用于3D实时跟踪医疗器械的设备和方法与流程

本发明涉及一种用于跟踪医疗器械的方法和磁共振断层扫描设备。跟踪体积被定义为包围医疗器械的预定义轨迹。利用磁共振断层扫描设备采集在存在医疗器械的情况下的跟踪体积的图像，并且提取医疗器械的坐标并将其输出在显示器上。

背景技术：

1、磁共振断层扫描设备/单元是成像设备，其用于对检查对象进行成像，将检查对象的核自旋与强外部磁场对准，并用交变磁场激发/激励它们以围绕该对准进动。自旋从该激发态进动或返回到具有较低能量的状态进而产生作为响应的交变磁场，该交变磁场经由天线被接收。

2、借助于梯度磁场对信号施加空间编码，这随后使得可以将接收到的信号分配给体积元素。然后评估接收到的信号，并提供检查对象的3d图像表示。

3、这种全3d图像采集需要一些时间来达到足够的图像质量，特别是信噪比。此外，由金属或塑料制成的大多数医疗器械不能通过磁共振断层扫描直接成像，因为器械的材料不提供磁共振主动自旋，或者至少不提供像通常用于对患者体内的水进行成像的拉莫尔频率那样的频率。除非医疗器械设置有磁共振活性材料或设备(这增加了设备的尺寸或者是昂贵的)，否则医疗器械的成像依赖于间接效应，如设备中不存在水或由医疗设备的材料的电导率或不同磁化率产生的伪影，这使得成像更加困难。当需要实时跟踪设备时，短积分时间不允许以足够的图像质量进行全3d成像。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是改进对医疗器械的跟踪。

2、该目的通过如权利要求1所述的用于操作磁共振断层扫描设备的本发明的方法和如权利要求12所述的本发明的磁共振断层扫描设备来实现。

3、根据本发明的方法是一种用于利用磁共振断层扫描实时跟踪医疗器械的方法。“实时”在其上下文中意味着图像重复率足够高，使得操作者可以跟踪和控制医疗器械的移动，例如，以高于1f/s(每秒帧数)、5f/s或10f/s的图像重复率。

4、该方法由磁共振断层扫描设备执行，该磁共振断层扫描设备包括控制单元，该控制单元用于控制所有子系统，如梯度生成和rf发送和接收，以用于图像采集以及图像重建、分析和显示。控制单元也可以分成用于每个任务的不同的子系统。

5、在该方法的一个步骤中，跟踪体积由控制单元限定或确定。跟踪体积被定义为磁共振断层扫描设备的视场中的体积，其包围医疗器械的预定义轨迹。预定义轨迹可以由操作者输入或作为数据从治疗计划系统传送。轨迹描述医疗器械应沿着其移动的路径。跟踪体积可以例如由长方体确定，其中表面由与其中定义轨迹的坐标系的轴正交的六个平面确定。平面与轴相交的坐标是沿着每个轴的轨迹的坐标的最小值和最大值。还可以考虑其他非正交坐标系和跟踪体积，其中轨迹由跟踪体积包括。跟踪体积也可以在该方法的执行期间改变，这可以被认为是从该方法的新实例开始。

6、在所述方法的另一步骤中，所述跟踪体积的第一2d投影图像由所述控制单元所述医疗器械存在的情况下通过所述磁共振断层扫描设备采集。如前所述，跟踪体积是在所有三个空间方向上延伸的三维体积。特别地，对于要以分辨率r成像的对象，即要成像的体积元素是边长为r的立方体，跟踪体积在每个维度上具有r的倍数的尺寸。跟踪体积的2d投影图像是2d图像，即在2d表面(优选平面或平面的片段)中以矩阵布置的像素阵列。该平面可以被认为是穿过跟踪体积的截面平面。

7、每个像素被分配一个值。在2d投影图像中，该值不被分配给跟踪体积中的单个体积元素或体素的磁共振信号，而是从在投影方向上沿着通过像素的线布置的多个体素导出。通常，投影方向垂直于2d表面。通常，沿线的每个体素的值总和为分配给像素的值。这类似于2d x射线图像，其中，沿着x射线束方向的所有体积元素的衰减因子总和为x射线图像中的像素值。

