CN105744882A - 在医学成像中进行表面扫描的方法和相关设备 - Google Patents

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Abstract

提供了在医学成像中进行表面扫描的方法和设备。表面扫描设备包括：图像源；第一光纤束，其包括具有近端和远端的第一光纤；以及第一光学耦合器，其用于将图像从所述图像源耦合到所述第一光纤的近端，其中，所述第一光学耦合器包括多个透镜元件，所述多个透镜元件包括第一透镜元件和第二透镜元件，所述多个透镜元件中的每个包括面对所述第一光学耦合器的远端的主表面和面对所述第一光学耦合器的近端的次表面。

Description

在医学成像中进行表面扫描的方法和相关设备
本发明涉及在医学成像特别地磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)和/或组合的MRI/PET中进行表面扫描的方法和设备。本发明可用于特别地小几何体内(PET、MRI、CT、SPECT或作为PET/CT和MRI/PET的组合扫描仪的孔中)进行表面扫描/运动跟踪。
背景技术
在过去的十年中，已经开发了在大脑成像中进行表面扫描和运动跟踪的众多方法，但扫描期间的头部运动属于造成伪像的显著问题并且大大降低了图像质量。
已知方法包括外部跟踪系统以及基于图像的运动跟踪和校正。许多外部跟踪系统使用附接于受试者头部的标记。这样有可能引入误差并且使受试者准备好进行扫描的过程变复杂，因此减少了在临床实践中的可用性。相应地，为了进行医学大脑成像而开发的基于图像的运动跟踪方法通常遇到不能同时得到足够高的时间和空间分辨率。另外，现代医学扫描仪的高分辨率(对于MRI而言，下至数十毫米，对于PET而言，下至几毫米)对运动跟踪系统设置了严格的要求。
发明内容
本发明涉及在医学成像中进行改进的表面扫描的方法和设备。因此，本文中公开了一种可用于受试者跟踪的医学成像中进行表面扫描的方法，所述方法包括：a)提供图像源和第一光纤束，所述第一光纤束包括具有近端和远端的第一光纤；b)将所述第一光纤的远端定位在医学扫描仪的扫描仪钻孔内；c)将图像从所述图像源供给到第一光学耦合器的近端，所述第一光学耦合器包括多个透镜元件，所述多个透镜元件包括第一透镜元件和第二透镜元件；以及d)将图像从所述第一光学耦合器的远端供给到所述第一光纤的近端。
本文中还公开了一种在医学成像中进行表面扫描的表面扫描设备，所述设备包括：a)图像源，b)第一光纤束，其包括具有近端和远端的第一光纤；以及c)第一光学耦合器，其用于将图像从所述图像源耦合到所述第一光纤的近端，其中，所述第一光学耦合器包括多个透镜元件，所述多个透镜元件包括第一透镜元件和第二透镜元件，所述多个透镜元件中的每个包括面对所述第一光学耦合器的远端的主表面和面对所述第一光学耦合器的近端的次表面。
通过以上方法和/或表面扫描设备，得到了改进的表面扫描方法和/或运动跟踪方法，其中，产生噪声的组件(诸如，发射无线电的组件和/或铁磁组件)与孔分开并且保持在孔之外。另外，如果没有完全避免，堵塞效果也高度减少。另外，提供在钻孔中被扫描的对象的改进图像质量。由于使用光纤，导致避免了之前观察到的由于扫描仪和光源之间的长距离而导致的关于图像质量减低的问题，这确保了甚至较大距离内的高图像质量。
该方法可特别地可用于在医学成像中进行运动跟踪的方法，并且表面扫描设备可以是运动跟踪设备。通过该方法和/或表面扫描设备，还得到了非常紧凑的装置，该装置可容易地装入扫描仪中或者被用作现有扫描系统的附加物。
附图说明
通过下面参照附图对本发明的示例性实施方式的详细描述，对于本领域的技术人员而言，本发明的以上和其他特征和优点将变得容易清楚，其中：
图1a示意性示出与医学扫描仪和计算机系统结合的表面扫描设备，
图1b示意性示出示例性表面扫描设备，
图2示意性示出示例性表面扫描设备的部分，
图3示意性示出示例性表面扫描设备的部分，
图4示意性示出示例性表面扫描设备的部分，
图5示意性示出示例性表面扫描设备的部分，
图6a示意性示出因光学耦合器中的不同透镜元件来减小图像大小，
图6b示意性示出因光学耦合器中的不同透镜元件来增大图像大小，
图7a示意性示出中继透镜耦合器，以及
图7b示意性示出替代的中继透镜耦合器。
具体实施方式
附图是示意性的并且为了清晰起见而被简化，它们仅仅示出理解本发明必要的细节，而可省略掉其他细节。相同的参考标号始终用于相同或对应的部件。
