CN105792748A - 光学运动跟踪系统与磁共振成像扫描仪之间的坐标变换的确定 - Google Patents

Abstract

本发明提供磁共振成像(MRI)坐标与光学跟踪坐标之间的改进的交叉校准。校准工具执行初始校准，该校准工具包含可使用MRI扫描仪跟踪的无线有源标记和可使用光学跟踪系统跟踪的光学标记。来自此工具的一个或多个姿势的数据用于提供初始交叉校准。在使用中，校正此初始校准以计及实际相机位置与参考位置之间的差异。在这里，该参考位置是执行该初始校准的相机位置。

Description

光学运动跟踪系统与磁共振成像扫描仪之间的坐标变换的确定

技术领域

本发明涉及医学成像。本发明涉及在同时磁共振成像期间用于人或动物被测对象的运动跟踪的光学跟踪装置的校准。更具体来说，本发明允许光学跟踪装置的坐标系与MRI扫描仪的坐标系之间的坐标变换的计算。

背景技术

磁共振成像(MRI)是用于人和动物的有价值的医学成像技术。MRI经常用于使人体成像，以用于研究和临床目的两者，例如众多疾病的诊断和手术计划。

通常在患者躺在又长又窄的膛孔中的情况下且在经受探测的身体部分位于局限线圈(其用于接收用于图像重构的信号)中的情况下执行磁共振成像。单个扫描持续大约几分钟；整个检查通常由数个扫描组成且持续大约几十分钟。在MRI扫描期间，对于患者来说保持几乎不动是必要的，因为仅几毫米的平移移动或几度的旋转会导致所重构图像中的严重运动伪影。许多患者对此要求感到困难，尤其是老年人、儿童或患有幽闭恐怖症的人。

美国专利号5,545,993描述运动跟踪系统可如何用于通过更新成像磁场以补偿所测量运动而防止磁共振成像期间的运动伪影。此程序现在在术语‘预期运动校正’或‘自适应运动校正’下广为人知。光学跟踪是用于从被测对象获得所需要运动信息的受欢迎方法。光学系统，例如相机独立于正常MRI图像采集且因此该程序需要对MRI脉冲序列的最小修改。基于相机的系统可在高时间分辨率(例如30Hz或更多)下操作，此足以对人被测对象在MRI期间进行的移动取样且进行校正。

关于基于相机的系统的一个挑战是相机的参考系不与MRI扫描仪的参考系自动对准。也就是说，在光学跟踪系统的坐标系中而不在MRI扫描仪的坐标系中规定用光学系统获得的运动参数。因此，跟踪数据必须使用由旋转和平移组成的变换从相机的参考系变换到MRI扫描仪的参考系中。此变换经常存储于单个矩阵中，在该情况下该变换称为齐次变换矩阵。确定此变换矩阵中的条目的过程广泛地称为‘交叉校准’。美国专利号6,490,473中已考虑此类交叉校准。

尽管先前工作描述如何获得准确交叉校准，但所使用的方法对于光学运动校正系统在MRI中的临床部署经常并非实际的。具体来说，常规方法不提供用以进行以下操作的手段：(a)在不具有对校准的初始估计的情况下迅速地(<2分钟)获得对于准确运动校正足够良好的交叉校准，和(b)甚至在以下情况下仍维持交叉校准准确性：在移动或重新定位光学跟踪系统时，例如在光学跟踪系统附接到可移动头部线圈且在患者台上的放置在患者间改变时，或在于MRI检查期间移动患者台时。

发明内容

此作品解决对上文所讨论的校准的需要，该校准即(a)快速初始校准和(b)在移动/重新定位患者台、头部线圈和/或相机系统的情况下的重新校准。在下文中，‘交叉校准’是指确定两个参考系之间的适当坐标变换的过程。

此作品提供用以执行交叉校准的一次性高度准确手段。采用包含对于MRI系统可见的无线有源标记和对于正校准的光学系统可见的光学标记的校准工具。使用MRI扫描仪跟踪无线有源标记的位置和定向：来自这些无线标记的跟踪数据固有地登记在MRI系统的坐标系中。这些无线有源标记刚性地连接到光学标记，使得两个标记系统总是经历相同运动且具有彼此的固定(但未必已知)几何关系。

