用于脑成像中的运动跟踪的设备和方法与流程

本申请是国际申请日为2013年5月24日、国际申请号为pct/ep2013/060747、国家申请号为201380039111.7、发明名称为“用于脑成像中的运动跟踪的设备和方法”的专利申请的分案申请。

本发明涉及用于医学成像如脑成像具体地磁共振成像(mri)和/或正电子发射断层成像(pet)中的运动跟踪的方法和设备。本方法和设备可以用于正电子发射断层成像(pet)和组合的mri/pet扫描仪中的运动跟踪。本方法和设备可以用于临床前mri和pet扫描仪中的运动跟踪。

背景技术：

在过去的十年中，研发了用于脑成像中的运动跟踪的多种方法，但是扫描过程中的头部运动属于造成伪影并且显著降低图像质量的重要问题。

已知的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至对象头部的标记。这潜在地引入了误差并且使为扫描准备对象的过程复杂化，因此降低了在临床实践中的可用性。相应地，为医学脑成像研发的基于图像的运动跟踪方法通常遭受不能同时获得足够高的时间和空间分辨率的影响。另外，现代医学扫描仪的高分辨率(对于mri下至零点几毫米，以及对于pet下至几毫米)对运动跟踪系统设置了严格的要求。

技术实现要素：

因此，需要改进的对对象的运动跟踪，以提高医学扫描仪具体地磁共振(mr)和/或pet扫描仪的扫描图像的运动校正。

另外，需要简化扫描过程例如减少对象的预处理的运动跟踪系统。

因此，提供了用于在成像中具体地在医学成像或医学脑成像中对对象进行运动跟踪的方法，该方法包括：设置光投射器和第一相机，以及使用光投射器将第一图案序列(s1)投射到对象的表面区域上，第一图案序列包括第一主图案(p1,1)和可选的第一次级图案(p1,2)。对象可以被定位在扫描仪的扫描区域中，如在医学扫描仪的扫描仪孔中。该方法包括使用第一相机来检测所投射的第一图案序列(s1’)。可选地，该方法包括基于所检测的第一图案序列(s1’)来确定包括第二主图案(p2,1)的第二图案序列(s2)，使用光投射器将第二图案序列(s2)投射到对象的表面区域上以及使用第一相机来检测所投射的第二图案序列(s2’)。该方法可以包括基于所检测的第一图案序列(s1’)和/或第二图案序列(s2’)来确定运动跟踪参数。

另外，提供了用于在成像中具体地在医学成像或医学脑成像中对对象进行运动跟踪的设备，该设备包括：控制单元；光投射器，该光投射器包括光源和光调制器；以及第一相机。该设备被配置用于：使用光投射器将第一图案序列(s1)投射到对象的表面区域上，其中对象可选地被定位在扫描仪的扫描区域中，如在医学扫描仪的扫描仪孔中，第一图案序列包括第一主图案(p1,1)和可选的第一次级图案(p1,2)，以及使用第一相机来检测所投射的第一图案序列(s1’)。另外，该设备可以被配置用于基于所检测的第一图案序列(s1’)来确定包括第二主图案(p2,1)的第二图案序列(s2)，使用光投射器将第二图案序列(s2)投射到对象的表面区域上并且使用第一相机来检测所投射的第二图案序列(s2’)。该设备可以被配置用于基于所检测的第一图案序列(s1’)和/或第二图案序列(s2’)来确定运动跟踪参数。

此外，提供了一种用于在医学脑成像中对对象进行运动跟踪的方法，其中，所述对象被定位在医学扫描仪的扫描仪孔中，所述方法包括：设置光投射器和第一相机，其中，设置所述光投射器和所述第一相机包括设置具有近端和远端的第一光纤，其中，所述第一光纤的近端光学耦接至所述光投射器，而所述第一光纤的远端定位在所述扫描仪孔内；使用所述光投射器将第一图案序列(s1)投射到所述对象的表面区域上，所述第一图案序列包括第一主图案(p1,1)；其中，通过所述第一光纤来投射所述第一图案序列；使用所述第一相机来检测所投射的第一图案序列(s1’)；以及基于所检测的第一图案序列(s1’)来确定运动跟踪参数。

再有，提供了一种用于在医学脑成像中对对象进行运动跟踪的设备，所述设备包括：控制单元；光投射器，所述光投射器包括光源和光调制器；第一相机。其中，所述设备被配置成：使用所述光投射器将第一图案序列(s1)投射到所述对象的表面区域上，其中，所述对象被定位在医学扫描仪的扫描仪孔中，所述第一图案序列包括第一主图案(p1,1)；使用所述第一相机来检测所投射的第一图案序列(s1’)；以及基于所检测的第一图案序列(s1’)来确定运动跟踪参数；其中，所述设备包括第一光纤，所述第一光纤具有光学耦接至所述光投射器的近端，以用于经由所述第一光纤将来自所述光投射器的至少一个图案投射到所述对象的表面区域上。

