在优选实施例中，所述多模态基准标记被布置为与字母类似，例如，字母P。优选地，所述手性标记装置被布置到具有圆柱形或椭圆形截面的透明塑料管的表面上，因为所述管经常与临床前成像单元一起使用。
此外，在实施例中，所述多个多模态基准标记中的一个或多个多模态基准标记被配置为能与所述多个多模态基准标记中的其他多模态基准标记区分开，尤其是具有不同的形式、材料和/或尺寸，因而简化了相关和配准过程。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考下文描述的实施例加以阐述。在以下附图中：
图1示出了根据本发明的多模态基准标记的第一实施例，
图2示出了根据本发明的多模态基准标记的第二实施例，
图3示出了根据本发明的多模态基准标记的第三实施例，
图4示出了根据本发明的手性标记装置，并且
图5示出了图4所示的标记装置的实施例，以说明其允许确定仿射变换。
具体实施方式
磁性颗粒成像(MPI)是一种新兴的医疗成像模态。MPI的最初版本是二维的，因为其生成二维图像。较新的版本是三维(3D)的。能够通过将3D图像的时间序列组合成电影而创建出非静态对象的四维图像，其中，假设对象在单幅3D图像的数据采集期间没有发生显著的变化。
像计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)一样，MPI是一种重建成像方法。因此，分两个步骤生成对象的感兴趣体积的MPI图像。使用MPI扫描器执行被称为数据采集的第一步骤。MPI扫描器具有生成被称为“选择场”的静态磁梯度场的器件，所述场在扫描器的等中心点具有(单个)无场点(FFP)或无场线(FFL)。此外，这一FFP(或者FFL；在下文中提到“FFP”一般应当被理解为是指FFP或FFL)被具有低磁场强度的第一子区带包围，该区带又被具有较高磁场强度的第二子区带包围。此外，所述扫描器具有生成时间相关的在空间上近乎均匀的磁场的器件。实际上，这一场是通过使具有小幅度的快速变化的场(称为“驱动场”)与具有大幅度的缓慢变化的场(称为“聚焦场”)叠加而获得的。通过向所述静态选择场增加所述时间相关驱动场和聚焦场，可以使FFP沿贯穿围绕所述等中心点的“扫描体积”的预定FFP轨迹而移动。所述扫描器还具有一个或多个(例如三个)接收线圈的装置，并且能够记录在这些线圈中感生的任何电压。对于数据采集而言，将所要成像的对象安置到扫描器中，使得对象的感兴趣体积被扫描器的视场包围，所述视场是扫描体积的子集。
对象必须含有磁纳米颗粒或其他磁性非线性材料；如果对象为动物或患者，那么在扫描之前向动物或患者施予含有这样的颗粒的造影剂。在数据采集期间，MPI扫描器使FFP沿有意选择的轨迹移动，所述轨迹将描出/覆盖所述扫描体积或者至少描出/覆盖所述视场。对象内的磁纳米颗粒经历变化的磁场，并且通过改变其磁化而做出响应。纳米颗粒的变化的磁化将在每一接收线圈中感生时间相关的电压。在与所述接收线圈相关联的接收器中对这一电压采样。由所述接收器输出的样本被记录并构成了采集数据。控制数据采集细节的参数构成了“扫描协议”。
在被称为图像重建的图像生成的第二步骤中，由在第一步骤中采集的数据计算或重建图像。所述图像为离散的3D数据阵列，其表示处于视场中的磁纳米颗粒的位置相关浓度的采样近似。通常由执行适当计算机程序的计算机执行重建。计算机和计算机程序实现重建算法。所述重建算法基于数据采集的数学模型。与所有重建成像方法的情况一样，能够将这一模型表达为作用于所采集到的数据的积分算子；所述重建算法尝试在尽可能的程度上解开所述模型的作用。
这样的MPI装置和方法的优点在于，它们能够用于以非破坏性方式，并且以高分辨率对诸如人体的任意检查对象进行检查，所述检查既可以接近检查对象的表面，也可以远离其表面。这样的装置和方法是一般已知的，并且其首先在DE 10151778A1以及Gleich,B.和Weizenecker,J.(2005)的文献“Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles”(Nature，第435卷，第1214-1217页)中得到了描述，在所述文献中还大体描述了重建原理。在该文献中描述的用于磁性颗粒成像的装置和方法利用了小的磁性颗粒的非线性磁化曲线。