使用校准工具进行交叉校准的示例方法如下继续进行：执行单个迅速跟踪扫描，在此期间执行对校准工具的一系列小旋转。在此时间期间，从无线有源标记(使用MRI扫描仪跟踪脉冲序列)和光学标记(使用光学跟踪系统)两者收集运动数据。接着在校准工具的同一物理位置处从光学跟踪系统和有源标记跟踪系统两者的跟踪数据提取一系列‘姿势’。依据此，针对两个跟踪系统中的每一者计算连续姿势之间的一系列‘运动’。接着计算从光学坐标系到有源标记坐标系的变换，使得从一个姿势到下一姿势的运动尽可能一致。

通常，光学跟踪系统包含至少第一相机，且此第一相机的位置可从一个扫描到下一扫描改变。相应地，用安置在参考位置处的第一相机执行上文所描述的初始校准，且视需要校正此初始校准以计及相机的实际位置与参考位置之间的任何差异。在某些情况下，使用第二相机来确定第一相机相对于参考位置的位置。校正初始校准以计及新相机位置与重新进行初始校准相比耗费的时间少得多，因此此两步骤过程实际上提供显著减少的交叉校准时间。

附图说明

图1示出MR兼容相机如何放置在MRI扫描仪内侧的头部线圈上以跟踪躺在患者台上的患者的头部运动。

图2示出刚性地附接到MRI扫描仪头部线圈使得不可在两个部件之间发生运动的相机的实例。

图3A示出包含三个‘无线标记’和一个光学跟踪标记的校准工具。

图3B示出校准工具的示例光学跟踪标记。

图4示出包括两个个别相机的相机单元：一个相机面向内、朝向被测对象，且一个相机面向外、朝向MRI扫描仪膛孔的内壁。

图5示出包括一个相机和小镜子以允许被测对象和MRI扫描仪膛孔的内壁的同时观看的相机单元。

图6示出图4和图5中所展示的相机单元可如何跟踪安装于被测对象上的标记而同时通过跟踪安装于扫描仪上的标记而确定其自身在扫描仪内的位置。

图7示出其中膛孔安装式相机观看跟踪相机上的光学标记以提供跟踪相机的相机位置信息的实例。

具体实施方式

图1示出包含MRI扫描仪101和患者台/躺椅102的MRI系统100，其中被测对象105在MRI检查期间躺着。在此实例中，被测对象的头部放置在头部线圈103内侧且使用相机104监视头部运动。此工作的主要目标是提供用以计算相机104的坐标系与MRI扫描仪101的坐标系之间的变换的实际手段。

图2示出相机201的实例，相机201使用已经设计以紧密地装配到头部线圈203的索具202来附接到该头部线圈。该索具确保相机和头部线圈形成刚性主体，也就是相机和头部线圈作为单个物体一起移动。该头部线圈放置在附接到患者台的可移除基座204上。头部线圈中的孔205提供从相机201到被测对象的头部的视线。或者，相机可与MRI头部线圈组件整合在一起。

图3A示出包括三个无线有源标记301和一个光学标记302的示例校准工具300。这些无线标记可被围封在聚碳酸酯盒内，此帮助保护这些无线标记免于物理损坏和失调。可使用塑料手柄304手动旋转该校准工具。此校准工具被配置为安置于容器303中的球形构件305，容器303提供机械支撑同时允许工具移动到各种定向。

在优选实施例中，该校准工具可容易地围绕全部三个轴旋转，使得旋转中心保持接近于MRI扫描仪的等中心点。使校准装置保持在等中心点附近帮助确保借助两个系统的跟踪是准确的。

在优选实施例中，校准工具包含塑料手柄304，操作者或机械致动器可使用塑料手柄304来方便地旋转校准工具，同时维持距校准工具至少10cm的距离。此防止操作者与无线有源标记之间的任何交互作用(通过磁场干扰)。

图3B示出光学标记302的优选配置的实例。在这里，标记302的光学特征是单个地可区分的，且布置成具有已知相对位置的预定图案。此情况的结果是：图案的部分观察足以完全地确定光学标记的位置。举例来说，如果观察到5个白点的棋盘状图案，那么将已知此特征在此图案的第5行(从顶部起)和第11列(从左边起)中。优选地，选择这些特征使得其在存在90度旋转的情况下保持不同。图3B的实例具有此性质。通过全文引用结合在此的US8,848,977中描述与此类光学标记图案相关的进一步细节。

在示例实施例中，一种交叉校准磁共振成像(MRI)坐标与光学跟踪系统的坐标的方法包含以下步骤：1)在该光学跟踪系统的第一相机安置在参考位置处时通过测量校准工具的MRI坐标和光学坐标而执行初始校准；和2)在被测对象的MRI成像之前或在其期间校正该初始校准以计及该第一相机的当前位置与该第一相机的该参考位置之间的任何差异。

