CN115956914A - 一种基于ct和serf的心磁成像配准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统及方法，包括心磁配准模块，CT配准模块。心磁配准模块包括多匝圆形定位线圈，可调节式贴片限位装置，定位线圈可固定在限位装置凸起处。CT配准模块包含外观与心磁配准模块弧形基准物一致的非磁性标记物。CT扫描获取人体躯干部分影像结构，进行分割与三维重建；根据定位线圈可以获取人体和磁强计的相对位置关系。心磁配准模块弧形基准物与CT配准模块弧形基准物由最近邻算法进行配准，从而完成CT坐标系与磁强计坐标系的转换。此系统不受人体呼吸作用的影响，提高了配准精度，使得心磁设备更加完善，推进后续三维成像应用。

Description

一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统及方法

技术领域

本发明属于心磁成像技术领域，尤其涉及一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统及方法。

背景技术

超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，SQUID)心磁测量装备，目前已有近50年代的发展，但是因其维护昂贵，成本极高，并且需要在配套磁屏蔽房内使用，移动不便等原因，目前尚未广泛应用。近年来，SERF(Spin ExchangeRelaxation Free,SERF)磁强计成为研究热点，碱金属原子光泵磁强计作为目前灵敏度最高的磁场传感器，逐渐开始用于进行生物磁测量。相比于SQUID，SERF磁强计体积小，室温下正常使用，便于移动，能够根据病人的需求设计不同的装置，因此具有广阔的研究市场。心磁测量系统在朝着小型化、低成本发展，推动心脏磁场信号的临床应用。

心磁三维成像需要医学影像结构，进行多模态配准，从而能够对病人病灶进行精准定位。在进行心磁三维成像前，需将不同设备的坐标系进行配准。目前常用的心磁配准方式为在人体胸腔表面粘贴标记物，在进行CT扫描时，相应位置粘贴同样标记物对心磁进行配准。基于皮肤表面标记物的配准方法多分布于胸腔且标记点个数较少，受人体呼吸作用影响，定位精度差。降低人体呼吸作用以及标记物误差引起的配准误差，提升配准的的精度以实现更高的源定位准确性和可重复性是我们要解决的难题。为此，亟需一种能够基于CT和SERF的高精度心磁配准方法及系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统及方法，用于多模态心磁三维成像。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统，包括心磁配准模块，CT配准模块，所述心磁配准模块包括心磁配准模块弧形基准物及位于心磁配准模块弧形基准物中的圆形的定位线圈，所述CT配准模块包括与心磁配准模块弧形基准物外形一致的非磁性材料制成的CT配准模块配准基准物。

进一步地，所述心磁配准模块包括高精度电流源，为圆形的定位线圈提供稳定高频的微弱电流信号。

进一步地，所述心磁配准模块弧形基准物为树脂材料，上方具有圆柱体底座及环形支撑柱固定定位线圈。

进一步地，所述心磁配准模块为两个，分别设于被试者躯干两侧，不受呼吸运动影响。

进一步地，包括心磁检测设备，所述心磁检测设备包括心磁磁强计阵列面板，心磁床以及心磁磁屏蔽桶，所述心磁磁强计阵列面板能够任意调节高度与角度，心磁床配置心磁配准模块弧形基准物。

进一步地，包括CT检测设备，CT成像前，在被试者身体两侧固定CT配准模块配准基准物，CT成像时采集CT配准模块配准基准物的信息。

进一步地，所述心磁配准模块弧形基准物与CT配准模块配准基准物由基准点及最近邻算法进行配准。

本发明还提供一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统的配准方法，包括以下步骤：

步骤一：被试者躺在心磁床上，移动心磁面板，使心磁面板中间位置对准人体剑突位置；

步骤二：调整心磁床两侧的心磁配准模块弧形基准物，使其与人体两侧贴合，定位线圈装配在心磁配准模块弧形基准物固定位置，被试者进入心磁磁屏蔽桶内，心磁检测设备开始工作；

步骤三：启动高精度电流源，给心磁配准模块的定位线圈提供微弱高频电流信号，使其工作；

步骤四：开始采集心磁数据，保存数据；

步骤五：心磁信号采集完毕后，被试者佩戴CT配准模块配准基准物，佩戴位置与心磁配准弧形基准物位置一致，均为身体两侧；被试者仅佩戴CT配准模块配准基准物进行CT扫描，获得CT影像结构，保存CT数据；