本发明的方法和设备的优点是实现了亚毫米范围内的运动跟踪。

本发明的方法和设备的重要优点是提供了无标记运动校正，降低了对于待扫描的对象的准备的需求。

本发明的方法和设备使得能够提高脑成像的图像质量和/或可以降低对设备的存储器需求。

由于图案序列及其图案的自适应确定，本发明使得能够提高跟踪速度和/或提高运动跟踪参数的精度。因此，可以优化所投射的图案的属性，例如以便专注于对于运动跟踪参数的相关子区域。

由于能够调整序列的图案使得将眼睛区域排除在照射以外或针对期望的图案子区域来照射眼睛区域，所以本发明提供提高的患者安全性。

另外，第二图案的自适应确定使得能够将图案优化到用于运动跟踪的特别关注的子区域。例如，具有大曲率的表面子区域是期望的以便获得所有方向和角度的运动信息。

附图说明

通过参照附图对本发明的示例性实施例进行的以下详细描述，本发明的上述及其他特征和优点对本领域技术人员来说变得明显，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的示例性设备，

图2示意性地示出了光纤的远端在医学扫描仪中的示例性定位，

图3示出了根据本发明的示例性方法，

图4示出了第一图案序列的示例性图案，

图5示出了第二图案序列的示例性图案，

图6示出了图案的示例性子区域，

图7示出了图案的示例性子区域，

图8示出了图案的示例性子区域，

图9示出了图案的示例性子区域，

图10示出了图案的示例性子区域，

图11示意性地示出了控制单元，

图12a至图12d示出了在对象上的示例性投射图案，

图13示出了根据本发明的示例性方法，

图14示意性地示出了光纤的远端在医学扫描仪中的示例性定位，

图15示意性地示出了光纤的远端在医学扫描仪中的示例性定位，

图16至图18示出了图案序列的示例性图案，以及

图19至图20分别示出了期望的所检测的图案和从其得到的所投射的图案。

具体实施方式

为了清楚起见，附图是示意性和简化的，并且它们仅示出了理解本发明所必需的细节，而略去了其他细节。贯穿全文，相同的附图标记用于相同或相应的部件。

方法中所提供的和/或设备中所包括的光投射器包括光源。光源可以包括一个或更多个激光器或led，一个或更多个激光器或led包括被配置成发出第一波长λ1的光的第一激光器/led和/或被配置成发出第二波长λ2的光的第二激光器/led。光源可以包括被配置成发出第三波长λ3的光的第三激光器/led。光源可以包括广谱光源如金属卤化物灯。在一个或更多个实施例中，光源可以包括发光二极管(led)。光源可以包括用于形成具有期望的频谱/波长分布的光的滤光器。在一个或更多个实施例中，光源可以适于发出红外(ir)或近红外(nir)范围内的光，例如波长在从700nm至约1,000nm的范围内，例如约850nm。在一个或更多个实施例中，光源可以适于发出uv范围内的光。

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在从约590nm至约700nm的范围内。在一个或更多个实施例中，第一波长λ1为约635nm。第一激光器/led可以是led，其中第一波长λ1在从约830nm至约870nm的范围内，例如为约850nm。

第二激光器/led可以是绿色激光器，其中第二波长λ2在从约490nm至约560nm的范围内，例如为约532nm。第二激光器/led可以是led，其中第二波长λ2在从约880nm至约920nm的范围内，例如为约900nm。

第三激光器/led可以是蓝色或蓝紫色激光器，例如，其中第三波长λ3在从430nm至约490nm的范围内，例如为约445nm或约473nm。第三激光器/led可以是led，例如，其中第三波长λ3在从930nm至约1000nm的范围内，例如为约940nm。

光源可以包括uv光源，例如被配置成发出波长在从约230nm至约400nm的范围内的光，例如约350nm。

方法中所提供的和/或设备中所包括的光投射器可以包括光调制器，例如用于将图案投射到对象的表面区域或场景上。光调制器可以包括液晶显示器(lcd)芯片或数字光处理(dlp)芯片。在一个或更多个实施例中，光调制器可以包括硅基液晶(lcos)芯片。在一个或更多个实施例中，光调制器可以包括网格、狭缝或滤光器。光调制器可以是传输光调制器或反射光调制器。

光投射器可以连接至控制单元用于从控制单元接收控制信号。控制信号可以包括图案序列参数如图案序列中的图案的数量、配置、顺序和/或时刻。在一个或更多个实施例中，控制信号可以包括图案序列选择器，并且光投射器可以被配置用于取决于图案序列选择器来投射不同的图案序列。

光投射器的分辨率限制图案分辨率。光投射器的分辨率可以是hvga(480×320像素)或更高例如(608×684像素)、svga(800×600像素)、xga(1024×768像素)、720p(1280×720像素)或1080p(1920×1080像素)。