用于该初始校准的该校准工具包含由该光学跟踪系统可辨识的光学特征。该校准工具还包含由MRI系统可辨识的无线有源MRI标记。这些光学特征和这些无线有源MRI标记在该校准工具上具有固定相对位置。然而，不需要提前知晓这些相对位置。

该初始校准包含：获得该校准工具的一个或多个不同姿势(其中‘姿势’是位置和定向的组合)的MRI和光学数据；和确定使MRI坐标与光学坐标相关的初始交叉校准坐标变换。在其中该校准工具上的这些光学特征和这些无线有源标记的这些固定相对位置已知为用于该初始校准的输入的情况下，来自该校准工具的单个姿势的数据可足够。如果这些相对位置是未知的，那么将需要来自该校准工具的三个或更多个姿势的数据以确定该初始校准。

校正该初始校准包含：1)确定该第一相机相对于该参考位置的位置；2)使用该相机位置和该初始交叉校准坐标变换确定校正的校准；和3)使用这一校正的校准来使正成像的该被测对象的MRI坐标与光学坐标相关。

优选地，每一无线有源MRI标记包含耦合到共振电路的MR可见样本。在此布置的情况下，可由该MRI系统经由这些无线有源MRI标记的这些共振电路到磁共振系统的一个或多个接收线圈的电感耦合来确定这些无线有源MRI标记的位置。通过全文引用结合在此的US2014/0171784中描述与所述无线有源标记相关的进一步细节。

在优选实施例中，使用校准工具进行初始交叉校准的方法涉及包含短固定周期的逐步运动。在这些周期期间，通过校准算法对跟踪数据求平均以减少跟踪噪声的效应。以此方式，可能借助校准工具在大数目个不同姿势(例如20)中获得高质量跟踪数据。此数目个姿势足以实现准确交叉校准。此还允许使用自动化校准程序，其中校准工具安装在计算机控制的旋转载台上以用于执行校准的高度精确运动操纵。

在另一实施例中，提前知晓光学标记与无线有源标记之间的几何关系。也就是说，光学标记和无线标记放置在校准工具上的已知位置中。在此情况下，来自单个姿势的数据足以确定光学跟踪坐标系与MRI坐标系之间的变换矩阵，从而将校准时间减少到小于500ms。

用于依据从校准工具姿势收集的光学和MRI数据确定交叉校准的适合方法在此项技术中是已知的。一般来说，这些方法称为手眼校准方法。举例来说，由查妮森(Zahneisen)等人在通过全文引用结合在此的标题为“外部运动跟踪装置的快速非迭代校准(Fastnoniterativecalibrationofanexternalmotiontrackingdevice)”(医学中的磁共振(MagneticResonanceinMedicine)，v71n4，第1489页到第1500页，2014年)的文章中描述一种此类方法对MRI的应用。

使用无线标记的本发明方法允许对校准工具的姿势的极高速度(例如20Hz或更快)跟踪。此相对于查妮森的手眼校准方法提供巨大实际优点，在查妮森的手眼校准方法中，通过扫描体模而获得每一姿势(此花费约2分钟)。最低限度地，需要三个不同姿势，从而给出姿势之间的两个不同非平行运动。

总之，如上文所描述的方法给出执行快速初始校准的能力，该快速初始校准提供使由相机和其定向(在相机参考位置处)限定的光学参考系相对于由MRI扫描仪的梯度系统限定的MR参考系相关的准确变换矩阵。以下说明提供校正坐标变换以计及偏离参考位置的相机位置的实例，和用以确定所需要相机位置信息的各种方式的实例。

一个重要特殊情况是确定相机的z位置。在这里，像往常一样，z方向沿着MRI系统的膛孔。可从MRI系统的患者台的位置编码确定z偏移。

如果需要从MRI扫描仪或患者躺椅移除/重新定位光学系统，那么期望稍后在不必须重复上文所描述的初始校准程序的情况下重新装设该光学系统。我们的实验指示：可移除相机且沿x和y方向在+/-0.5mm内且围绕x、y和z在+/-0.5度的旋转内可再现地重新定位相机。此可通过使用刚性附接将相机牢固地安装在头部线圈上来实现。不可再现的唯一自由度是z，其对应于患者头部到脚方向。沿此方向重新定位是不可再现的，因为那是患者台的运动方向。换句话说，如果从扫描仪取出相机，那么相机稍后可容易地返回到同一地方，惟头部到脚(z)方向的移位除外。