步骤六：对保存的CT数据进行分割与三维重建，将心磁图中圆形的定位线圈所在位置与CT影像中CT配准模块配准基准物所在位置进行基准点配准，后续将心磁配准模块弧形基准物与CT重建结构进行精配准，利用最近邻点云方法，提升配准精度。

进一步地，所述步骤六中，根据基准点利用最小二乘法进行刚性配准，具体方法为：

已知点集P＝{p₁,p₂,...,p_n}，Q＝{q₁,q₂,...,q_n}，寻得旋转矩阵R,平移向量t，使误差函数

趋于最小值，所述点集P由通过SERF检测心磁配准模块基准物处圆形的定位线圈位置坐标构成，点集Q由CT扫描检测得到CT配准模块配准基准物中圆形线圈的固定底座坐标构成。

进一步地，所述步骤六中，利用最近邻点云法，通过欧式变换求解出两片点云的旋转平移矩阵及对应的配准误差，包括：

将进行刚性配准之后的数据，进行点云配准，利用均方根误差评价误差，具体由下述公式表述：

其中，p_closest为经过配准后的SERF数据点集P中的点p_i与刚性配准后的数据点集Q中最相邻的点，求解旋转矩阵R,平移向量t，使得E为最小值。

本发明相对于现有技术优势在于：

(1)本发明通过将基于SERF的心磁设备与CT设备相结合，并且搭建两种设备的配准模块，进行两种设备影像融合，为心磁三维成像奠定了基础，促进新一代心磁图仪技术发展。

(2)本发明通过设计集成化可拆卸的配准模块，即心磁配准模块在心磁装置上可拆卸，对每个被试都能适用。能够精准定位所述配准标记物，能够获得标记物与传感器模块的相对位置信息，后续利用本身结构件以及标记坐标，能够与CT三维重建结构进行配准，此系统不受人体呼吸作用的影响，提高了配准精度，使得心磁设备更加完善，推进后续三维成像应用。

(3)本发明中，被试者先进行心磁检测，后续佩戴与心磁装置配准模块一致的CT配准模块进行CT扫描，该方法即可缩短配准时间，又能提高配准精度，促进心磁三维成像技术发展。

附图说明

图1是本发明一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统的结构示意图；

图2是本发明一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统的配准结构示意图；

图3是本发明一种基于CT和SERF的心磁成像配准方法的流程图。

图中各标号列示如下：1-心磁磁屏蔽桶；2-心磁磁强计阵列面板；3-SERF磁强计；4-心磁磁强计阵列固定臂；5-心磁配准模块弧形基准物；6-圆柱体底座及环形支撑柱；7-高精度电流源；

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

本发明的一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统，包括心磁配准模块，CT配准模块。心磁配准模块包括多匝圆形的定位线圈，可调节式贴片限位装置，定位线圈可固定在限位装置凸起处。如图1所示，本发明包括心磁磁屏蔽桶1，心磁配准模块弧形标记基准物5，所述心磁配准模块弧形标记基准物5为两个，考虑到呼吸作用影响将两个心磁配准模块弧形基准物5分布在身体两侧，所述心磁配准模块弧形基准物5每个上均有3个圆柱体底座及环形支撑柱6，用于固定定位线圈。所述圆柱体底座及环形支撑柱6垂直于心磁配准模块弧形基准物5。SERF磁强计3排列插入心磁磁强计阵列面板2，利用心磁磁强计阵列固定臂4调节SERF磁强计3与人体相对位置。CT配准模块配准基准物与心磁配准模块弧形基准物5一致，具有圆柱体底座及环形支撑柱6，两者均由树脂材料制成,所述CT配准模块基准物在CT扫描成像时能够看到，能够快速定位基准点。CT配准模块基准物与心磁配准模块弧形基准物5一致，减小配准误差，缩短实验准备时间。将CT与SERF心磁装置相结合，实现心磁图与CT三维影像结构的快速配准，进行后续三维成像，促进心磁图在临床中的应用。通过集成化设计即使得心磁配准模块在心磁装置上可拆卸，对每个被试者都能适用。本发明能够精准定位心磁配准模块弧形基准物，能够获得基准物与传感器模块的相对位置信息，后续利用本身结构件以及标记坐标，能够与CT三维重建结构进行配准，此系统不受人体呼吸作用的影响，提高了配准精度，使得心磁设备更加完善，推进后续三维成像应用。

