本發(fā)明涉及磁共振成像系統(tǒng)中的生理監(jiān)測。

背景技術(shù)：

磁共振成像(MRI)是用于人和動物的有價值的成像技術(shù)。MRI經(jīng)常用于對人體成像，以用于研究和臨床目的兩者，諸如用于眾多疾病的診斷和手術(shù)計劃。

通常在患者躺在長且窄的孔腔中的情況下且在感興趣的身體部位位于封閉線圈(其用于接收用于圖像重建的信號)內(nèi)的情況下執(zhí)行磁共振成像。單個掃描持續(xù)大約幾分鐘。整個檢查通常包括數(shù)個掃描且持續(xù)大約幾十分鐘。

在許多MR成像情形中監(jiān)測患者心臟和呼吸信號是必需的。心電圖信號通常用于跟蹤心臟周期。然而，這需要電極的附連且信號通常被掃描器RF場、成像梯度、以及主磁場內(nèi)電極的運動所破壞。替代方案是手指安裝的脈搏血氧計(光體積描記器)，但這同樣需要與受檢者交互，并且脈搏血氧計的運動會導致錯誤讀數(shù)。通常使用附連至壓力傳感器的充氣帶測量呼吸運動。這同樣需要附連至受檢者的設備。

需要在MRI期間從受檢者測量生理信號的替代方法，其不需要與受檢者進行物理接觸，不需要掃描器操作者的額外設置時間，并且在MRI中所使用的所有場強中都可以操作。這些場強跨越從大約0.1T至10T的兩個數(shù)量級，而1.5T和3T的場強是特別相關(guān)的，這是因為他們通常用于臨床實踐中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決了上述需求，即在不接觸人或動物受檢者的情況下、在不由掃描器操作者進行交互的情況下、以及在高場強處無性能代償?shù)那闆r下，獲得生理參數(shù)并執(zhí)行勝利監(jiān)測的能力。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，公知的是可在MRI掃描器內(nèi)側(cè)操作攝像機以用于運動跟蹤的目的。這通過將標記物附連至受檢者來實現(xiàn)，標記物然后被用于計算姿態(tài)(位置和取向)信息并且逐幀地跟蹤運動。在本文中，我們描述了能夠?qū)鈱W運動校正系統(tǒng)做出的多種適配以從受檢者獲得生理參數(shù)。通過執(zhí)行將所計算的生理參數(shù)與使用傳統(tǒng)方法測量的那些生理參數(shù)對比的驗證試驗，我們示出了該方法是有效的。

代替對標記物進行成像，將一個或多個相機集成至MRI系統(tǒng)內(nèi)，以使得相機視場包括受檢者的前額。以此方式，沒有對受檢者做出額外的物理接觸以用于生理監(jiān)測的目的。

在優(yōu)選的實施方式中，單個相機集成在MRI掃描器的頭部線圈內(nèi)并指向人體受檢者的前額，從而使得所獲得的視頻數(shù)據(jù)是他們皮膚的視頻。白光發(fā)光二極管(LED)可提供皮膚的照明，以及可使用相機來收集彩色視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)然后能夠經(jīng)由光學鏈路實時地被傳輸?shù)組RI掃描器室外。光學鏈路有利地避免了與相機的電流接觸，從而提供了MRI兼容性。

在優(yōu)選的實施方式中，視頻數(shù)據(jù)流對于掃描器房間外的掃描器操作者來說是連續(xù)可視的。另外，能夠利用實時圖像處理(如下所述)來從視頻流提取心臟和/或呼吸信息。在心臟信息的情形中，這由于隨著血液移動穿過血管床而發(fā)生的反射光中的輕微變化而是可能的。在呼吸信息的情形中，這由于隨著受檢者吸氣和呼氣發(fā)生的輕微頭部運動而是可能的。該處理的信息還能夠經(jīng)由用于操作MRI掃描器的計算機實時地提供給操作者，并且一般在使用傳統(tǒng)方法(脈搏血氧計、ECG、呼吸帶)獲得的心臟和呼吸信息處示出。

在另一實施方式中，增強對掃描器操作者可視的視頻數(shù)據(jù)，以使得受檢者的心臟搏動清楚地可見。這能夠通過修改色彩信道以增強圖像特定區(qū)域中發(fā)生的時間信號變化。下文提供了關(guān)于該實施方式的進一步的信息。

