生物医学成像中的实时适应性运动补偿的运动追踪系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 关联申请的援引加入
[0002] 本申请是一件PCT申请，它要求2013年2月1日提交的题为"MOTIONTRACKING SYSTEMFORREALTIMEADAPTIVEMOTIONCOMPENSATIONINBIOMEDICALIMAGING(生物医 学成像中的实时适应性运动补偿的运动追踪系统）"的美国临时专利申请No. 61/759, 883 的权益，该临时专利申请W引用方式全篇包含于此。
技术领域
[0003] 本公开文本总体设及生物医学成像机领域，更具体地设及医疗成像扫描（例如核 磁共振扫描）的适应性运动校正的系统。
【背景技术】
[0004] "层析成像"的成像技术产生对象的多个切片的图像。一些常用的层析成像技术 包括但不仅限于核磁共振成像（MRI)和核磁共振波谱（MR巧技术，它们对于评价活脑及其 它器官的结构、生理机能、化学作用和机能是理想的，不管在活体内的还是非侵入性的。由 于感兴趣的对象经常W许多扫描步骤成像W建立完整的二维或Ξ维视图，因此扫描是长时 间的，经常持续几分钟或更多时间。为了增加层析成像扫描的分辨率（详细度），必须使用 更多切片和更多扫描步骤，运进一步增加了扫描的持续时间。扫描也可W是为了获得足够 的信噪比而是长时间的。当前已知或未来将研发出的核磁共振技术（包括层析成像技术） (下文中统称为"MR"或"MRI")也可提供相对高的空间和时间分辨率，是非侵入性的且可 重复的，并且可W对儿童和婴儿进行。然而，由于它们的持续时间，MR扫描可能会受患者或 对象的运动问题影响。
【发明内容】
阳0化]为了该
【发明内容】
，本文描述了本发明的某些方面、优势和新颖性特征。要理解，不 一定所有运些优势都能根据本发明的任何具体实施例来获得。因此，例如本领域内技术人 员将认识到，本发明可W运样一种方式实现：它取得本文教示的一个优势或一组优势，但不 一定取得本文可能教示或暗示的其它优势。
[0006] 在一个实施例中，用于在生物医学成像过程中追踪对象的运动并补偿对象运动的 生物医学系统包括：生物医学成像扫描仪，其被配置成执行对象的扫描W产生对象的生物 医学图像；至少一个检测器，用于产生描述对象的至少一个界标的数据，其中所述至少一个 检测器被配置成相对于对象定位W允许所述至少一个检测器检测在扫描过程中所述界标 的移动；检测器处理接口，其被配置成基于分析从至少一个检测器接收的所述数据而确定 对象的运动，所述检测器处理接口被配置成生成对象的运动追踪数据；W及扫描仪控制器， 用于控制生物医学成像扫描仪的至少一个参数，其中所述扫描仪控制器被配置成基于运动 追踪数据调整扫描仪参数，所述扫描仪参数被配置成控制生物医学成像扫描仪Wi全释对象 扫描过程中的对象运动。
[0007] 在一个实施例中，至少一个检测器被定位在生物医学成像扫描仪的孔内。在一个 实施例中，至少一个检测器仅包括被配置成不对生物医学成像扫描仪产生干扰的器件。在 一个实施例中，至少一个界标包括对象的脸部特征。在一个实施例中，脸部特征包括上飄骨 的至少一个齿。在一个实施例中，界标包括对象的器官。在一个实施例中，至少一个界标包 括投影到对象上的图像。在一个实施例中，至少一个检测器处理接口被配置成利用图谱分 割技术W识别对象的至少一个界标。在一个实施例中，至少一个检测器被配置成产生描述 对象的第一界标和第二界标的数据，其中检测器处理接口被配置成利用第一运动追踪技术 W确定第一界标的运动，并利用第二运动追踪技术W确定第二界标的运动，检测器处理接 口被配置成基于分析第一界标和第二界标的确定运动来确定对象的运动。在一个实施例 中，检测器处理接口被配置成将第一权重因子施加至第一界标的确定运动并将第二权重因 子施加至第二界标的确定运动，其中第一权重因子基于第一运动追踪技术的历史精度而第 二权重因子基于第二运动追踪技术的历史精度。