图1在侧视图(图1A)和顶视图(图1B)中示出了根据本发明的多模态基准标记10的第一实施例。一般而言，基准标记10包括第一部分12和第二部分14，其中，第一部分12包括在通过磁性颗粒成像方法获得的MPI数据中可见的磁性材料，第二部分14包括在通过另一成像方法获得的图像数据中可见的第二材料，将使所述图像数据与所述MPI数据配准。
在图1所示的优选实施例中，基准标记10包括被配置为同心球(或者在其他实施例中被配置为椭球)的两个隔室13、15。内侧隔室13容纳第一部分12，即，填充有处于溶液中的MPI有效磁性颗粒(例如，)。外侧隔室15容纳第二部分14，例如，填充有水、油或者其他在期望的成像模态(例如，MRI或CT)中可见的材料。外侧隔室15也可以含有例如1H以外的MRI有效原子核，其优选不是自然界中大量存在的，例如，19F。
所提出的装置将磁性颗粒与所要成像的对象的组织，例如，与MRI有效组织隔开，因而使得第一部分的磁性颗粒在通过第二成像模态获得的图像数据中诱发的伪影最小化。
第一部分，例如，磁性颗粒溶液周围的内侧隔室13的外侧层还避免了第一部分通过隔室13(例如，其由塑料或玻璃构成为一次性的)蒸发，并确保了长期稳定性。
在实践中，可以使用市场上可买到的商标名为Resovist的磁性颗粒(或类似磁性颗粒)，其具有磁性材料核心或形成为整块球体且直径在纳米范围中，例如40nm或60nm。
要想获得一般可用的磁性颗粒和颗粒成分的更多细节，就此参考EP1304542、WO 2004/091386、WO 2004/091390、WO 2004/091394、WO2004/091395、WO 2004/091396、WO 2004/091397、WO 2004/091398、WO2004/091408的对应部分，通过引用将其并入本文。在这些文献中还能够找到一般的MPI方法的更多细节。
图2在侧视图(图2A)和顶视图(图2B)中示出了根据本发明的多模态基准标记10a的第二实施例。基准标记10a的这一实施例包括被布置在第一部分12和第二部分14之间(或者被布置在第二部分14之内)的第三部分16。如图2所示，所述第三部分16可以被配置为反磁性壳，其包围MPI有效部分12，从而抵消其顺磁性。之后，第二部分14被布置在第三部分16的反磁性材料的周围。
或者，可以将图1A和图2A所示的实施例看作是具有盘状内侧隔室13和筒状外侧隔室15的2D标记的截面侧视图，以表示所提出的标记的其他实施例。类似地，或者可以将图1B和图2B所示的实施例看作是具有球状内侧隔室13和球壳状外侧隔室15的3D标记的截面顶视图，以表示所提出的标记的其他实施例。
理想地，所有的材料都应当是生物相容的，使得所述标记一旦植入就能够保留在体内。
优选将所提出的标记，例如，使用两个同心隔室的标记的装置设计为使标记的外侧磁场为零。这一点是通过第三部分16的外侧反磁性材料与含有磁性颗粒的内侧隔室13的组合实现的，其中，也可以将所述外侧反磁性材料形成为包围内侧隔室13的隔室。因而，能够使用用另一成像模态，例如，MRI，使标记的外部区域可视化而没有伪影。
针对含有纯Resovist(500mM(Fe)/l)的内侧球13和含有水的外侧球15的估计得出对于1.5T的施加场强而言的所需要的大约1:6的直径比。一般而言，所述直径比与磁场强度的立方根成反比。
或者，使用也为RF透明性的更有效率的反磁性材料来降低标记的直径，例如，铋(或石墨)。之后，第二部分，例如，MRI可见材料被布置到第三部分16的铋层周围。
为了获得CT对比度，能够使用提供MPI信号的磁性颗粒，但是或者在内侧壳或外侧壳填充物或者容器材料本身中提供具有高原子序数的材料。对于谱CT中的对比度生成而言，利用k边缘成像，可以在第二部分14中使用在多色X射线源的能量范围中具有k边缘能量的材料，例如，碘、钆、金或铋。