表面扫描包含随时间推移来跟踪表面或表面点的空间位置和/或跟踪/确定给定时间的表面或表面点的空间位置。
医学扫描仪可以是磁共振(MR)扫描仪。另外，可采用用于运动跟踪的方法和设备对通过其他医学扫描仪(诸如，正电子发射断层扫描(PET)扫描仪、单光子发射计算机断层扫描系统(SPECT)扫描仪或计算机断层扫描系统(CT)扫描仪)得到的扫描图像进行运动校正。在一个或更多个方面，可在组合的PET-MR扫描仪或组合的PET-CT扫描仪中采用该方法和设备对受试者进行运动校正。
该方法或设备中设置的图像源可包括光源和/或数字微镜器件(DMD)芯片，其中，DMD芯片用于调节来自光源的入射光从而形成预定的图像源。
图像源可以是改造后的DLP(数字光处理)投影仪。
将图像例如从图像源供给到第一光学耦合器的近端和/或将图像从第一光学耦合器的远端供给到第一光纤的近端可包括供给图案序列，该图案序列包括图案或多个不同图案。
图像源可被构造用于提供例如用于将图案投影到表面区域或钻孔中的受试者的场景上的图案序列(例如，包括多个不同图案)。图案序列(S)(例如，第一图案序列(S1)和/或第二图案序列(S2))包括一个或更多个图案(P)(诸如，包括主图案和次图案的多个不同图案)。图案序列包括数量为N个的图案或者由数量为N个的图案组成。可通过图案序列参数(例如，包括图案的数量、各个图案的构造/结构、图案的次序和/或图案序列的图案的时间)来定义图案序列。图案序列的持续时间可在1毫秒至大约1秒的范围内。图案序列的持续时间可以是大约10毫秒、大约20毫秒、大约50毫秒、大约100毫秒或大约200毫秒。
图案可包括例如沿着第一轴和第二轴布置成阵列的多个像素。可通过图案参数(例如，包括图案中的各像素和/或一个或更多个像素组的像素设置(颜色/波长和/或密度))来定义图案。图案的像素组可被称为图案的用R指代的子区域。因此，图案可包括一个或更多个子区域R1、R2、R3、…，包括一个或更多个像素的子区域。图案序列参数可包括例如一次图案、二次图案和/或三次图案的图案参数。
图像源可包括光调制器。
光调制器或DMD芯片可适于将图案投影到表面区域或钻孔中的受试者的场景上。光调制器可包括液晶显示(LCD)芯片或DMD芯片。在一个或更多个实施方式中，光调制器可包括硅上液晶(LCOS)芯片。在一个或更多个实施方式中，光调制器可包括栅格、隙缝或过滤器。光调制器可以是透射或反射型光调制器。
DMD芯片/光调制器可以是大致9.86mm×6.16mm的阵列并且用第一光学耦合器将来自DMD芯片/光调制器的图像映射到第一光纤束中，第一光纤束的近端大小是大约6.7mm×5mm。
图像源可连接到控制单元，用于从控制单元接收控制信号。控制信号可包括图案序列参数(诸如，图案序列的图案的数量、构造、次序和/或时间)。在一个或更多个实施方式中，控制信号可包括图案序列选择符，并且图像源可被构造成根据图案序列选择符来投影不同的图案序列。
图像源和/或第一光纤束的分辨率限制了投影到受试者上的图案分辨率。为了将有用图像投影到受试者上，图像源可具有至少500个像素(诸如，至少1,000个像素或至少10,000个像素)的分辨率。在示例性的方法和/或设备中，图像源可具有HVGA(480×320个像素)或更高(例如，(608×684个像素))、SVGA(800×600个像素)、XGA(1024×768个像素)、720p(1280×720个像素)、或1080p(1920×1080个像素)的分辨率。
在一个或更多个实施方式中，多个不同的图案序列可被存储在图像源中，并且图像源可被构造成投影从控制单元基于图案序列选择符而选择的图案序列。
在一实施方式中，光源可包括一个或更多个激光器或(高功率)LED，包括被构造成发射第一波长λ1的光的第一激光器/LED和/或被构造成发射第二波长λ2的光的第二激光器/LED。光源还可包括被构造成发射第三波长λ3的光的第三激光器/LED。
光源可包括广谱光源(诸如，金属卤素灯)。在一个或更多个实施方式中，光源可包括发光二极管(LED)。光源可包括用于形成具有所需频谱/波长分布的光的过滤器。在一个或更多个实施方式中，光源可适于发送红外(IR)或近红外(NIR)范围内(例如，波长范围从700nm至大约1,000nm，例如，大约850nm)的光。在一个或更多个实施方式中，光源可适于发射UV范围内的光。