[0008] 在一个实施例中，一种在生物医学成像过程中通过扫描仪追踪对象的运动并补偿 对象的运动的计算机实现方法包括：通过计算机系统评价对象的图像；通过计算机系统在 图像中识别对象的界标，所述界标是自然存在于对象中的特征；通过计算机系统访问对象 的多个图像；通过计算机系统追踪对象的多个图像中的界标的移动；通过计算机系统将第 一基准平面内的移动转换至扫描仪的第二基准平面；通过计算机系统基于第二基准平面内 的移动产生数据参数，所述数据参数被配置成调整扫描仪的扫描参数Wi全释对象的运动； W及通过计算机系统将数据参数发送至扫描仪控制器，所述扫描仪控制器被配置成控制扫 描仪的扫描参数。
[0009] 在一个实施例中，图像来自视频。在一个实施例中，对象图像的访问来自被定位在 扫描仪的孔中的至少一个检测器。在一个实施例中，至少一个检测器仅包括被配置成不对 扫描仪产生干扰的器件。在一个实施例中，界标包括脸部特征。在一个实施例中，脸部特征 包括上飄骨的至少一个齿。在一个实施例中，界标包括器官。在一个实施例中，识别包括利 用图谱分割技术来识别对象的界标。在一个实施例中，计算机实现方法还包括：通过计算机 系统在图像中识别第二界标，所述界标的识别通过利用第一运动追踪技术实现W确定界标 的运动，并且第二界标的识别通过利用第二运动追踪技术实现W确定第二界标的运动，所 述追踪包括确定多个对象图像中的界标和第二界标的移动，其中该移动是界标运动和第二 界标运动的平均值。在一个实施例中，移动是通过下列方式确定的：对界标的确定运动施加 第一权重因子W产生第一权重运动；并对第二界标的确定运动施加第二权重因子W产生第 二权重运动；并对第一和第二权重运动求平均，其中第一权重因子基于第一运动追踪技术 的历史精度而第二权重因子基于第二运动追踪技术的历史精度。
【附图说明】
[0010] 下面参照各实施例的附图详细描述本发明的前述和其它特征、方面和优势，运些 附图旨在解释本发明而非限定本发明。附图包括下列图，其中：
[0011] 图1是示出的一个实施例的生物医学成像机的运动追踪系统的示意图。
[0012] 图2是描述一个实施例的运动追踪系统的框图。
[0013] 图3是描述一个实施例的运动追踪系统的框图。
[0014] 图4是描述一个实施例的运动追踪系统的框图。
[0015] 图5描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[0016] 图6描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[0017] 图7示出将来自一个W上运动追踪控制器或过滤器的位置估计组合起来W产生 单个或联合的位置估计的例子的一个实施例的处理流程图。
[0018] 图8描绘了示出在成像扫描过程中估计特征的追踪的例子的实施例的处理流程 图。
[0019] 图9是示出一个实施例的运动追踪系统的示意图的。
[0020] 图10是描述一个实施例的运动追踪系统的框图。
[0021] 图11是描述一个实施例的运动追踪系统的框图。
[0022] 图12描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[0023] 图13描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[0024] 图14描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[00巧]图15描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的另一实施例的处理流程图。
[00%] 图16描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[0027] 图17是描述一个实施例的运动追踪系统的框图。
[0028] 图18示出与追踪数据重叠和图片追踪重叠相结合的扫描仪图像的实施例。
[0029] 图19描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[0030] 图20描绘了示出使用运动追踪系统追踪和补偿生物医学成像中的运动的一个例 子的实施例的处理流程图。
[0031] 图21示出追踪运动显示的一个实施例。
[0032] 图22A示出追踪运动显示的一个实施例。
[0033] 图22B示出追踪运动显示的一个实施例。
[0034] 图22C示出追踪运动显示的一个实施例。
[0035] 图22D示出追踪运动显示的一个实施例。