图3在侧视图(图3A)和顶视图(图3B)中示出了根据本发明的多模态基准标记10b的第三实施例。基准标记10b的这一实施例包括反射涂层18，反射涂层18使得标记10b例如对于3D光学定位系统或者对于光学图像(所述光学图像例如为在对大鼠和/或小鼠的临床前研究当中使用的)上的自动定位而言是光学可见的。此外，对于光学测量而言，可以将荧光标记添加至第二部分14(例如，MRI可见材料层)或者外侧涂层18。
出于校准目的，不同材料和隔室，例如MPI、MRI、光学和CT有效层的浓度和体积一般是明确定义并且明确已知的。
此外优选地，应当可获得具有不同浓度的基准标记，使得信号水平能够与从感兴趣对象获得的信号水平匹配。否则，来自基准标记的过多的信号能够损害图像对比度或者生成伪影。
在另一实施例中，基准标记仅包括单个隔室。例如，组合的MPI/MRI基准标记能够含有非常低的浓度的Resovist，使得其只能借助MPI看到，但是其对于专用MRI序列，例如，超短TE序列也是可见的。
对于长期稳定性而言，固态标记将是有利的。对于MRI而言，能够将橡胶与超短TE序列组合使用。对于MPI而言，集成到软塑料(例如，网格)中的颗粒提供了长期稳定性。或者，能够使用软磁性金属(坡莫合金，μ金属)来生成MPI信号。
所提出的标记的其他优选实施例是可植入的，例如以对肿瘤位置做出永久性标记，以进行例如放射治疗。
能够采用适应性MPI序列，其使得局部对象测量与(一个或多个)基准标记的局部测量交错。标记位置的动态采集能够用于馈送入运动模型以例如遵从或补偿呼吸运动。
也能够使用所检测的标记位置来控制采集协议，例如，通过使成像体积跟随经受(例如，台)运动的对象的标记。
对于PET和SPECT中的检测而言，也能够为基准标记配备适当的辐射源，例如，22Na(PET)和99Mo(SPECT)。
因而，根据本发明提出的标记能够使MPI与MRI、CT、光学成像或者用于临床前和临床应用的其他成像模态组合，包括与来自混合PET-CT、PET-MR和SPECT-CT图像的功能图像的组合。
本发明还提出了标记装置20，尤其是手性标记装置的使用，在一个实施例中，如在图4所描绘的三维装置的投影中所示。能够将标记装置20附着或集成到固持设备中，所述固持设备是在对对象或试样的临床前研究中例行使用的。具体而言，能够将所提出的标记装置20置于对象上，从所述对象将采集多模态数据，并且所述装置包括多个根据本发明提出的多模态基准标记22，以用于使采集到的多模态数据与容纳所述多个多模态基准标记22的固持器24配准。
标记装置20包括一个或多个个体标记22，鉴于一个标记的相关至多允许平移的配准，而超过一个标记22的相关将降低未定义自由度的数量。例如，在示范性的标记装置20中提供的六个标记(数量不限于六，而能够或多或少)允许确定包括缩放、3D旋转和平移的仿射变换，如图5所示，其描绘了处于第一位置(通过23a指示)和第二位置(通过23b指示)中的六个标记。
通过使标记22附着或集成至固持器24中，根除了滑动或脱落的风险。通过使用被示为图4中的2D投影的手性标记装置20，两种模态中的标记装置20的图像之间的映射是唯一的。
在一个实施例中，通过与单一的盘状形成对照的同心环或三角形，对一个或多个标记做出特殊的标记，以允许将其与其余的标记进行区分，从而简化了相关和配准过程。
使空间中的点布置相关的算法是本领域公知的，例如，参考Parra，Nestor Andres的“Rigid and Non-rigid Point-based Medical Image Registration”(2009)(FIU Electronic Theses and Dissertations，第127页)，其当前可从http://digitalcommons.fiu.edu/etd/127获得，或者可以参考Sasa Mutic等人的“Multimodality image registration quality assurance for conformalthree-dimensional treatment planning”(International Journal of RadiationOncology*Biology*Physics-12001年9月(第51卷，第1期，第255-260页))。