在一个或更多个实施例中，多个不同的图案序列可以存储在光投射器中，并且光投射器可以被配置成基于来自控制单元的图案序列选择器来投射所选择的图案序列。

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)，如包括主图案和次级图案的多个图案。图案序列包括n个图案或由n个图案组成。图案序列可以由图案序列参数来定义，图案序列参数例如包括图案序列中的图案的数目、相应的图案的配置/结构、图案的顺序和/或图案的时刻。图案序列的持续时间可以在从1毫秒至约1秒的范围内。图案序列的持续时间可以是约10毫秒、约20毫秒、约50毫秒、约100毫秒或约200毫秒。

图案可以包括多个像素，例如布置在沿第一轴和第二轴的阵列中的像素。图案可以由图案参数来定义，图案参数例如包括图案中的每个像素和/或一组或更多组像素的像素设置(颜色/波长和/或强度)。图案的一组像素可以被称为图案的标记为r的子区域。因此，图案可以包括一个或更多个子区域r1、r2、r3……，子区域包括一个或更多个像素。图案序列参数可以包括图案参数，例如主图案、次级图案和/或三级图案的图案参数。

图案、图案的子区域或图案的不同像素可以是颜色/波长编码、强度编码和/或二进制编码的。例如，例如对于第二图案序列中的一个或更多个例如所有图案，可以掩蔽例如与对象的眼部区域对应的第一子区域的像素，使得眼部区域不被照射。

在一个或更多个实施例中，第一和/或第二图案序列中的一个或更多个图案是颜色/波长编码的，例如通过具有沿第一轴变化的颜色和沿第二轴恒定的或变化的颜色。

在一个或更多个实施例中，第一和/或第二图案序列中的一个或更多个图案是强度编码的，例如通过具有沿第一轴变化的强度和沿第二轴恒定的或变化的强度。

在一个或更多个实施例中，第一和/或第二图案序列中的一个或更多个图案是二进制编码的，即给图案的像素或子区域分配“亮”和“不亮”中的一个以形成所需的图案。

标记为s1的第一图案序列包括标记为p1,1的第一主图案和可选的标记为p1,2的第一次级图案。第一图案序列s1包括n1个图案或由n1个图案组成，其中n1可以在从1至100的范围内，如在从2至10的范围内。在具体的示例中，n1是2、3、4、5或6。在一个或更多个实施例中，n1至少是10。

标记为s2的第二图案序列包括标记为p2,1的第二主图案和可选的第二次级图案p2,2。第二图案序列(s2)包括n2个图案或由n2个图案组成，其中n2可以在从1至100的范围内，如在从2至10的范围内。在具体的示例中，n2是1、2、3、4、5或6。在一个或更多个实施例中，n2至少是10。

第一相机可以是ccd相机或cmos相机。第一相机的分辨率可以为至少640×480，例如1280×960、3264×2448或更高。

在该方法中，可以将对第一图案序列的投射和对所投射的第一图案序列的检测重复至少一次，如至少10次、至少50次，以及第二图案序列(s2)可以基于重复的第一图案序列。在该方法中，可以将对第二图案序列的投射重复至少一次，如至少50次、至少100次，或至少144,000次(以20hz重复投射两小时)。

表面区域可以具有至少0.1cm²的面积，例如在从1cm²至500cm²的范围内。在一个或更多个实施例中，表面区域面积可以在从20cm²至100cm²的范围内。

表面区域可以至少部分覆盖对象的鼻部区域。由于该区域的对象表面的显著曲率，这可以导致改进的运动跟踪。另外，面部运动在鼻梁附近受限，这在跟踪颅骨和脑的运动时是优选的。

不同的图案可以各自包括不同的颜色/波长，和/或图案的子区域可以包括与相应的图案的另一子区域不同的颜色或波长。因此，第一主图案p1,1或其子区域r1,1,1、r1,1,2、r1,1,3、r1,1,4、…可以包括第一波长的光，即具有第一颜色编码，和/或第一次级图案(p1,2)或其子区域r1,2,1、r1,2,2、r1,2,3、r1,2,4、…可以包括第二波长的光，即具有第二颜色编码。

该方法可以包括确定当前图案序列是否应被重新计算。如果当前图案序列应被重新计算，则图案序列可以移动以确定新图案序列，包括确定在第一循环中的第二图案序列。如果当前图案序列不需要被重新计算，则该方法可以继续进行对当前图案序列的投射和检测。

在该方法中，确定第二图案序列可以包括确定第二图案使得在第二图案序列的投射期间光到对象的眼部区域上的投射被限制或基本被消除。由于能够调整序列的图案使得将眼部区域排除于照射之外，因此提供了提高的患者安全性。

