在核磁共振成像系统中获得高质量光学图像的装置的制造方法
【专利说明】在核磁共振成像系统中获得高质量光学图像的装置 发明领域
[0001] 本发明涉及医疗成像。具体地，本发明涉及在同时的核磁共振成像期间获得来自 人或动物受试者的高质量光学数据的设备。
【背景技术】
[0002] 核磁共振成像(MRI)在临床成像中是一个无价的工具。MRI使用强静态磁场(BO)， 强射频(RF)场(BI)，和快速切换磁场梯度来产生空间编码的信号。由于这些磁场，在MRI过 程中患者的检测可能是有挑战的，因为在这种环境下很难操作电子设备。所使用静态磁场 通常在1.5T和7T之间，这排除了在放置于扫描孔内的任何电子设备中铁磁材料的使用。该 RF场是电磁干扰源，梯度场是（导电材料)机械振动和涡电流的源。不仅任何电子监测设备 不能在此环境中操作，电子设备也不能以任何方式影响MRI场，因为这会导致MR图片中的伪 影。
[0003] 尽管存在这些挑战，在MRI过程中光学地监控患者的头或身体也是有利的。一个主 要的应用领域是运动修正(motion correction) JRI对运动极为敏感。在典型的5-10分钟 扫描中，仅仅几毫米的头部运动产生严重的图像伪影，通常致使图像无用。这个可影响对患 者的结果和增加成本，如果扫描必须重做。一个有前景的运动修正方法涉及用光学相机系 统测量受试者头部姿态(位置和方向）。使用视频信息来追踪安置于受试者头部的标记。头 部运动数据然后被用于扫描仪的实时控制的使用。这涉及更新扫描仪的RF和阶梯场，来补 偿头部的运动，因此来确保成像体和物体之间没有相对运动。这个技术非常强大，因为它可 以适用于所有普通成像序列。
[0004] 运动修正已经激发了若干近期在MRI患者检测方面的发展。一个存在的途径涉及 在扫描仪外放置摄像机，离开最强的磁场(US 8,121，361)。这有一个主要的缺陷，要求朝向 附着于受试者上的追踪标记的畅通无阻的视线。另一个应用涉及在MRI扫描仪孔内部放置 摄像机，直接附着于孔或安置在接收RF信号使用的头部线圈上（US 2009/0209846和US 2011/0201916)。这帮助达到清晰的视线，虽然头部线圈的一些部分仍然可以使一些使用光 学标记的视野模糊。为了避开朝向光学标记的视野模糊的问题，可以使用自编码的标记，该 标记允许确定标记的哪一部分被摄像机看到(US 2012/0121124)。进一步，通过导线给装置 提供电力的需要可导致对MRI过程的电磁干扰。最后，现有的应用要求照相机由扫描仪操作 人员手动摆放和校准，有些情况下要在每一次扫描之前。这些问题已经是该技术作为常规 灵床工具采用的阻碍，因为它们干扰工作流程。
[0005] 除运动修正之外，在MRI过程中的受试者的高质量的视频信息有很多其它的用处。 眼睛追踪通常使用于功能性核磁共振成像(fMRI)实验；患者皮肤温度可通过利用光学探测 器的热灵敏度(如红外）的热映射来测量;生理信号，如心率和氧饱和度可以从皮肤的轻微 颜色变化来测量;呼吸信号可以从光学运动数据来测量，而不需要使用气动呼吸带。因此提 供有如下特征的光学成像系统将是本领域的进步：（a)确保朝向受试者的视线畅通无阻， (b)核磁共振完全兼容，和(c)设置和维护需要最小的用户交互。
【发明内容】
[0006] 本申请提供在同时的核磁共振成像期间获得受试者的高质量视频数据的方法。本 方法避免了早前提及的问题，即朝向受试者的较差的视线、对MRI扫描仪的干扰和过多的用 户交互。
[0007] 该装置包括一个或多个微型摄像机，该微型摄像机改装为与MR兼容，并且优选地 嵌入MRI扫描仪的成像线圈内。这保证了畅通无阻地观察受试者或任何附着于受试者上的 追踪标记。除此之外，操作者无需在使用前安装摄像机，因为它为MRI系统的组成部分。不同 于现有的实现方式，该微型摄像机与外界没有电力连接，这提高了它对于强静态和切换磁 场的稳健性，并确保它不电磁地干扰其环境。
[0008] 在优选的实施例中，摄像机的控制和图像数据的传输都是通过使用数字信号来光 学地实现的。为了允许实际操作，使用低功率机制来进行图像数据传输。在此实施例中，这 通过使用低功率光链路来光学地实现。所使用的优选的缆线为"有源光缆"，这里没有光纤 连接器，而是微型（最大尺寸<3mm)电连接器，附着于光缆的两端。在此实施例中，使用两根 纤维，其中一根用作从MRI房间外部向摄像机传送控制信号，另一根用作接收图像数据。在 一实施例中，两根纤维熔合在一起形成单根"缆线"，并且它们共享电连接器。这个实施例 中，每个电连接器包括VCSEL(垂直腔面发射激光器)和低功率VCSEL驱动芯片来将电信号转 化为光信号，还包括光电二极管和跨阻放大器以从光信号产生电压。在此实施例中，该纤维 是聚合物光纤，但也可使用玻璃光纤。