在一个或更多个实施方式中，光源可包括范围在780nm至900nm内的第一波长λ1的光。例如，波长范围可以在800nm至860nm之间。第一激光器/LED可以是红色或橙色/红色激光器，其中，第一波长λ1在大约590nm至大约700m的范围内。在一个或更多个实施方式中，第一波长λ1是大约635nm。第一激光器/LED可以是LED，其中，第一波长λ1在大约830nm至大约870m(例如，大约850nm)或者大约810nm至大约850nm的范围内。第一激光器/LED可以是LED，其中，第一波长λ1在大约790nm至大约830m(例如，大约810nm)的范围内或者大约800nm至大约820nm的范围内。
第二激光器/LED可以是绿色激光器，其中，第二波长λ2在大约490nm至大约560m的范围内(例如，大约532nm)。第二激光器/LED可以是LED，其中，第二波长λ2在大约880nm至大约920m的范围内(例如，大约900nm)。
第三激光器/LED可以是蓝色或紫外激光器，例如，其中，第三波长λ3在430nm至大约490m的范围内(例如，大约445nm或大约473nm)。第三激光器/LED可以是LED，例如，其中，第三波长λ3在大约930nm至大约1,000m的范围内(例如，大约940nm)。
光源可包括例如被构造成发射波长在大约230nm至大约400nm的范围内(例如，大约350nm)的光的UV源。
可使用一个或更多个反射镜或棱镜将来自光源和/或图像源的光或图像导向第一光学耦合器。结合图2至图5示出和描述了这样的不同示例。
第一光学耦合器可包括偶数数量的透镜元件(例如，两个、四个、六个、八个、十个、十二个或更多个透镜元件)或者由偶数数量的透镜元件组成。在一个或更多个实施方式中，在第一光学耦合器中包括十个透镜。在另一个实施方式中，在第一光学耦合器中包括六个透镜。当选择较少数量的透镜时，光学损耗保持最小值，而当选择许多透镜时，图像质量提高并且失真和模糊减少。中继透镜元件可包括四个至十二个透镜元件。
第一光学耦合器可适于在图像已经经过第一光学耦合器之后增大或减小图像的大小。在示例性的方法/设备中，第一光学耦合器中的透镜元件以1:1.2的比率映射输入图像的大小，从而来自第一光学耦合器的远端的图像的图像大小比在第一光学耦合器的近端进入第一光学耦合器的图像的大小大20％。总体上，可在1:0.5(即，输出图像比输入图像小50％)至1:2的范围内映射图像大小。
有利地，第一光学耦合器可以是中继透镜耦合器。
第一光学耦合器的远端可通过卡扣-释放-联接能释放地固定于第一光纤束的近端。这样允许容易且灵活地将光纤定位在扫描仪的钻孔中或者容易更换和/或交换光纤或第一光学耦合器而不移动这两个中的另一个。
另选地，为了确保将图像从第一光学耦合器恒定最佳耦合到光纤中，第一光学耦合器的远端可不能释放地固定于第一光纤束的近端。
在用于跟踪运动的表面扫描设备和/或方法中还可包括第二光学耦合器，第二光学耦合器包括含第一透镜元件和第二透镜元件的多个透镜元件。另外，可设置包括具有近端和远端的第二光纤的第二光纤束并且第二光纤束的远端设置在医学扫描仪的扫描器钻孔内。可应用第二光纤的远端采集钻孔中的受试者的投影图像。一般将这个投影图像从第二光纤的近端供给到第二光学耦合器。
第二光学耦合器还可适于在图像已经经过第二光学耦合器之后增大或减小投影图像的大小。
第一光学耦合器和/或第二光学耦合器中的多个透镜元件中的至少一个可以是消色差的。
在本发明的实施方式中，第一光学耦合器和/或第二光学耦合器中的第一透镜元件可分别设置在第一光学耦合器和/或第二光学耦合器的近端，并且第二透镜元件可分别设置在第一光学耦合器和/或第二光学耦合器的远端。第一透镜元件和第二透镜元件可进一步是消色差的，其中凸面指向彼此。
第一光学耦合器和/或第二光学耦合器中的多个透镜元件中的每个的主表面可以是凹形或凸形或平面或其组合。同样地，第一光学耦合器和/或第二光学耦合器中的多个透镜元件中的每个的次表面可以是凹形或凸形或平面或其组合。一个或更多个透镜元件的主表面可以是凹形。一个或更多个透镜元件的主表面可以是凸形。一个或更多个透镜元件的主表面可以是平面。一个或更多个透镜元件的次表面可以是凹形。一个或更多个透镜元件的次表面可以是凸形。一个或更多个透镜元件的次表面可以是平面。
该设备和方法还可包括反射镜和/或棱镜，并且来自光源的光可在进入第一光学耦合器经过反射镜/棱镜。第一光学耦合器还可适于借助第一光纤将来自图像源的至少一个图案投影到位于医学扫描仪的钻孔中的受试者的表面区域上。