所述心磁配准模块包括高精度电流源7，用于产生稳定强度的微弱电流信号供定位线圈工作，SERF磁强计3检测心磁信号时从中提取定位线圈信号，进行定位。

圆形的所述定位线圈如图2所示，固定在圆形底座上，定位线圈为4匝，内径5mm，线径0.5mm。使用高精度电流源7产生稳定强度交流电，通入圆形的定位线圈中使其产生特定的磁场，SERF磁强计3能够识别并计算线圈与磁强计之间的位置关系。

所述心磁配准模块弧形基准物5为树脂材料，弧长120mm，宽50mm，厚度为5mm，所述圆柱体底座及环形支撑柱6中，圆形底座直径为10mm，高度为5mm，环形支撑柱直径为5mm，高度为7mm。CT模块配准基准物与心磁配准模块弧形基准物5大小一致，基准物密度与人体组织不同，在进行CT扫描时能够从图像中提取，对人体结构进行三维重建，基于基准物进行快速刚性配准。

SERF心磁装置包括心磁磁屏蔽桶1，心磁磁强计阵列面板2，SERF磁强计3，心磁磁强计阵列固定臂4，以及心磁配准模块。心磁磁屏蔽桶1为SERF磁强计3工作提供极弱磁场环境，SERF磁强计3插入心磁磁强计阵列面板2中固定，心磁磁强计阵列固定臂4能够前后上下移动，使心磁磁强计阵列面板2中心位置位于被试剑突位置。调整心磁配准模块弧形基准物5，使其贴在人体两侧，不受呼吸作用影响，定位结果更加准确。

所述基于CT和SERF的心磁成像配准系统，包括CT设备，CT成像前，在被试身体两侧固定CT配准模块配准基准物，CT成像时采集基准物信息。CT配准模块配准基准物与心磁配准模块弧形基准物5外形一致，进一步提升配准精度，降低配准误差。

所述圆柱体底座及环形支撑柱6与心磁配准模块弧形基准物5表面垂直，方便定位以及在CT三维成像后进行标记。只需在定位线圈支撑柱中心标记，方便快捷。

所述心磁配准模块弧形基准物5的定位线圈位置与CT配准模块配准基准物的基准点利用最小二乘法进行刚性配准，后续根据最近点点云进行精配准。

实施例二

本发明的一种基于CT和SERF的心磁成像配准方法，使用上述基于CT和SERF的心磁成像配准系统进行心磁配准，具体实施包括以下步骤：

步骤一：被试者躺在心磁床板上，SERF磁强计3固定在心磁磁强计阵列面板2，移动心磁磁强计阵列固定臂4使心磁磁强计阵列面板2中间位置对准人体剑突位置；

步骤二：调整心磁床板两侧的心磁配准模块弧形基准物5，使其与人体两侧贴合，定位线圈装配在心磁配准模块弧形基准物5的圆柱体底座及环形支撑柱6上，被试者进入心磁磁屏蔽桶1内，心磁信号检测模块开始工作。

步骤三：启动高精度电流源7，给心磁配准模块的定位线圈提供稳定微弱高频电流信号，使其工作。

步骤四：启动SERF磁强计3，开始采集心磁数据，保存相应信息。

步骤五：心磁信号采集完毕后，被试者佩戴CT配准模块配准基准物，佩戴位置与心磁配准模块弧形基准物5位置一致，均为身体两侧。被试者仅佩戴CT配准模块配准基准物进行CT扫描，获得CT影像结构，保存CT数据。

步骤六：对保存的CT数据进行分割与三维重建，将心磁图中圆形的定位线圈所在位置与CT影像中基准物所在位置进行基准点配准，后续将CT配准模块配准基准物的弧形基准物与CT重建结构进行精配准，利用最近邻点云方法，提升配准精度。

作为优选，基准点利用最小二乘法进行刚性配准，具体方法为：

已知点集P＝{p₁,p₂,...,p_n}，Q＝{q₁,q₂,...,q_n}，寻得旋转矩阵R,平移向量t，使误差函数

趋于最小值，所述点集P由通过SERF检测心磁配准模块弧形基准物5处圆形的定位线圈位置坐标构成，点集Q由CT扫描检测得到CT配准模块配准基准物中圆形线圈的固定底座坐标构成。

利用最近邻点云法，通过欧式变换求解出两片点云的旋转平移矩阵及对应的配准误差。对所述进行刚性配准之后的数据，进行点云配准，利用均方根误差评价误差。具体可由下述公式表述：