8、可以通过对比度改善步骤，如部分饱和预脉冲，来增强第一2d投影图像的图像采集的对比度。

9、以类似的方式，在另一步骤中，采集第二2d投影图像。但是针对所述第一2d投影图像的第一投影方向或投影向量不同于所述第二2d投影图像的第二投影向量。第一投影向量和第二投影向量包围大于30度或60度、优选地等于90度的角度，使得2d投影图像可以用作从不同观察方向示出跟踪体积的2d图，如稍后将讨论的。优选地，投影向量与2d投影图像的平面正交。

10、在该方法的另一步骤中，由控制单元确定第一参考2d图像。参考2d图像是类似于第一2d投影图像和第二2d投影图像的图像。它示出了在相同观察方向或投影方向下的跟踪体积。特别地，参考2d图像描绘了跟踪图像中的患者的特征，其不随医疗器械的移动而改变。如上文所讨论的，这样的参考2d图像能够在没有医疗器械的情况下从单独的图像采集导出。或者可以由控制单元根据先前的第一2d图像和第二2d图像来计算参考2d图像，从而消除由移动的医疗器械引起的可变效应。

11、在所述方法的另一步骤中，以类似的方式，由所述控制单元确定第二参考2d图像，所述第二参考2d图像具有与所述第二2d投影图像相同的观察方向或投影方向。

12、在所述方法的另一步骤中，由所述控制单元根据所述第一参考2d图像从所述第一2d图像中抑制或去除背景。由于第一2d参考图像和第一2d图像基本上表示来自相同视角的相同体积，因此可以通过从第一2d图像减去第一2d参考图像的像素值来抑制背景。由于图像可能因对比度或偏移而略微不同，因此可能需要一些校正来实现最佳结果。像素值可以例如在相减之前通过线性函数y＝ax+b来缩放，其中，y是针对第一2d图像的像素值，并且x是针对第一2d参考图像的像素值。缩放函数的值可以通过优化问题来确定，例如，最小化图像像素值的差的平方值之和(lsqr)。

13、在所述方法的另一步骤中，所述控制单元在背景抑制之后根据所述第一2d图像确定所述医疗器械的第一组坐标。在该图像中，主要对比度应由医疗器械/设备引起。例如因此，可以应用用于检测高对比度区域的算法来确定医疗器械的轮廓。可以使用其他图像分析算法，以及用已知坐标处的医疗器械的图像训练的神经元网络和/或ai。利用图像中轮廓的坐标，可以使用磁共振断层扫描的成像过程的映射关系来确定医疗器械在图像平面中的坐标。

14、以类似的方式，在该方法的另外两个步骤中，由所述控制单元根据所述第二参考2d图像从所述第二2d图像中抑制或去除背景，并且由所述控制单元从所述第二2d图像中确定所述医疗器械的所述第二2d图像或所述第二参考2d图像的图像平面中的第二组坐标。

15、换句话说，在空间中处于不同取向的两个平面中的至少两组坐标是已知的，其限定医疗器械(即，像尖端的至少一个点)在三维空间中的位置。

16、在该方法的另一步骤中，从两个平面中的两组坐标中提取3d坐标。由于平面在空间中具有不同且已知的取向，因此两个平面中的两个坐标集限定3d空间中的位置，该位置由控制单元通过坐标变换导出。

17、以有利的方式，该方法允许利用磁共振断层扫描设备对医疗器械进行快速检测和3d跟踪。

18、被配置为执行该方法的磁共振断层扫描设备也同样具有根据本发明的方法的益处。

19、在根据本发明的方法的实施例中，该方法还包括将医疗器械的3d位置输出给用户的步骤。3d位置可以例如在3d渲染图像、虚拟现实设备中或通过来自不同视图方面的多个2d图像来描绘。还可以想到，3d位置以数值或坐标输出。

20、坐标的视觉显示以有益的方式简化了用户对医疗器械的导航。

21、在所述方法的实施例中，所述控制单元根据多个第一2d投影图像来确定所述第一参考2d图像和/或根据多个第二2d投影图像来确定所述第二参考2d图像。如前所述，参考2d图像应描绘跟踪体积中的特征，其不随医疗器械的移动而改变，并且可以作为背景从2d投影图像中减去，以便于检测医疗器械。可以通过选择或过滤恒定图像内容从多个2d投影图像导出这样的参考2d图像。作为最简单的方式，可以对多个2d投影图像求平均，使得恒定内容相加，同时减少变化内容。可以应用中值函数，其识别和抑制后续2d投影中的像素变化。该确定还可以取决于由医疗设备生成的信号。例如金属仪器引起周围体积中的mr信号的消失，而填充有造影剂(如钆溶液)的导管可能引起强的正信号。