[0036] 图23A示出追踪运动显示的一个实施例。 阳037] 图23B示出追踪运动显示的一个实施例。
[0038] 图23C示出追踪运动显示的一个实施例。
[0039] 图24是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的侧视图的示意图。
[0040] 图25是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的另一实施例的前视 图的不意图。
[0041] 图26是示出作为图25的运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的侧视图的示 意图。
[0042] 图27是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的另一实施例的前视 图的示意图。
[0043] 图28是示出作为图27的运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的侧视图的示 意图。
[0044] 图29是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的另一实施例的前视 图的示意图。
[0045] 图30是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的另一实施例的侧视 图的示意图。
[0046] 图31是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的另一实施例的侧视 图的示意图。
[0047] 图32是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的另一实施例的侧视 图的示意图。
[0048] 图33是示出作为运动补偿系统的一部分的医疗成像扫描仪的另一实施例的前视 图的示意图。
[0049] 图34是描绘被配置成运行软件W实现本文描述的运动追踪系统的一个或多个实 施例的计算机硬件系统的实施例的框图。
【具体实施方式】
[0050] 尽管下面披露了若干实施例、例子和例示，然而本领域内技术人员可W理解，本文 描述的发明延伸超过具体披露的实施例、例子和例示并包括本发明的其它用途及其明显的 变型和等效物。参照附图描述了本发明的实施例，其中相同附图标记贯穿全文地表示相同 部件。本文给出的描述中使用的术语无意W任何限制或约束方式进行解释，因为它是与本 发明的某些特定实施例的详细描述结合使用的。另外，本发明的实施例可包括若干新颖性 特征并且没有任何一个单独特征单独地对其所想要达到的属性负责或者是实现本文描述 的发明所必需的。
[0051] 本公开文本提供了通过调整生物医学成像扫描仪的成像参数和/或结果图像在 生物医学成像过程中追踪感兴趣的患者或对象的运动并补偿患者运动W减少或消除运动 伪像的方法、系统和设备。在一个实施例中，一个或多个检测器被配置成检测从患者反射的 信号图像或信号或患者的空间信息，并且检测器处理接口被配置成分析图像或信号或空间 信息W估计患者的运动或移动并产生描述患者运动的追踪数据。检测器处理接口被配置成 将追踪数据送至扫描仪控制器W允许实时地调整扫描参数W响应患者的运动。
[0052] 为了评价人脑或其它器官的结构、生理机能、化学作用和机能，医师可利用任何数 量的层析成像医疗成像技术。一些更常用的层析成像技术包括计算机层析成像（CT)、核磁 共振成像（MRI)、核磁共振波谱（MRS)、正电子放射层析成像（PET)W及单光子放射计算层 析成像（SPECT)。运些技术获取与感兴趣对象（例如脑）的各个切片对应的一系列图像，并 使用计算机算法将切片图像对准和组合到Ξ维视图中。由于感兴趣对象经常在许多切片和 扫描步骤中被成像，由此导致扫描时间可能相对长，一般持续几分钟或更长时间。
[0053] 具有长扫描时间的生物医学成像技术容易对对象运动敏感，运可能导致图像伪像 和/或分辨率的损失。由于层析成像扫描的典型持续时间，对象运动可能成为获取准确或 清楚的图像数据的显著障碍。尽管一般指示对象在扫描过程中保持静止，但对许多患者来 说保持不动几乎是不可能的，尤其是婴儿、儿童、老年人、动物、具有运动障碍的患者W及可 能受到刺激或者无法控制身体运动（例如残疾、伤残、受伤、重症、焦虑、紧张、药物使用或 其它失调）的其它患者。经常，由此造成运些患者的扫描由于大量的运动伪像而变得模糊， 由此使足够的诊断和分析变得困难。