在该方法中，确定第二图案序列可以包括识别表面区域的第一区域和/或第二区域的位置参数。第一区域可以具有期望的第一曲率属性。第一区域可以至少部分覆盖对象的鼻部区域，和/或第二区域可以是覆盖一个眼睛或双眼的眼部区域。可以基于第一区域和/或第二区域的位置参数来确定第二图案序列的图案参数，例如第二主图案(p2,1)的第二主图案参数和/或第二次级图案(p2,2)的第二次级图案参数。例如，最优图案配置可以应用于第二图案序列中的一个或更多个图案的第一子区域，第一子区域对应于第一区域，和/或第二图案序列中的一个或更多个图案的子区域可以被阻挡或掩蔽以避免对第二区域的不期望的照射。

第二图案序列(s2)可以表示为：

s2＝f(s1，s1′)，

其中s1是第一图案序列或其图案，而s1’是所检测的第一图案序列或其图案。

确定第二图案序列(s2)可以包括确定第二图案(p2,1，p2,2，……，p2,n2)使得可以预期或旨在检测期望的第二图案序列(s2’)。为了促进较快的/改进的运动校正，期望的所检测的第二图案序列(s2’)可以包括需要较少图像处理的一个或更多个期望的所检测的第二图案(p’2,1，p’2,2，……，p’2,n2)。因此，第二图案序列可以表示为：

s2＝f(s1，s1′，s2′)，

其中，s1是第一图案序列或其图案，s1’是所检测的第一图案序列或其图案，而s2’是期望的所检测的第二图案序列或其图案。

图案序列s中的图案p如第一图案序列s1中的第一图案和/或第二图案序列s2中的第二图案可以包括一个或更多个线段，如一个或更多个直线段。线段可以是弯曲的。图案的线段l可以具有相同的或不同的长度。图案的线段l可以具有相同的或不同的宽度。图案的线段可以是相对于彼此平行或成角度的，如相对于彼此垂直。同一图案序列中不同图案的线段可以是垂直的或平行的，例如，主图案可以包括相对于次级图案的一个或更多个直线段垂直或否则成角度的一个或更多个直线段。图案可以包括弯曲的和成角度的线或以从相机的视角图案被检测为或被视为直线的方式的线段。

确定第二图案序列可以包括确定第二图案序列中的图案的子区域或线段的尺寸和/或形状。

确定第二图案序列可以包括确定第二图案序列中图案的子区域或线段的位置。

确定第二图案序列可以基于包括一个或更多个期望的所检测的图案的期望的所检测的第二图案序列。

确定第二图案序列可以包括确定第二图案序列的持续时长t2，其中t2小于第一图案序列的持续时长t1。

确定第二图案序列可以包括减少第二图案序列中的第二图案的照射的区域以便减少由于光散射而造成的光干扰。从而提高所检测的序列的图像质量，导致更精确的运动跟踪。另外，通过减少所照射的图案面积来调整或确定图案可以降低对系统的存储器需求和/或使得能够提高可用存储器的利用率。

确定第二图案序列可以包括增加第二图案序列中的第二图案的照射的区域，以便例如在第一图案序列不提供足够的分辨率/精度的情况下优化图像投射和/或检测。从而提高所检测的序列的图像质量，导致更精确的运动跟踪。另外，通过增加所照射的图案面积来调整或确定图案可以提供提高的运动校正精度。

确定运动跟踪参数可以基于对对象的默认位置参数的计算。可以基于所检测的第一图案序列(s1’)和/或所检测的第二图案序列(s2’)来计算默认位置参数。

该方法可以包括将运动跟踪参数或所选择的运动跟踪参数发送至医学扫描仪或控制单元用于扫描图像的运动校正。可以在扫描过程期间和/或在扫描过程之后发送运动跟踪参数。运动跟踪参数可以存储在数据库或存储器中。

确定运动跟踪参数可以包括生成表面区域或其部分的3d点云表示。可以通过使3d点云表示的点云与参考表面对齐来估计或确定运动跟踪参数。参考表面可以基于对对象的默认位置参数的计算。

确定运动跟踪参数可以基于第一图案序列(s1)。另外或替选地，确定运动跟踪参数可以基于所检测的第一图案序列(s1’)。

确定运动跟踪参数可以基于第二图案序列(s2)。

确定运动跟踪参数可以基于对象的表面区域的3d模型。这可以导致简化的对mtp的确定。

由于图案序列被调整以适应待扫描的具体对象，所以基于第一图案序列对第二图案序列的动态配置或确定实现了使用较少数据对对象的改进跟踪。因此，提高了图像数据质量，这又降低了对存储器和/或处理能力的要求。

另外，由于图案序列可以被调整以适应待扫描的具体表面区域几何形状，所以基于第一图案序列对第二图案序列的动态配置和确定实现了简化的对运动跟踪参数(mtp)的确定，使得能够进行更快速的和/或更精确的运动跟踪。

该设备包括控制单元。控制单元连接至光投射器，用于将控制信号发送至光源和/或从光源接收控制信号。至光源的控制信号可以包括图案序列参数。另外，控制单元连接至第一相机，用于接收图案序列数据。控制单元可以被配置成将控制信号发送至第一相机和/或从第一相机接收控制信号。