22、以有益的方式，从2d投影图像生成参考2d图像允许背景信号的连续更新并且节省用于参考2d图像的单独采集的时间。

23、在根据本发明的方法的实施例中，该方法还包括通过磁共振断层扫描采集包括医疗器械的2d切片的步骤。在该步骤中，控制单元根据第一组坐标和/或第二组坐标确定2d切片的位置。控制单元可以例如如前所述确定空间中的3d坐标，然后确定包括医疗器械的3d坐标的平面，该3d坐标由例如医疗器械的尖端的坐标和延伸方向给出。要成像的切片是该平面和视场的横截面。

24、以有益的方式，切片的采集允许向用户显示医疗器械以及患者体内的环境。

25、在所述方法的另一实施例中，所述控制单元通过利用所述磁共振断层扫描设备在所述跟踪体积中不存在所述医疗器械的情况下采集所述跟踪体积的第三2d投影图像来确定所述第一参考2d图像，和/或通过利用所述磁共振断层扫描设备在所述跟踪体积中不存在所述医疗器械的情况下采集所述跟踪体积的第四2d投影图像来确定所述第二参考2d图像。换句话说，参考2d图像由控制单元利用2d投影图像的单独图像采集来采集。当医疗器械不存在于跟踪体积中时采集这些参考2d图像，使得由医疗器械引起的信号不是参考2d图像的一部分。参考2d图像可以例如在介入之前被采集。可以使用脂肪抑制序列，例如dixon序列，或使用脂肪饱和预脉冲或水选择性激发脉冲的序列，来执行采集。还可以应用之前解释的所有其他图像改善步骤。

26、以有益的方式，在不存在医疗器械的情况下采集参考2d图像使得在后续图像中检测到医疗设备变得容易。

27、在该方法的一个实施例中，采集跟踪体积的2d投影图像的步骤包括以下步骤：通过激发脉冲，同时利用该相同激发脉冲，来激发跟踪体积中的自旋。这可能是由在均匀b0磁场中的拉莫尔频率下的窄带激发脉冲引起的。当同时施加梯度磁场时，还可以想到使用宽带激发脉冲。脉冲的带宽由梯度的强度和跟踪体积沿梯度轴的尺寸确定。对限于跟踪体积的单个切片的这种选择至少在梯度轴的方向上抑制来自跟踪体积外部的信号。

28、为了提供2d投影图像，在读出期间，在序列中仅应用2d编码方案，例如相位编码。通过仅在两个维度、例如x轴和y轴中应用编码，沿着第三轴的体积元素的mr信号没有微分，并且体积元素的mr信号被求和。

29、以有益的方式，利用2d编码，可以在2d投影图像中的单次采集中采集完整的跟踪体积。

30、在该方法的另一实施例中，在步骤中，由控制单元将限定的跟踪体积划分成切片堆叠。对于之前描述的长方体，这样的切片可以例如通过由平行于长方体的表面中的一个的多个平面分割长方体来提供。平面可以优选地等距定位，即每个切片沿着平面的法向矢量具有相同的厚度或尺寸。由于利用磁共振断层扫描的成像的几何形状由于场不均匀性而失真，因此切片也可以是之前描述的理想平面的映射，其由于磁共振断层扫描缺陷而失真。优选地，切片沿着图像采集的轴线布置，使得在下文描述的投影步骤中可以尽可能容易地执行。

31、在该方法的另一步骤中，磁共振断层扫描采集每个切片的第一1d投影。在切片中待检测的自旋由激发脉冲激发，该激发脉冲具有在与切片正交的方向上施加的磁梯度。1d投影是图像采集，其中用于空间分辨率的编码仅在一个维度上应用。换句话说，对于二维切片，即在厚度方向上仅具有要采集/成像的单层体积元素的切片，仅沿一个轴提供编码。结果，针对沿该轴的任何点生成和采集的信号表示沿投影线的切片的所有体积元素的信号的积分，所述投影线通过该点处的轴并垂直于切片平面中的轴。针对每个点生成的值表示沿着投影线的自旋的积分，类似于x射线图像的电子密度。

32、在该方法的另一步骤中，由控制单元将针对所有切片生成的1d投影组合成2d投影图像。像tv图像的线一样，1d投影的线平行对齐，从而在平行于切片并垂直于轴的视角中提供切片堆叠的图像。