由于上述原因，因此可能在计及沿z方向的未知重新定位误差的情况下在移除相机且接着重新装设相机之后维持正确相机校准。可使用以下方法实现此目的。

初始交叉校准的结果是4乘4齐次变换矩阵H。此齐次变换矩阵包含3乘3旋转矩阵R和3乘1平移向量v，即，

$H=\left[\begin{array}{cc}R& v\\ \left(000\right)& 1\end{array}\right]$

且其中平移向量v含有三个分量

$v=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$

且x、y和z分别描述沿扫描仪x、y和z方向从MRI扫描仪坐标系的原点到光学跟踪坐标系的原点的移位。类似地，旋转矩阵R描述光学跟踪坐标系相对于扫描仪坐标系的旋转。作为实例，典型矩阵H可为

$H=\left[\begin{array}{cccc}0.92& -0.02& 0.40& -47.84\\ 0.40& 0.04& -0.92& -189.05\\ -0.00& 1.00& 0.04& 5.25\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

其中列4、行1到3中的三个数字分别对应于位于沿x、y和z方向距扫描仪等中心点47.84mm、189.05mm和5.25mm远的相机参考系。

在优选实施例中，为患者台机构的一部分的‘位置编码器’传回指示沿z方向的台位置的值。当执行初始校准时，连同所计算变换矩阵记录此值t_z0。不论何时重新装设相机或使台移动，都从位置编码器获得新值t_z1。接着更新变换矩阵的平移向量分量，使得用z’替换z(描述沿z方向的移位的平移向量的分量)，即，

$v=\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right],$

其中z’＝z+(t_z1–t_z0)。

在另一实施例中，经由跟踪患者台的激光测距系统或干涉仪获得位置信息(即，t_z0和t_z1)。还可使用基于激光测距或干涉仪的方法直接跟踪RF线圈或相机。再次，除z以外的自由度可通过使用确保相机沿这些其他自由度的准确重新定位的索具来处置。

在另一实施例中，经由相机系统自身获得位置信息。在此实施例中，相机板包含一个面向内相机和一个面向外相机，其中彼此的几何关系是已知的。以此方式，相机可跟踪被测对象运动和附接到MRI膛孔且对面向外相机可见(但不限于对面向外相机可见)的固定位置标记的位置两者。图4示出此方法的实例。跟踪系统400包含双向相机板410，双向相机板410经设计以通过监视扫描仪膛孔的内壁上的标记的位置(其已知为固定的)而同时跟踪被测对象运动和相机自身的位置两者。该相机板包含一个面向内相机411(视场指代为416)、一个面向外相机412(视场指代为415)和分别提供被测对象和扫描仪膛孔的照明的对应LED(413和414)。相机411和412的相对位置是已知的。

在另一实施例中，相机单元含有单个相机，但还含有位于相机的视场中的(任选地可伸缩式)镜子。在相机同时跟踪被测对象运动时，此镜子允许相机跟踪位于相机后面在扫描仪膛孔上的标记。图5示出此方法的实例。在这里，跟踪系统500包含仅需要单个相机511的双向板510。使用两个LED(分别是512和513)沿向内和向外两个方向提供照明。位于相机的视场中的小镜子520提供相机后面的视线，此用于跟踪安装在扫描仪膛孔的内壁上的标记。镜子520和相机511使用刚性连接521彼此附接，使得镜子520和相机511无法彼此独立地移动。

图6示出图4和图5中所示出的双向相机单元可如何用于被测对象运动和相机-扫描仪变换矩阵的调整的同时跟踪。被测对象601位于RF线圈602内，RF线圈602在固定MRI扫描仪600的膛孔603内。相机单元610使用面向内相机跟踪安装在被测对象611上的标记。用面向内相机进行跟踪以30Hz或更大的速率且以六个自由度操作，以完全地捕获被测对象的运动。使用面向外相机，相机单元610跟踪安装在扫描仪膛孔的内壁上的膛孔光学标记612。此使得能够计算相机相对于扫描仪膛孔的位置。面向外相机可以比30Hz低得多的速率操作，因为(举例来说)在患者台的重新定位期间仅偶尔移动头部线圈和相机单元。面向外相机和膛孔光学标记612经常仅用于测量相机单元沿z方向的位置，因为患者台和头部线圈经常仅具有沿此方向移动的自由度。