控制单元、光投射器和第一相机可以容置在壳体中。该设备可以包括用于将来自光投射器的光光学耦接至第一光纤的第一耦接装置。该设备可以包括用于将来自第二光纤的光光学耦接至第一相机的第二耦接装置。第一光纤和/或第二光纤可以是可选的，即，该方法和设备可以在没有光纤的情况下使用。

该设备可以包括连接至控制单元的用户接口。用户接口可以包括一个或更多个连接器，例如，用于将设备连接至外部计算机或医学扫描仪。

该设备可以包括存储器，例如，被配置用于存储包括图案参数的图案序列参数。运动跟踪参数可以被存储在存储器中。在一个或更多个实施例中，该设备被配置成实时地确定运动跟踪参数并且将运动跟踪参数发送至外部计算机或医学扫描仪。这可以降低对存储器大小的要求。

控制单元可以包括适于确定第二图案序列的处理器。

该设备可以包括第一光纤，其具有光学耦接至光投射器的近端，用于将经由第一光纤来自光投射器的至少一个图案投射到定位在医学扫描仪的孔中的对象的表面区域上。第一光纤可以包括至少100个光纤，如至少10,000个光纤，每个光纤对应于投射到对象的表面区域上的图案中的像素。在一个或更多个实施例中，为了充分受益于光投射器的分辨率，第一光纤的数目等于或大于光投射器中像素的数目。第一光纤具有远端。该设备可以包括布置在第一光纤的远端用于将来自第一光纤的图案序列耦接至对象的表面区域的第一光学元件，如第一透镜或第一透镜组件。第一光纤的数目可以与光投射器的分辨率匹配或在光投射器的分辨率±20％的范围内。

该设备可以包括第二光纤，其具有光学耦接至第一相机的近端，用于经由第二光纤来检测至少一个投射图案。第二光纤可以包括至少100个光纤，如至少100,000个光纤。每个第二光纤可以对应于第一相机中的一个或更多个像素。在一个或更多个实施例中，为了充分受益于光投射器的分辨率，第二光纤的数目等于或大于光投射器中的像素的数目。第二光纤具有远端。该设备可以包括布置在第二光纤的远端用于将来自对象的表面区域的图案序列耦接至第二光纤的第二光学元件，如第二透镜或第二透镜组件。第二光纤的数目可以与第一相机的分辨率匹配或在第一相机的分辨率±20％的范围内。

第一光纤和第二光纤可以被布置成相应的第一光纤阵列和第二光纤阵列。

在一个或更多个实施例中，第一光纤包括400×400个光纤、600×600个光纤或680×480个光纤的第一阵列。在一个或更多个实施例中，第二光纤包括至少400×400个光纤、600×600个光纤或680×480个光纤的第二阵列。光纤可以布置成任意适当的尺寸和形状的阵列，例如矩形、圆形、椭圆形、多边形或其他形状。

使用第一光纤和第二光纤实现或促进该方法和设备在具有围绕对象的永磁场的医学扫描仪例如mr扫描仪中的使用。另外，使用第一光纤和第二光纤实现或促进该方法和设备在由于在扫描过程中对象被放置在扫描仪孔中而使对对象的访问受限的医学扫描仪中的使用。

该设备可以包括用于检测第一图案序列和/或第二图案序列的第二相机。

医学扫描仪可以是磁共振(mr)扫描仪。另外，用于运动跟踪的方法和设备可以用于对通过其他医学扫描仪获得的扫描图像的运动校正，如正电子发射断层成像(pet)扫描仪、单光子发射计算机断层成像(spect)扫描仪或计算机断层成像(ct)扫描仪。在一个或更多个实施例中，该方法和设备可以用于对组合pet-mr扫描仪或组合pet-ct扫描仪中的对象的运动校正。

图1示意性地示出了本发明的设备。设备2包括容置控制单元6和光投射器8的壳体4。光投射器8包括光源10和光调制器12。另外，设备2包括第一相机14，其连接至控制单元6用于在控制单元与第一相机之间交换控制信号和/或图案序列数据。在使用过程中，第一光纤16在第一光纤的近端17处通过第一光学耦合器18耦接至该设备，使得来自光投射器8的光被耦接入第一光纤16。第一光纤16可以固定地安装至壳体，即，第一光纤可以构成设备的一部分。在使用过程中，第二光纤20在第二光纤的近端21处通过第二光学耦合器22耦接至该设备，使得由第一相机14来检测被投射在表面区域上的图案序列。第一光纤和第二光纤可以固定地安装至壳体4，即，第一光纤和第二光纤可以构成设备的一部分，从而简化了设备的设置。在一个或更多个实施例中，第一光纤在近端处设置有连接器，用于将第一光纤可拆卸地耦接至设备。在一个或更多个实施例中，第二光纤在近端处设置有连接器用于将第二光纤可拆卸地耦接至设备。