[0009] 在另一实施例中，与上述实施例紧密相关，使用"光学USB"缆线执行数据通信。典 型地，光学USB缆线也包括铜线以便传输电能。在此实施例中，铜被移除，电能被独立地在缆 线的每一端供应给电子组件。以类似的方式，可以使用光学Thunderbolt?或光学HDMI。
[0010] 在另一实施例中，数据通信在高于MRI扫描仪所使用的频率的频率处被无线地执 行，以避免对MR成像过程的干扰。这可以通过使用千兆位的Wi-Fi(IEEE 802. Ilac标准)或 WiGig(IEEE 802.1Iad标准)做到，这可以以低功耗达到充足的数据速率来传输视频流。
[0011] 低功率数据传输机制和摄像机芯片的使用确保了该单元(包括LED照明）所需的功 率是在500mW以下。这使该设备不用铜电缆供电。在优选实施例中，该设备没有与外界的电 力连接，因为该装置使用MR兼容电池来供电，如可充电锂聚合物电池，它可以不使用镍或其 它铁磁材料制造。电池接触点由铜制成，其有诱人的MR兼容特性。每个电池非常小，以便其 可装入该装置的RF屏蔽内。电池寿命可以是几小时或更大。
[0012] 在一优选实施例中，电池被封装在一个铜-屏蔽(copper-shielded)的箱子内。该 箱子滑动到主摄像机单元上，并且用双触点连接器形成电连接。以此方式，电池可以容易地 移除以便于充电，并且新的电池可以安装在它的位置。这可以在不把摄像机移出它的位置 的情况下完成(例如，在摄像机与MR头部线圈集成的情况下，不需要从MR头部线圈中移除摄 像机)。
[0013] 在另一实施例中，该装置使用"光纤上供能(power over fiber)"来供电，其中来 自位于扫描仪房间外的激光二极管或LED的光被沿着光纤引导至该装置。然后通过使用光 伏电池将光转换回电能。
[0014] 在进一步的实施例中，该装置通过使用到扫描仪接收线圈的连接来供电。在此实 施例中，从接收线圈电源汲取电流，来给光学成像设备供电，而对接收线圈的性能没有任何 影响。为达到这点，纤维(包括无源电子元件)在某些情况下可能是需要的。
[0015] 在进一步的实施例中，该装置通过"能量采集(power harvesting)"方案来供电， 其中磁阶梯场的切换可在拾取线圈(pickup coil)中感应出电压来给该系统供电或通过时 变RF场自身供电。
[0016] 这些方法的进一步的优势是低功率元件有非常低的热耗散，这帮助设备保持恒定 的温度。这防止了由设备加热导致的数据输出中的漂移。
【附图说明】
[0017]图1示出摄像机集成在MRI扫描仪和法拉第笼(Faraday cage)中的例子。
[0018]图2A示出示例性孔安置式摄像机的布置。
[0019]图2B示出示例性头部线圈安置式摄像机的布置。
[0020]图3示出无线连接到MRI系统的孔中的摄像机模块的例子。
[0021 ]图4示出优选的数据传输途径的示意图。
【具体实施方式】
[0022]图1示出基于上述原理的示例性装置。装置100包括法拉第笼110,它围着核磁共振 成像仪120，在成像仪中放置人(或动物）130。人的头部或动物部分地被成像线圈140包围， 成像线圈140包括一个或多个集成的摄像机141。和摄像机141唯一的数据通信是通过光纤 150实现的，其通过波导111穿过法拉第笼到处理设备160。
[0023]为了更好理解本发明，考虑孔安置式摄像机的缺点是有帮助的。图2A示出了MRI扫 描仪孔200,其利用所附的追踪标记211围绕着患者的头部210。正如示图可见，孔安置式摄 像机201会受困于其视场202将被头部线圈220显著地阻挡的缺陷。
[0024]图2B示出类似地布置，不同之处是摄像机221安置于头部线圈220上（或优选地与 之集成），这就为观察目标211提供了改善的视场222。该改善的视场为图2B的配置优于图2A 配置的原因。优选地，追踪标记211上有位置自编码图案，如美国专利US 2012/0121124描述 的，特此通过引用将其整体并入。
[0025]图3示出一个示例的摄像机模块300，装在衬有导电屏蔽320的塑料外壳310里。该 导电屏蔽320可以由铜箱和/或铜涂料制得。该模块优选地包括单个印刷电路板330,其包括 摄像机336、透镜331、LED 332(当需要时提供照明）和有源光缆连接器333，以便来往于摄像 机的所有数据可