33、在另一步骤中，通过磁共振断层扫描在第二投影方向上采集每个切片的第二1d投影，其中第一投影方向和第二投影方向围成大于45度、60度或80度，优选90度的角度。

34、在另一步骤中并且以与之前描述的类似的方式，第二1d投影的堆叠由控制单元组合成第二2d投影图像。第二参考图像的视角相对于第一参考图像围绕轴线转动该角度，优选地转动90度，以提供来自立方体的两个不同侧面的视图，这使得用户容易导航医疗器械。

35、以有益的方式，单个切片的采集使得还可以覆盖具有大尺寸的跟踪体积。

36、在所述方法的实施例中，所述方法还包括采集包括所述医疗器械的2d切片的mr图像的步骤，其中，所述控制单元根据所述第一组坐标和/或所述第二组坐标来确定所述2d切片的位置。当已经确定医疗器械的位置时，控制单元计算具有位置和取向的平面，使得医疗器械位于平面/切片中。然后，控制单元利用磁共振单元采集切片的2d图像，并且优选地将图像呈现给操作者。

37、以有益的方式，该方法允许提供具有以高频率更新的医疗器械的2d图像。

38、在根据本发明的方法的实施例中，针对患者的不同位置重复确定参考2d图像的步骤。所述位置不限于患者的外部可见位置，而是特别地包括跟踪体积内的器官的位置。器官的位置可以在呼吸和/或心跳期间改变。不同的位置可以包括心跳或呼吸的不同阶段。由控制单元生成多个第一参考2d图像和第二参考2d图像。当在不同位置处采集2d投影图像时，多个第一参考图像和多个第二参考图像中的每一个表示不同的呼吸位置。换句话说，为多个或优选地为所有呼吸和/或心跳位置准备参考图像库。

39、以有益的方式，为不同的呼吸位置提供背景信息，这使得能够在任何时间进行跟踪。

40、在根据本发明的方法的实施例中，在去除背景的步骤期间，控制单元选择多个第一参考2d图像中的与第一2d投影图像最相似的第一参考2d图像。最相似意味着参考图像与具有用于跟踪的医疗器械的目标图像之间的差异最小。例如，可以选择来自多个参考2d图像的参考图像，对于该参考图像，参考图像与目标图像之间的像素值的差的平方和最小。最相似还可以意味着相关函数为两个图像提供最高值。还可以存在一些预处理，如图像的位移、旋转、缩放或亮度和/或对比度的调整。

41、以有益的方式，具有最小差异的参考的峰值检测选择使医疗器械的检测变得容易。

42、在根据本发明的方法的实施例中，在采集第一2d投影图像和/或采集第二2d投影图像的步骤中，使用脂肪抑制序列进行采集。这样的序列可以例如是dixon序列或使用脂肪饱和预脉冲或水选择性激发脉冲的序列。

43、在2d投影图像采集中，沿着投影路径的脂肪累积可以主导投影的结果。因此，以有益的方式，脂肪抑制技术可以用于减少脂肪信号并使医疗器械在投影中可见。

44、在根据本发明的方法的实施例中，在从第一2d图像确定医疗器械的第一组坐标和/或从第二2d图像确定医疗器械的第二组坐标的步骤中，应用峰检测算法。这样的峰值检测算法可以使用用于例如如下用途的算法：用于增加边界的对比度的简单高通滤波器、边界检测或甚至利用医疗器械在不同位置处的不同图像训练的神经元网络。医疗器械的参数化模型也可以用在利用lsr的优化中以确定医疗器械的位置。优选地，在去除背景之后将峰值检测应用于2d投影图像。

45、以有益的方式，峰值检测算法加速并使医疗器械的检测更可靠。

46、在根据本发明的方法的实施例中，医疗器械是导管。导管可以在其由磁共振断层扫描设备成像的方式上不同。导管中的造影剂可以提供强信号，而不是由金属消除信号。以有益的方式，该方法独立于信号的种类。

47、根据本发明的断层扫描设备被配置为执行根据本发明的方法。磁共振断层扫描设备能够通过将计算机程序产品从存储介质装载到控制单元的存储器中并执行程序来执行该方法。

48、结合下面给出的示例性实施例的描述，上述本发明的特性、特征和优点以及实现这些的方式将变得更清楚和更容易理解，这些示例性实施例将结合附图更详细地解释。