在这里，膛孔光学标记在相对于参考位置的已知位置处固定到MRI系统的膛孔。确定第一相机相对于参考位置的位置包含用光学跟踪系统观察膛孔光学标记。

在又一实施例中，第二相机使用本文所描述的方法中的一者永久地且刚性地固定到扫描仪膛孔且已相对于扫描仪被校准。此第二相机监视刚性地附接到安装在RF线圈上的第一相机的外壳的标记的位置和定向。以此方式，可在执行第一相机的交叉校准程序之后移动第一相机且可基于如第二相机所见的标记的位置而调整变换矩阵。在这里，第二相机在相对于参考位置的已知位置处固定到MRI系统的膛孔，且确定第一相机相对于参考位置的位置包含用第二相机观察固定到第一相机的光学标记。

图7示出此方法的实例。被测对象701位于RF线圈702内，RF线圈702在固定MRI扫描仪700的膛孔703内。第一相机单元710跟踪安装在被测对象701上的光学标记711。第二相机720安装在扫描仪膛孔703的内侧上且跟踪安装在第一相机上的光学标记721。此允许测量第一相机710相对于MRI扫描仪的位置的改变。接着可相应地调整第一相机的交叉校准变换矩阵。

在又一实施例中，无线有源标记(或流电连接的标记)附接到相机外壳或RF线圈。接着使用无线标记跟踪脉冲序列来确定相机在MRI扫描仪的坐标系中的位置和定向。如果使用三个或更多个标记，那么可计算坐标变换的全部六个自由度。然而，仅需要单个标记来确定相机系统沿z方向的位置，且可如上文所描述而更新变换矩阵。这些标记含有低MR可见性的样本(例如硅酮，而非掺杂钆的水)。此确保这些标记产生足以用于跟踪的信号但在MR图像上不可见。在这里，MRI可见相机标记固定到第一相机，且确定第一相机相对于参考位置的位置包含使用MRI系统确定MRI可见相机标记的位置。

Claims (11)

1.一种交叉校准磁共振成像(MRI)坐标与光学跟踪系统的坐标的方法，所述方法包括：

a)当所述光学跟踪系统的第一相机安置在参考位置处时通过测量校准工具的MRI坐标和光学坐标来执行初始校准；

其中所述校准工具包含由所述光学跟踪系统可辨识的光学特征；

其中所述校准工具包含由MRI系统可辨识的无线有源MRI标记，其中所述光学特征和所述无线有源MRI标记在所述校准工具上具有固定的相对位置；

其中所述初始校准包括获得所述校准工具的一个或多个不同姿势的MRI数据和光学数据且确定使MRI坐标与光学坐标相关的初始交叉校准坐标变换；

b)在MRI被测对象的成像之前或在其期间，i)确定所述第一相机相对于所述参考位置的位置，ii)使用所述相机位置和所述初始交叉校准坐标变换来确定校正的校准，且iii)使用所校正的校准来使正被成像的所述被测对象的MRI坐标与光学坐标相关。

2.如权利要求1所述的方法，其中每一无线有源MRI标记包含耦合到共振电路的MR可见的样本，且其中可经由所述无线有源MRI标记的共振电路与磁共振系统的一个或多个接收线圈的电感耦合来确定所述无线有源MRI标记的位置。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述光学特征是可单独区分的，且其中所述光学特征布置成具有已知相对位置的预定图案，由此所述图案的部分观察足以完全地确定光学标记的位置。

4.如权利要求1所述的方法，其中z方向沿着所述MRI系统的膛孔，且其中确定所述第一相机相对于所述参考位置的位置包括确定所述相机的z偏移。

5.如权利要求4所述的方法，其中从所述MRI系统的患者台的位置编码确定所述z偏移。

6.如权利要求1所述的方法，其中MRI可见的相机标记固定到所述第一相机，且其中确定所述第一相机相对于所述参考位置的位置包括使用所述MRI系统来确定所述MRI可见的相机标记的位置。

7.如权利要求1所述的方法，其中膛孔光学标记在相对于所述参考位置的已知位置处固定到所述MRI系统的膛孔，且其中确定所述第一相机相对于所述参考位置的位置包括用所述光学跟踪系统观察所述膛孔光学标记。

8.如权利要求1所述的方法，其中第二相机在相对于所述参考位置的已知位置处固定到所述MRI系统的膛孔，且其中确定所述第一相机相对于所述参考位置的位置包括用所述第二相机观察固定到所述第一相机的光学标记。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述初始校准包括获得所述校准工具的三个或更多个不同姿势的MRI数据和光学数据，由此提供用于校准的两个或更多个不同运动。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述光学特征和所述无线有源标记在所述校准工具上的固定的相对位置是用于所述初始校准的已知输入。

11.如权利要求1所述的方法，其中在不知晓所述光学特征和所述无线有源标记在所述校准工具上的固定的相对位置的情况下计算所述初始校准。