第一光学耦合器可包括至少100个光纤(诸如，至少10,000个光纤)，各光纤对应于投影到受试者的表面区域上的图案中的像素。在一个或更多个实施方式中，为了图像源分辨率的充分益处，第一光纤的数量等于或大于图像源中的像素的数量。第一光纤的数量可匹配图像源的分辨率或者在图像源的分辨率的±20％的范围内。在一个或更多个实施方式中，为了光纤的充分益处，第一光纤的数量小于图像源中的像素的数量。
第二光纤可适于采集从受试者投影的至少一个投影图案和/或图像。第二光纤可包括至少100个光纤(诸如，至少100,000个光纤)。各第二光纤可对应于作为采集图像的发送目的地的第一相机中的一个或更多个像素。在一个或更多个实施方式中，第二光纤的数量等于或大于第一相机中的像素数量，以增加相机的处理时间。在一个或更多个实施方式中，第二光纤的数量小于第一相机中的像素数量，以增加图像处理的精度。第二光纤的数量可匹配第一相机的分辨率或者在第一相机的分辨率的±50％的范围内。
第一相机可以是CCD相机或CMOS相机。第一相机可具有至少640×480(例如，1280×960、3264×2448或更大)的分辨率。
表面区域的面积可以是至少0.1cm2，例如，在1cm2至500cm2的范围内。在一个或更多个实施方式中，表面区域的面积可以在20cm2至100cm2的范围内。
表面区域可至少部分覆盖受试者的鼻部区域。由于这个区域中的受试者表面的显著曲率，导致这会造成运动跟踪改进。另外，面部移动限于当根据头骨和大脑的运动时优选的鼻梁附近。
该设备还可包括第一透镜组件(即，投影仪侧投影光学器件)，第一透镜组件布置在第一光纤的远端和/或附接于第一光纤的远端，以将图像或图案序列从第一光纤耦合到受试者的表面区域。第二光纤的远端可设置有第二透镜组件(即，图像采集光学器件)，第二透镜组件用于将图像或图案序列从受试者的表面区域耦合到第二光纤。
该设备可包括框架，其中，第一透镜组件和第二透镜组件安装在框架上。框架固定光纤束的两个远端之间和/或第一透镜组件和第二透镜组件之间的位置以保持固定位置关系，以便提供准确的移动校正和/或使得两个光纤束可一起在钻孔中移动。第一光纤束和第二光纤束的远端可安装在框架上。
第一透镜组件和第二透镜组件将一般包括具有给定焦距和光圈的物镜。可通过交换物镜来改变焦距。另外，通过改变物镜和第一光纤束或第二光纤束中的光纤的远端之间的距离，可得到分别关于图像源有多少照射受试者和从哪个区域采集投影光的控制。可通过打开和/或闭合第一透镜组件和/或第二透镜组件来调节它们的光圈，这样还提供了控制从第一光纤输出到受试者上并且将受试者的投影图像输出到分别用于第一透镜组件和第二透镜组件的第二光纤的工具。
第二透镜组件还可包括过滤器(例如，NIR过滤器)。同样地，第一透镜组件还可包括过滤器。
第一透镜组件可包括第一反射镜/棱镜。第二透镜组件可分别包括第二反射镜/棱镜。可在第一透镜组件和第二透镜组件之间共享公共反射镜/棱镜。透镜组件中的反射镜/棱镜可提供光的重新导向，这可导致将光纤远端/透镜组件定位在孔中的更大自由度。
第一光纤和第二光纤可布置在各自的第一光纤阵列和第二光学阵列中。在一个或更多个实施方式中，第一光纤可包括至少10,000个光纤(诸如，100×100个光纤，诸如，400×400个或600×600个光纤或680×480个光纤或1,200×1,200个光纤或更多)的第一阵列。第一光纤可包括至少100,000个光纤(例如，5,000×5,000个光纤)的第一阵列。在一个或更多个实施方式中，第二光纤可包括至少10,000个光纤(诸如，100×100个光纤，诸如，至少400×400个或600×600个光纤或680×480个光纤或1,200×1,200个光纤或更多)的第二阵列。第二光纤可包括至少100,000个光纤(例如，5,000×5,000个光纤)的第二阵列。光纤可布置成任何合适大小和形状(例如，矩形、圆形、椭圆形、多边形或其他)的阵列。通常，光纤直径在5微米至20微米的范围内。第一光纤的数量可大于1,000(诸如，大于10,000)。第二光纤的数量可大于1,000(诸如，大于10,000)。
使用第一光纤和第二光纤使得能够或有助于将该方法和设备用于其中永久磁场包围对象(例如，MR扫描仪)的医学扫描仪。另外，使用第一光纤和第二光纤使得能够或有助于将该方法和设备用于其中由于受试者在扫描期间位于扫描仪的钻孔中而导致对受试者的受限触及的医学扫描仪。