其中，p_closest为经过配准后的SERF数据点集P中的点p_i与刚性配准后的数据点集Q中最相邻的点，求解新的旋转矩阵R,平移向量t，使得E为最小值。

心磁配准工作中，心磁配准模块的定位线圈的位置获取以及与CT三维成像中对应基准物坐标获取，直接影响配准精度。本发明将心磁配准模块与CT配准模块分别进行数据采集，数据存储与数据库中，利用刚性配准叠加点云配准精配准，提升配准精度。配准之后得到多模态数据，结合临床研究以及心磁数据，进行下一步心磁成像数据处理。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于CT和SERF的心磁成像配准系统，其特征在于，包括心磁配准模块，CT配准模块，所述心磁配准模块包括心磁配准模块弧形基准物及位于心磁配准模块弧形基准物中的圆形的定位线圈，所述CT配准模块包括与心磁配准模块弧形基准物外形一致的非磁性材料制成的CT配准模块配准基准物。

2.根据权利要求1所述的基于CT和SERF的心磁成像配准系统，其特征在于，所述心磁配准模块包括高精度电流源，为圆形的定位线圈提供稳定高频的微弱电流信号。

3.根据权利要求1所述的基于CT和SERF的心磁成像配准系统，其特征在于，所述心磁配准模块弧形基准物为树脂材料，上方具有圆柱体底座及环形支撑柱固定定位线圈。

4.根据权利要求1所述的基于CT和SERF的心磁成像配准系统，其特征在于，所述心磁配准模块为两个，分别设于被试者躯干两侧，不受呼吸运动影响。

5.根据权利要求1所述的基于CT和SERF的心磁成像配准系统，其特征在于，包括心磁检测设备，所述心磁检测设备包括心磁磁强计阵列面板，心磁床以及心磁磁屏蔽桶，所述心磁磁强计阵列面板能够任意调节高度与角度，心磁床配置心磁配准模块弧形基准物。

6.根据权利要求1所述的基于CT和SERF的心磁成像配准系统，其特征在于，包括CT检测设备，CT成像前，在被试者身体两侧固定CT配准模块配准基准物，CT成像时采集CT配准模块配准基准物的信息。

7.根据权利要求1所述的基于CT和SERF的心磁成像配准系统，其特征在于，所述心磁配准模块弧形基准物与CT配准模块配准基准物由基准点及最近邻算法进行配准。

8.一种权利要求1-7之一所述的基于CT和SERF的心磁成像配准系统的配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：被试者躺在心磁床上，移动心磁面板，使心磁面板中间位置对准人体剑突位置；

步骤二：调整心磁床两侧的心磁配准模块弧形基准物，使其与人体两侧贴合，定位线圈装配在心磁配准模块弧形基准物固定位置，被试者进入心磁磁屏蔽桶内，心磁检测设备开始工作；

步骤三：启动高精度电流源，给心磁配准模块的定位线圈提供微弱高频电流信号，使其工作；

步骤四：开始采集心磁数据，保存数据；

步骤五：心磁信号采集完毕后，被试者佩戴CT配准模块配准基准物，佩戴位置与心磁配准弧形基准物位置一致，均为身体两侧；被试者仅佩戴CT配准模块配准基准物进行CT扫描，获得CT影像结构，保存CT数据；

步骤六：对保存的CT数据进行分割与三维重建，将心磁图中圆形的定位线圈所在位置与CT影像中CT配准模块配准基准物所在位置进行基准点配准，后续将心磁配准模块弧形基准物与CT重建结构进行精配准，利用最近邻点云方法，提升配准精度。

9.根据权利要求8所述的配准方法，其特征在于，所述步骤六中，根据基准点利用最小二乘法进行刚性配准，具体方法为：

已知点集P＝{p₁,p₂,...,p_n}，Q＝{q₁,q₂,...,q_n}，寻得旋转矩阵R,平移向量t，使误差函数

趋于最小值，所述点集P由通过SERF检测心磁配准模块基准物处圆形的定位线圈位置坐标构成，点集Q由CT扫描检测得到CT配准模块配准基准物中圆形线圈的固定底座坐标构成。

10.根据权利要求9所述的配准方法，其特征在于，所述步骤六中，利用最近邻点云法，通过欧式变换求解出两片点云的旋转平移矩阵及对应的配准误差，包括：

将进行刚性配准之后的数据，进行点云配准，利用均方根误差评价误差，具体由下述公式表述：

其中，p_closest为经过配准后的SERF数据点集P中的点p_i与刚性配准后的数据点集Q中最相邻的点，求解旋转矩阵R,平移向量t，使得E为最小值。

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