设备2被配置用于使用光投射器10将第一图案序列(s1)投射到对象的表面区域上，以及使用第一相机14来检测所投射的第一图案序列(s1’)，其中对象被定位在医学扫描仪的扫描仪孔中，第一图案序列包括第一主图案(p1,1)和第一次级图案(p1,2)。控制单元基于所检测的第一图案序列(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至光投射器10，用以将第二图案序列(s2)投射到对象的表面上。使用第一相机来检测所投射的第二图案序列(s2’)，并且在控制单元和/或在第一相机中处理图案序列数据。在检测到图案序列数据时或在检测图案序列数据的过程中，设备2基于所检测的第二图案序列(s2’)来确定运动跟踪参数。

图2示意性地示出了用于与该方法和设备一起使用的医学扫描仪。扫描仪30是mr扫描仪，其包括在形成扫描仪孔36的扫描仪壳体34中的永磁体32。扫描仪30包括用于对定位在支撑结构(扫描仪床)39上的对象进行扫描的头线圈38。相应的光纤16、光纤20的远端42、远端44被定位在扫描仪孔36中，用于将图案序列投射到头线圈38内的表面区域/从头线圈38内的表面区域检测图案序列。

图3示出了根据本发明的示例性方法。示出了用于在医学脑成像中对对象进行运动跟踪的方法50。方法50包括：52，设置光投射器和第一相机；54，使用光投射器将第一图案序列s1投射到对象的表面区域上。对象被定位在医学扫描仪的扫描仪孔中(见图2)，以及第一图案序列s1包括第一主图案p1,1和第一次级图案p1,2。方法50包括：56，使用第一相机来检测所投射的第一图案序列(s1’)。另外，方法50包括：58，基于所检测的第一图案序列s1’来确定包括至少第二主图案p2,1的第二图案序列s2；以及60，使用光投射器将第二图案序列s2投射到对象的表面区域上。方法50还包括：62，使用第一相机来检测所投射的第二图案序列s2’；以及可选地64，基于所检测的第二图案序列s2’来确定运动跟踪参数(mcp)。在方法50中，第二图案序列s2包括其中包括第二次级图案p2,2的至少两个不同的图案。可以使用图1中所示出的设备2来执行方法50。在该方法的一个或更多个实施例中，可以省略58、60和62。

图4示出了示例性第一图案序列的图案，包括六个不同的图案p1,1、p1,2、p1,3、p1,4、p1,5和p1,6。通过沿第一轴x改变像素的强度来对图案进行强度编码。

图5示出了基于所投射的第一图案序列确定的示例性第二图案序列s2的图案。第二图案序列由三个第二图案p2,1、p2,2、p2,3组成或包括三个第二图案p2,1、p2,2、p2,3。在第二主图案p2,1中，掩蔽了与对象的第一眼部区域对应的第一子区域r2,1,1，即没有光或基本上没有光被投射到第二主图案的第一子区域r2,1,1中。另外，掩蔽了与对象的第二眼部区域对应的第二子区域r2,1,2，即没有光或基本上没有光被投射到第二主图像的第二子区域r2,1,2中。另外，掩蔽了与跟踪数据的对象的表面区域的曲率小并且从而提供低质量的区域对应的第三子区域r2,1,3，即没有光或基本上没有光被投射到第二主图案的第三子区域r2,1,1中。期望减小图案的受照射的面积以便减小由于光散射造成的光干扰。因此图像质量得到提高，导致更精确的运动跟踪。另外，通过减小所照射的图案面积来调整或确定图案可以减小对系统的存储器需求和/或使得能够提高可用存储器的利用率。可以基于所检测的第一图案序列来确定子区域r2,1,4和r2,1,4。

基于第一图案序列s1、s1’来选择第二图案的子区域的尺寸和形状。

图6示出了第二图案序列中的图案p2,1的示例性子区域80。子区域80具有9×9个像素，并且通过颜色和/或强度对每个像素进行编码。强度可以是二进制编码的，例如，其中“1”表示“亮”，而“0”表示“不亮”。例如，如所示的，可以使用第一波长的光(例如，红光)对像素82进行编码，并且可以使用强度0或“不亮”对像素84进行编码。

图7至图10示出了图案的示例性子区域。子区域86通过沿第一轴x变化的颜色和沿第二轴y相同的颜色而被颜色编码。子区域88通过条纹图案，即沿第一轴变化的编码和沿第二轴y恒定的编码而被二进制编码。子区域90、92通过每个子区域中的不同的像素的数目而被二进制编码。