第一光纤束和第二光纤束的长度可均大于1米(诸如，大于2米，例如，大约5米或大约10米)。在示例性的设备和/或方法中，第一光纤束和第二光纤束的长度可均在1米和5米之间(诸如，在2.5米和3米之间，例如，大约2.7米)。在保持第一光学耦合器和/或第二光学耦合器在远离扫描仪或甚至更远离扫描空间/在扫描空间外部的不同位置的同时，使光纤束的长度在这个长度范围内可使用户能够将第一光纤束和第二光纤束的远端布置在扫描仪内。
光纤束的长度允许将用于控制序列、图像图案或图像源相关类似物的电力管理部分和/或计算机定位在带有扫描仪的空间外部。这样允许形成远程表面扫描仪。通过用两个光纤束将电子器件与光学端分开，实现紧凑的、无射频噪声且衰减低的表面扫描仪。
在本发明的设备和方法中，最少量的组件位于扫描仪的钻孔中并且将干扰组件保持在钻孔外部。这样保持现今的表面扫描仪的视野和高分辨率。另外，位于扫描仪钻孔中的组件可由非金属材料制成。
表面扫描设备还可包括外壳，外壳包围与从外壳表面延伸的光纤束分开的所有运动跟踪元件。外壳可以是射频屏蔽盒外罩，一般由覆盖有例如厚度是1mm的薄铜层或片材的框架制成。可使用适于屏蔽电子组件的任何金属。
一个或更多个电容器的过滤器可确保来自为外壳内的组件供电的电磁噪声没有沿着电力线缆传播。对应地，电源设置在扫描仪空间外并且引导电力通过墙壁中的过滤器导入扫描仪空间中和外壳内部，以在其中供给相关组件。
表面扫描设备可被构造成，使得它是医学扫描仪器的部分或者被用作现有扫描仪的附加物。
图1a示意性示出用于该方法和设备的医学扫描仪30。扫描仪30是MR扫描仪，包括在形成扫描仪钻孔36的扫描仪外壳34中的永磁体32。扫描仪30包括用于扫描设置在支承结构(扫描仪基座)39上的受试者的头线圈38。
第一透镜组件42和第二透镜组件44安装于第一光纤16和第二光纤20各自的远端并且设置在扫描仪钻孔36中，用于将图案序列投影到头线圈38内的表面区域上/从头线圈38内的表面区域检测图案序列。
作为图1a中示出的MR扫描仪的替代方式，还可设想PET扫描仪，PET扫描仪包括在形成扫描仪钻孔的扫描仪外壳中的至少一个检测器环。在这种情况下，各个光纤16、20的远端可设置在检测器环的外部和扫描仪钻孔的附近，以将图案序列投影到扫描仪钻孔内的表面区域上/从扫描仪钻孔内的表面区域检测图案序列。图1a的MR扫描仪的另一种替代方式是组合的MR/PET扫描仪。
图1a示出表面扫描设备2，表面扫描设备2设置在由设备2的左侧的包围壁52限定的扫描仪空间内，以一个壁/法拉第笼(Faradaycage)例示包围壁52。电力管理和/或控制器部分50(例如，如图1a中所述的计算机)设置在扫描仪空间外部。如果光纤16、20足够长，则表面扫描设备2可设置在由包围壁52限定的扫描仪空间外部。
在图1a中还示出光学延长器54，光学延长器54在表面扫描设备2和扫描仪空间外部的计算机50之间无噪声传递图像数据。表面扫描设备2可被用作射频屏蔽盒的外壳4包围。外壳4可由覆盖1mm铜层的框架(例如，木质框架)制成。电容器(图中未示出)的过滤器确保来自为外壳内的组件供电的电磁噪声没有沿着电力电缆传播。可选地作为单独电源或电力管理/控制器部分50的部分的电源设置在扫描仪空间外部并且通过壁52中的过滤器将电力导入扫描仪空间和设备2的外壳4内的元件。
光纤的远端设置有分别构成投影光学器件和图像采集光学器件的各个第一透镜组件42和第二透镜组件44。框架46用于分别固定第一透镜组件42和第二透镜组件44之间和/或第一光纤16和第二光纤18的远端之间的位置。
第一透镜组件和第二透镜组件可均包括具有给定焦距和光圈的物镜。另外，第二透镜组件可包括近红外(NIR)过滤器。第一透镜组件和第二透镜组件可分别包括第一反射镜/棱镜和/或第二反射镜/棱镜。两个透镜组件之间可共享反射镜/棱镜。
图1b示意性示出本发明的表面扫描设备2。设备2包括容纳控制单元6的外壳4和包括光源10和光调制器12的图像源8。另外，设备2可选地包括第一相机14，第一相机14连接到控制单元6，以在控制单元6和第一相机14之间进行控制信号和/或图案序列数据的交换。在使用期间，第一光纤16借助第一光学耦合器18在第一光纤的近端17耦合到设备，使得来自图像源8的光被耦合到第一光纤16。第一光学耦合器18具有近端15和远端19。