[0054] 一种减少运动伪像的方法是使用物理约束W防止对象移动。然而，既因为层析成 像器的扫描体积内的有限空间又因为约束本身的不舒服特性，难W采用运些约束。 阳化5] 另一种减少运动伪像的方法设及实时地追踪和调整对象移动（例如"适应性成 像"或"适应性运动校正"）。运种方法设及在扫描过程中实时地追踪感兴趣对象的位置和 转动（总称为"姿态"）。使用姿态信息补偿在后继数据获取中检测的运动。尽管运些技术 可能具有高精度的优势，但它们可能需要定期再校准W保持运种精度。另外，运动追踪系统 的一些实施例使用一个或多个相机W追踪附连至对象或附连至拟被评价的器官（例如对 象的头部）的一个或多个标记物的位置，从而确定对象运动。然而，标记物的使用形成临床 工作流程的额外步骤，运可能是不可取的。追踪标记物的附连也可能对某些对象是不可接 受的，例如小孩，他们可能取下标记物。
[0056] 本文披露的系统、方法和设备提供了前述问题和与生物医学成像相关的其它难题 的解决方案。本文披露的一些实施例提供生物医学成像的适应性运动校正的系统，该系统 不需要用于追踪的专口的可移除标记物（在本文中也称"无标记物"追踪或界标追踪）。在 一些实施例中，运动追踪系统包括生物医学扫描仪，例如MRI、CAT、PET或其它扫描仪，生物 医学扫描仪使用来自无标记物光学或非光学追踪系统的追踪信息W连续地调整扫描参数 (例如扫描平面、位置和取向），从而实现没有运动伪像或具有衰减的运动伪像的生物医学 图像。在一个实施例中，追踪信息基于使用检测器W追踪自然存在于对象上的界标，运与将 可移除标记物附连至对象相反。
[0057] 本文中使用的术语"界标"和"特征"，当用在描述对象或对象的质量或特征的背景 下，是可互换术语并且是宽泛的术语，并且除非另有规定，否则运些术语的含义可包括（但 不限于）对象的特征（凹陷部、凸出部、權皱部、弯曲部、轮廓、捷、皮肤色素沉积等）、对象上 的投影图像或其它投影、与对象的某个点或区域的距离、对象表面（例如Ξ维表面建模）、 对象的开口或孔腔、对象的骨骼或骨骼结构（例如牙齿或觀骨等）W及对象的毛发特征 (例如发际线、眉毛等）。
[0058] 本文使用的术语"检测器"是一个宽泛术语，并且除非另有规定，该术语的含义可 包括（但不限于）能够检测可见光谱或电磁谱的其它部分的相机（或者数字或者模拟，并 且任一个都嫩捕捉静止图像或影像）、接近传感器、超声传感器、雷达传感器、基于激光的传 感器或任何其它类型的检测器。在检测器位于医学成像设备的孔中的实施例中，术语"检测 器"的含义包括被配置成不产生干扰的检测器或者仅包括不与医疗成像设备的成像能力产 生干扰的器件的检测器，例如，检测器不产生可能在由医疗成像设备产生的图像中造成伪 像的电或磁干扰。
[0059] 在一个实施例中，系统可被配置成通过多种方式使用对象的界标追踪对象运动。 例如，系统可被配置成追踪不同类型的身体器官或脸部特征等等。对于每种类型的身体器 官或其它特征，系统可包括示出特定身体器官或特征的典型形状的图谱或标准数据库。在 一个实施例中，系统可被配置成利用图谱W执行图谱分割，从而识别由检测器产生的图像 中的器官或特征。基于器官或特征的检测，系统可被配置成追踪由检测器产生的后继图像 中的器官或特征的移动。在一个实施例中，系统可针对每种类型身体器官配置有不同的检 测算法和/或图谱。例如，系统可对患者头部配置有不同的检测算法并对患者膝盖配置有 不同的检测算法。
[0060] 在另一例子中，系统可被配置成识别上一个或多个飄骨齿。一个或多个上飄骨齿 的检测对基于界标的运动追踪是理想的，因为上齿刚性地固定于患者的头骨。头骨的任何 移动转换成上齿的直接移动。相反，下飄骨上的齿不仅受制于头骨的移动，还受制于下飄骨 的移动。如前所述，系统可被配置成利用图谱分割技术W在由检测器产生的图像中定位和 识别上齿。基于上齿的检测，系统可被配置成追踪由检测器产生的后继图像中的上齿的移 动。在一个实施例中，系统可被配置成利用上齿的运动追踪W产生发送至扫描仪的数据指 令W调整扫描仪参数