图11示出了示例性控制单元6，其包括通过用于将控制单元连接至设备的其他单元的连接器而连接至接口96的处理器94。控制单元6被配置成向光投射器发送控制信号x1用于控制光投射器。可选地，控制单元6被配置成从光投射器接收控制信号x1’。控制信号x1表示图案序列配置和/或图案序列时刻。可选地，控制单元6被配置成向第一相机发送控制信号x2用于控制第一相机。控制单元6被配置成从第一相机接收控制信号x2’。控制信号x2’可以包括使用第一相机所检测的图案序列数据或图像，例如用于在处理器中确定第二图案序列的第一图案序列数据。控制单元6可以被配置成将数据x3存储在设备的存储器中和/或从设备的存储器检索数据x3。控制单元6可以包括连接至处理器的内部存储器98。

图12a至图12d示出了带有示例性投射图案的对象。在图12a中，对象40被示出不带有投射图案。图12b示出了带有所投射的第一主图案p1,1的对象，图12c和图12d示出了带有第二图案序列中的第二主图案p2,1和第二次级图案p2,2的对象。图案p2,1和p2,2基于使用第一相机检测p’1,1或捕获第一主图案p1,1而被确定。

图13示出了本发明的示例性方法50’的至少一部分。在方法50’中，将投射和检测第一序列重复至少一次，例如至少10次。该方法可以包括：65，决定当前图案序列是否应被重新计算。如果当前图案序列应被重新计算，则该方法前进至58，确定新图案序列(第一循环中的第二图案序列)并且前进至投射和检测新图案序列。如果当前图案序列不需要被重新计算，则该方法前进至投射和检测当前图案序列。如果所检测的图案序列的图像质量不符合质量标准，则图案序列可以被重新计算(是)。

图14示意性地示出了用于与方法和设备一起使用的医学扫描仪。扫描仪30’是pet扫描仪，其包括在形成扫描仪孔36的扫描仪壳体34中的至少一个检测器环132。扫描仪30’包括用于对定位在支撑结构(扫描仪床)39上的对象进行扫描的头线圈38。相应的光纤16、光纤20的远端42、远端44被定位在检测器环132外侧并且靠近扫描仪孔36，用于将图案序列投射到扫描仪孔36内的表面区域上以及从扫描仪孔36内的表面区域检测图案序列。可选地，远端42、远端44设置有相应的第一透镜组件和第二透镜组件。通过与远端42、远端44类似地定位设备，在用于pet扫描仪的设备中可以省略光纤。

图15示意性地示出了用于与方法和设备一起使用的医学扫描仪。扫描仪30”是组合mr/pet扫描仪。相应的光纤16、光纤20的远端定位在扫描仪孔36内，用于将图案序列投射到扫描仪孔36内的表面区域上以及从扫描仪孔36内的表面区域检测图案序列。

图16示出了示例性图案100，如期望的所检测的图案p’、所投射的图案p和/或所检测的图案p’。图案100包括平行于第二轴x的8个平行的直线段l1,……,l8。线段中的至少一些线段的宽度是变化的，并且线段之间的距离可以是恒定的或变化的。与对象的眼部或其他区域对应的图案子区域可以被掩蔽，参见例如图12c和图12d。

图17示出了示例性图案102，如期望的所检测的图案p’、所投射的图案p和/或所检测的图案p’。图案102包括平行于第一轴x并且具有相同宽度的5个等距平行直线段l1,……,l5。与对象的眼部或其他区域对应的图案子区域可以被掩蔽，参见例如图12c和图12d。

图18示出了示例性图案104，如期望的所检测的图案p’、所投射的图案p和/或所检测的图案p’。图案104包括平行于第二轴y的5个平行直线段l1,……,l5。第一组线段l1和l5具有相同的宽度，并且第二组线段l2和l4具有相同的宽度，该宽度与第一组线段的宽度不同。与对象的眼部或其他区域对应的图案子区域可以被掩蔽，参见例如图12c和图12d。

需要注意的是，图案的线段中的一个或更多个线段可以是弯曲的，例如如图16至图19中所示。如下文进一步示出的，由于对象的表面区域的曲率，所投射的图案的弯曲线段可以在所检测的图案中显示为直线段。

图19示出了示例性的期望的所检测的第二主图案(p’2,1)106。

图20示出了相应的第二主图案(p2,1)108，其被确定为可选地所投射的第一图案序列(s1)或其图案、所检测的第一图案序列(s1’)或其图案以及期望的所检测的第二主图案(p’2,1)106的函数。

此外，本公开还包括以下技术方案：

附记1.一种用于在医学脑成像中对对象进行运动跟踪的方法，所述方法包括：

设置光投射器和第一相机；

使用所述光投射器将第一图案序列(s1)投射到所述对象的表面区域上，其中，所述对象被定位在医学扫描仪的扫描仪孔中，所述第一图案序列包括第一主图案(p1,1)和第一次级图案(p1,2)；