设备可选地包括存储器单元24和用户接口单元26。
第一光纤16可固定地安装于外壳4，即，第一光纤16可形成设备2的部分。另选地，第一光学耦合器18的远端19可通过卡扣-释放-联接能释放地固定于第一光纤束16的近端17。
在使用期间，第二光纤20借助第二光学耦合器22在第二光纤20的近端21耦合到设备2，使得由第一相机14检测投影到表面区域上的图案序列或图像。第二光学耦合器18包括近端23和远端25。
第一光纤和第二光纤可固定地安装于外壳4，即，第一光纤和第二光纤可形成设备2的部分，从而简化设备的创建。
另选地，第一光学耦合器18的远端19和/或第二光学耦合器22的远端25可分别通过卡扣-释放-联接能释放地固定于第一光纤束16的近端17和第二光纤束20的近端21。
表面扫描设备2被构造用于用图像源10将第一图案序列(S1)投影到受试者的表面区域上，其中，受试者设置在医学扫描仪的扫描仪钻孔中，第一图案序列可选地包括第一主图案(P1,1)和第一次图案(P1,2)。设备2可被构造用于用第一相机14检测投影的第一图案序列(S1')。控制单元6可选地基于检测到的第一图案序列(S1')来确定包括第二主图案(P2,1)的第二图案序列(S2)并且将控制信号发送到图像源8，图像源10和光调制器12借助第一光学耦合器18将图像以第二图案序列(S2)的形式投影到受试者的表面上。可用第一相机14检测投影的第二图案序列(S2')并且在控制单元中和/或在第一相机14中和/或在外部计算机50中处理图案序列数据。在检测到图案序列数据时或者在检测图案序列数据期间，设备2或外部计算机50基于检测到的第二图案序列(S2')来确定运动跟踪参数。
图2至图5示出包括多个透镜元件I1、…、IN的第一光学耦合器18的不同实施方式，多个透镜元件I1、…、IN包括第一透镜元件I1和第二透镜元件I2。在图2中，设置两个透镜元件，而图3和图4示出大量的多个透镜元件。在图5中，第一光学耦合器18是中继透镜耦合器，包括设置在中继透镜耦合器的外部外壳内的数量为N个的透镜元件或者由这些透镜元件组成。N可以是六个、八个或十个。
图2至图5只示出第一光学耦合器18，然而第二光学耦合器22可具有与用于第一光学耦合器18的图2至图5中示出的实施方式相同或不同的构造。下面对第一光学耦合器18中的透镜元件的描述因此还可应用于第二光学耦合器22中的透镜元件。
多个透镜元件I1、…、IN中的各透镜元件包括面对第一光学耦合器18的远端19的主表面28和面对第一光学耦合器18的近端15的次表面29。一般地，在第一光学耦合器18和/或第二光学耦合器22中将存在偶数数量的透镜元件。可存在两个、四个、六个、八个、十个、十二个或更多个透镜元件I1、…、IN。
透镜元件IN中的一个或更多个可以是消色差的，例如，多个透镜元件中的至少一个是消色差的。在图2至图5中，只示出色差透镜元件。
在一个或更多个实施方式中，第一透镜元件I1设置在第一光学耦合器18的近端15并且第二透镜元件I2设置在第一光学耦合器18的远端19，如图2中所示。在图2中，这两个透镜元件都是有色差的。然而，第一透镜元件I1和第二透镜元件I2也可以是消色差的，其中凸面指向彼此。
在设备中，可使用反射镜和/或棱镜将来自图像源8的图像导向第一光学耦合器18。在图2和图3中，使用反射镜7将来自图像源的图像导向光调制器12，从光调制器12将图像导向第一光学耦合器18的近端15。在图4和图5中，图像从图像源8通过棱镜9传递到光调制器12，图像从光调制器12以图像被直接导向第一光学耦合器18的近端15这样的方式再次经过棱镜9。
第一光学耦合器18和/或第二光学耦合器22可适于分别增大或减小图像和/或投影图像的大小，使得图像/投影图像在已经经过第一光学耦合器和/或第二光学耦合器之后其大小更大或更小。
在图6a至图6b中示出可如何使用光学耦合器增大或减小图像大小的简化示意性图示。在图6a中，图像大小从输入图像的大小din减小至输出图像的大小dout，其中，din>dout，而在图6b中，图像大小从输入图像的大小din增大至大小dout，其中，din>dout。在图中示出透镜元件的不同焦距f1、f2。
通过利用不止两个透镜元件，可得到改进的校正和减小的(几何)失真。另外，减少像差效果。这样允许用户控制耦合到第一光纤16的图像的部分有多大并且控制在已经被第二光纤20收集之后从第二光学耦合器22输出的投影图像的大小。