本领域还已知，配准误差随着与标记组件的距离的增大而增加(例如，参考Fitzpatrick等人的“Predicting error in rigid-body point-based registration”(IEEE Transactions on Medical Imaging，第17卷，第5期，1998年10月)。因此，优选将标记装置选择为使其分布均匀地覆盖成像体积或者成像体积内的感兴趣体积。
此外，标记分布优选考虑不同的成像模态具有不同的成像体积，即，一个模态可以“看到”另一个模态不能“看到”的标记。这意味着，充分数量的标记适当地被布置使得它们位于涉及所有模态的成像体积中。
尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，量词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以完成权利要求中记载的若干项目的功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于多模态数据的配准的多模态基准标记(10)，包括：
-包括在通过磁性颗粒成像方法获得的MPI数据中可见的磁性材料的第一部分(12)，以及
-包括在通过另一成像方法获得的图像数据中可见的第二材料的第二部分(14)，所述图像数据将与所述MPI数据配准。
2.根据权利要求1所述的多模态基准标记(10)，
其中，所述第一部分(12)被提供在第一隔室(13)中，并且所述第二部分(14)被提供在第二隔室(15)中，所述第一隔室(13)位于所述第二隔室(15)内部。
3.根据权利要求2所述的多模态基准标记(10)，
其中，所述第一隔室(13)和所述第二隔室(15)被配置为同心的球或椭球。
4.根据权利要求1所述的多模态基准标记(10)，
其中，所述第一隔室(13)的直径与所述第二隔室(15)的直径的直径比处于从1:1到1:10的范围中，尤其是处于从1:3到1:7的范围中。
5.根据权利要求1所述的多模态基准标记(10)，
还包括被布置于所述第一部分(12)和所述第二部分(14)之间或者被布置于所述第二部分(14)之内的第三部分(16)。
6.根据权利要求5所述的多模态基准标记(10)，
其中，所述第三部分(16)被配置成将所述第一部分(12)与所述第二部分(14)隔开的反磁性壳。
7.根据权利要求5所述的多模态基准标记(10)，
其中，所述第三部分(16)由反磁性材料构成，尤其是由铋或石墨构成。
8.根据权利要求1所述的多模态基准标记(10)，
还包括外侧反射涂层(18)。
9.根据权利要求1所述的多模态基准标记(10)，
还包括被布置到所述第二部分(14)或者被布置到所述标记(10)的外侧涂层(18)上的荧光材料。
10.根据权利要求1所述的多模态基准标记(10)，
其中，所述磁性材料包括：软磁性金属、或者溶解于溶液中的磁性颗粒、或者集成到软塑料中的磁性颗粒。
11.根据权利要求1所述的多模态基准标记(10)，
其中，所述第二材料包括以下中的一种或多种：水、油、辐射不透材料、放射性材料、碘、钆、金、铋、橡胶或者含有其他MR有效同位素的物质，所述MR有效同位素包括19F、13C或23Na中的一种或多种。
12.一种能够置于对象上的标记装置(20)，从所述对象将采集多模态数据，所述标记装置包括多个根据权利要求1所述的多模态基准标记(22)，以使所采集到的多模态数据与固持所述多个多模态基准标记(22)的固持器配准。
13.根据权利要求12所述的标记装置(20)，
其中，所述多模态基准标记(10)被布置为手性标记装置。
14.根据权利要求13所述的标记装置(20)，
其中，所述多个多模态基准标记中的一个或多个多模态基准标记(24)被配置为能与所述多个多模态基准标记中的其他多模态基准标记(26)区分开，尤其是具有不同的形式、材料和/或尺寸。
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