使用所述第一相机来检测所投射的第一图案序列(s1’)；

基于所检测的第一图案序列(s1’)来确定包括第二主图案(p2,1)的第二图案序列(s2)；

使用所述光投射器将所述第二图案序列(s2)投射到所述对象的表面区域上；

使用所述第一相机来检测所投射的第二图案序列(s2’)；以及

基于所检测的第二图案序列(s2’)来确定运动跟踪参数。

附记2.根据附记1所述的方法，其中，所述第二图案序列(s2)包括第二次级图案(p2,2)。

附记3.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，将对所述第一图案序列的投射和对所投射的第一图案序列的检测重复至少一次，以及其中所述第二图案序列基于重复的第一图案序列。

附记4.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，所述表面区域具有在1cm²至500cm²的范围内的面积。

附记5.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，所述表面区域至少部分覆盖所述对象的鼻部区域。

附记6.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，所述第一主图案(p1,1)包括第一波长的光，而所述第一次级图案(p1,2)包括第二波长的光。

附记7.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，确定所述第二图案序列包括确定第二图案使得在所述第二图案序列的投射期间光到所述对象的眼部区域上的投射被限制或基本被消除。

附记8.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，确定运动跟踪参数基于对所述对象的默认位置参数的计算。

附记9.根据前述附记中任一项所述的方法，所述方法包括将所述运动跟踪参数发送至所述医学扫描仪或控制单元用于扫描图像的运动校正。

附记10.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，确定运动跟踪参数包括生成所述表面区域的3d点云表示。

附记11.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，设置光投射器和第一相机包括设置具有近端和远端的第一光纤，其中，所述第一光纤的所述近端光学耦接至所述光投射器，而所述第一光纤的所述远端定位在所述扫描仪孔内，以及其中，通过所述第一光纤来投射所述第一图案序列和所述第二图案序列。

附记12.根据前述附记中任一项所述的方法，其中，设置光投射器和第一相机包括设置具有近端和远端的第二光纤，其中，所述第二光纤的所述近端光学耦接至所述第一相机，而所述第二光纤的所述远端定位在所述扫描仪孔内，以及其中，通过所述第二光纤来检测所投射的第一图案序列和/或所投射的第二图案序列。

附记13.一种用于在医学脑成像中对对象进行运动跟踪的设备，所述设备包括：

控制单元；

光投射器，所述光投射器包括光源和光调制器；

第一相机，

其中，所述设备被配置用于：

使用所述光投射器将第一图案序列(s1)投射到所述对象的表面区域上，其中，所述对象被定位在医学扫描仪的扫描仪孔中，所述第一图案序列包括第一主图案(p1,1)和第一次级图案(p1,2)；

使用所述第一相机来检测所投射的第一图案序列(s1’)；

基于所检测的第一图案序列(s1’)来确定包括第二主图案(p2,1)的第二图案序列(s2)；

使用所述光投射器将所述第二图案序列(s2)投射到所述对象的表面上；

使用所述第一相机来检测所投射的第二图案序列(s2’)；以及

基于所检测的第二图案序列(s2’)来确定运动跟踪参数。

附记14.根据附记13所述的设备，其中，所述设备包括：

第一光纤，所述第一光纤具有光学耦接至所述光投射器的近端，用于经由所述第一光纤将来自所述光投射器的至少一个图案投射到所述对象的所述表面区域上；以及

第二光纤，所述第二光纤具有光学耦接至所述第一相机的近端，用于经由所述第二光纤来检测至少一个投射图案

应当理解的是，除了附图中所示出的本发明的示例性实施例以外，本发明可以以不同的形式来实施并且不应被理解为仅限于文中所阐述的实施例。而是，提供这些实施例以使得本公开内容变得更详尽和完整，从而向本领域普通技术人员充分传达本发明的构思。

参考标记列表

2设备

4壳体

6控制单元

8光投射器

10光源

12光调制器

14第一相机

16第一光纤

17第一光纤的近端

18第一光学耦合器

20第二光纤

21第二光纤的近端

22第二光学耦合器

24存储器

26用户接口

30,30’,30”医学扫描仪

32磁体

34扫描仪壳体

36扫描仪孔

38头线圈

39扫描仪床

40对象

42第一光纤的远端

44第二光纤的远端

50,50’用于在医学脑成像中对对象进行运动跟踪的方法

52设置光投射器和第一相机

54投射第一图案序列

56检测第一图案序列

58确定第二图案序列/新图案序列

60投射第二图案序列

62检测第二图案序列

64确定运动校正参数

65需要进行重新计算？

80第二图案的子区域

82像素

84像素

86图案的子区域

88图案的子区域

90图案的子区域

92图案的子区域

94处理器

96接口

98内部存储器

100所投射的图案p、所检测的图案p’和/或期望的所检测的图案p’中的图案

102所投射的图案p、所检测的图案p’和/或期望的所检测的图案p’中的图案

104所投射的图案p、所检测的图案p’和/或期望的所检测的图案p’中的图案

106示例性的期望的所检测的图案p’

108示例性的所投射的图案p

132检测器环

l线段