图7a至图7b示出可在本发明中用作第一光学耦合器18和/或第二光学耦合器22的中继透镜耦合器的两个不同示例。
在图7a中，中继透镜耦合器包括六个透镜元件I1、I2、I3、I4、I5、I6或者由六个透镜元件I1、I2、I3、I4、I5、I6组成，使得最靠外的透镜元件I1、I6几乎大小相同地取向，使得它们彼此呈镜像。同样地，对于靠近中继透镜耦合器中间的接下来的透镜元件，与最靠外透镜元件I1、I6相邻设置的透镜元件I2、I5形成镜像对等。四个透镜元件I1、I3、I4、I6是平凸的，即，它们具有凸面和平面，而另两个透镜元件I2、I5是双凹的，即，透镜元件的主面和次面都是凹形的。
图7b示出包括十个透镜元件I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8、I9、I10的中继透镜耦合器，这十个透镜元件再次对称地布置，从两个最靠外的透镜元件向着中继透镜耦合器的中心的成对的透镜元件相互成镜像。在图7a中，四个透镜元件I1、I4、I7、I10是平凸的，两个透镜元件I3、I8是双凹的，两个透镜元件I2、I9是双凸的，即，透镜元件的主面和次面都是凸形的，最后两个透镜元件I5、I6是平凹的，即，它们具有凹面和平面。
透镜元件对的数量不限于图7a至图7b中示出的示例。另外，透镜元件的大小和形状的组合也可有所不同，例如，还可想象平凹、平凸、双凹、和/或双凸透镜元件对的不同组合，这些透镜元件对被设置成使得它们相互形成镜像。
应该注意，除了附图中示出的本发明的示例性实施方式之外，本发明可按不同形式来实施并且不应该被理解为限于本文中阐述的实施方式。确切地，提供这些实施方式，使得本公开将是彻底的和完全的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域中的技术人员。
参考标号
2设备
4外壳
6控制单元
7反射镜
8图像源
9棱镜
10光源
12光调制器
14第一相机
15第一光学耦合器的近端
16第一光纤
17第一光纤的近端
18第一光学耦合器
19第一光学耦合器的远端
20第二光纤
21第二光纤的近端
22第二光学耦合器
23第二光学耦合器的近端
24存储器
25第二光学耦合器的远端
26用户接口
28透镜元件的主表面
29透镜元件的次表面
30医学扫描仪
32磁体
34扫描仪外壳
36扫描仪钻孔
38头线圈
39扫描仪基座
40受试者
42第一透镜组件
44第二透镜组件
46框架
50电力管理部分
52包围扫描仪空间的壁
54光学延长器
IN：第N个透镜元件
I1：第1个透镜元件
I2：第2个透镜元件
I3：第3个透镜元件
I4：第4个透镜元件
I5：第5个透镜元件
I6：第6个透镜元件
I7：第7个透镜元件
I8：第8个透镜元件
I9：第9个透镜元件
I10：第10个透镜元件
din：在进入第一光学耦合器/第二光学耦合器之前的图像的大小
dout：在离开第一光学耦合器/第二光学耦合器之后的图像的大小
f1：第一透镜元件的焦距
f2：第二透镜元件的焦距

Claims (22)

1.一种在医学成像中进行表面扫描的方法，所述方法包括：
提供图像源和第一光纤束，所述第一光纤束包括具有近端和远端的第一光纤；
将所述第一光纤的远端定位在医学扫描仪的扫描仪钻孔内；
将图像从所述图像源供给到第一光学耦合器的近端，所述第一光学耦合器包括多个透镜元件，所述多个透镜元件包括第一透镜元件和第二透镜元件；
将图像从所述第一光学耦合器的远端供给到所述第一光纤的近端。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图像源具有480×320个像素或更多的分辨率。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其中，所述图像源包括数字微镜器件(DMD)芯片。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述图像源连接到控制单元，用于从所述控制单元接收控制信号，所述控制信号包括图案序列选择符，并且其中，所述图像源被构造用于根据所述图案序列选择符来投影不同的图案序列。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述图像源中存储多个不同图案序列，并且所述图像源被构造成投影基于来自所述控制单元的所述图案序列选择符而选择的图案序列。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，所述图像源包括光源，并且使用反射镜或棱镜将光从所述光源导向所述第一光学耦合器。
7.根据之前权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一光学耦合器是中继透镜耦合器。
8.根据之前权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一光学耦合器的远端通过卡扣-释放-联接能释放地固定于所述第一光纤束的近端。
9.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述第一光学耦合器的远端不能释放地固定于所述第一光纤束的近端。
10.根据之前权利要求中的任一项所述的方法，所述方法包括：
提供第二光学耦合器，所述第二光学耦合器包括多个透镜元件，所述多个透镜元件包括第一透镜元件和第二透镜元件；
提供第二光纤束，所述第二光纤束包括具有近端和远端的第二光纤；
将所述第二光纤的远端定位在所述医学扫描仪的扫描仪钻孔内；
通过所述第二光纤的远端从所述钻孔中的受试者采集投影图像；以及
将所述投影图像从所述第二光纤的近端供给到所述第二光学耦合器。
11.一种在医学成像中进行表面扫描的表面扫描设备，所述设备包括：
图像源，
第一光纤束，所述第一光纤束包括具有近端和远端的第一光纤；以及
第一光学耦合器，所述第一光学耦合器将图像从所述图像源耦合到所述第一光纤的近端，
其中，所述第一光学耦合器包括多个透镜元件，所述多个透镜元件包括第一透镜元件和第二透镜元件，所述多个透镜元件中的每个包括面对所述第一光学耦合器的远端的主表面和面对所述第一光学耦合器的近端的次表面。
12.根据权利要求11所述的表面扫描设备，其中，所述图像源具有480×320个像素或更多的分辨率。
13.根据权利要求11至12中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述图像源包括数字微镜器件(DMD)芯片。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述图像源连接到控制单元，用于从所述控制单元接收控制信号，所述控制信号包括图案序列选择符，并且其中，所述图像源被构造用于根据所述图案序列选择符来投影不同的图案序列。
15.根据权利要求14所述的表面扫描设备，其中，在所述图像源中存储多个不同图案序列，并且所述图像源被构造成投影基于来自所述控制单元的所述图案序列选择符而选择的图案序列。
16.根据权利要求11至15中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述第一光学耦合器包括偶数数量的透镜元件，例如，两个、四个、六个、八个、十个、十二个或更多个透镜元件。
17.根据权利要求11至16中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述第一光学耦合器是中继透镜耦合器。
18.根据权利要求11至17中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述第一光学耦合器的远端通过卡扣-释放-联接能释放地固定于所述第一光纤束的近端。
19.根据权利要求11至17中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述第一光学耦合器的远端不能释放地固定于所述第一光纤束的近端。
20.根据权利要求11至19中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述多个透镜元件中的至少一个是消色差的。
21.根据权利要求20所述的表面扫描设备，其中，所述第一透镜元件设置在所述第一光学耦合器的近端并且所述第二透镜元件设置在所述第一光学耦合器的远端，其中，所述第一透镜元件和所述第二透镜元件的凸面指向彼此并且是消色差的。
22.根据权利要求11至21中的任一项所述的表面扫描设备，其中，所述多个透镜元件中的每个的主表面是凹形或凸形的，并且所述多个透镜元件中的每个的次表面是凹形或凸形的。
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