在另一實施方式中，增強對掃描器操作者可視的視頻數(shù)據(jù)，以使得由受檢者的呼吸引起發(fā)生的運動被增強且在增強的視頻幀中相比原始視頻幀更加可見。

在另一實施方式中，相機傳感器由對電磁頻譜的紅外部分具有高靈敏度的傳感器替換。以此方式，視頻數(shù)據(jù)能夠用于患者皮膚溫度的高時間分辨率監(jiān)測。

附圖說明

圖1示出了如何能夠通過將MR兼容的相機集成至MRI成像頭部線圈內(nèi)來獲得患者的前額上皮膚的視頻。

圖2是示出如何從視頻數(shù)據(jù)計算心臟和呼吸信息以產(chǎn)生本文所示的結(jié)果的示例性框圖。

圖3是示出關(guān)于從視頻數(shù)據(jù)確定呼吸運動的進一步細節(jié)的示例性框圖。

圖4A示出了將從視頻數(shù)據(jù)計算的心臟信號和使用脈搏血氧計從受檢者同時獲得的信號進行對比的曲線圖。

圖4B示出了將由從視頻數(shù)據(jù)計算的心臟信號提供的觸發(fā)和由使用脈搏血氧計獲得的信號提供的觸發(fā)進行對比的曲線圖。

圖4C是由從視頻數(shù)據(jù)計算的心臟信號提供的觸發(fā)和由使用脈搏血氧計獲得的信號提供的觸發(fā)的進一步對比。

圖5示出了將從視頻運動數(shù)據(jù)計算的呼吸信號和使用呼吸帶從受檢者同時獲得的信號以及和視頻強度數(shù)據(jù)進行對比的曲線圖。

圖6示出了來自不同圖像區(qū)域的心臟信號中的變化。

具體實施方式

圖1示出了嵌入在MRI系統(tǒng)的頭部線圈104內(nèi)的MR兼容相機108。MRI系統(tǒng)裝配有光源106，其提供光110以照明躺在患者臺上并經(jīng)受MRI檢查的受檢者102的前額上的皮膚貼片112。替代地，106可以是包括用于照明的光源的相機。

圖2示出了可如何從視頻數(shù)據(jù)計算心臟和呼吸信息以產(chǎn)生這里所示的結(jié)果。使用相同的視頻流以生成來自相同數(shù)據(jù)的心臟和呼吸信號兩者。在該示例中，起始點202是以30幀/秒的速率采集的視頻。采樣可以比這個更快或更慢；然而，我們通常發(fā)現(xiàn)30Hz對于該應用是足夠的。為了計算心臟信號，針對每幀，在整個圖像上或該圖像的小部分上取得平均像素強度204。該信號然后使用具有0.6Hz和10Hz之間帶通的帶通濾波器206濾波，以提供心臟數(shù)據(jù)208。為了計算呼吸信號，使用1D子像素圖像配準210計算頭腳方向上的圖像運動。這提供了捕獲伴隨呼吸的輕微“擺動”運動的有效手段。該信號然后使用具有0.2Hz和0.6Hz之間帶通的帶通濾波器212濾波，以提供呼吸數(shù)據(jù)214。

圖3提供了關(guān)于呼吸信號計算的進一步細節(jié)。圖2中示出的該1D運動模塊210使用相位相關(guān)法的子像素實現(xiàn)來執(zhí)行圖像配準。圖3是該方法的框圖。與像素強度模塊中一樣，每幀初始地裁切為360*360的方形，從而移除靜止的頭部線圈，這否則會是運動計算中的混雜因子。視頻序列中的第一幀用作為參照幀306。視頻中的每個后續(xù)幀302與該參照幀對比以計算圖像x和y方向上的相對位移。這通過將反向FFT應用至參照幀和第i裁切幀(分別是308和304)并計算傅里葉域310中的相位差異來實現(xiàn)。該相位差異是2D斜坡，具有與兩個幀之間的位移成正比的梯度。使用子像素相位相關(guān)方法312來找到該梯度并由此找到該位移，從而提供輸出x和y移位314，子像素相位相關(guān)方法312更加詳細地由Maclaren等人在“MRI with TRELLIS，a novel approach to motion correction”(Magnetic Resonance Imaging v26(2008)474-433頁)中描述，其全文在此引入作為參考。丟棄圖像x方向(患者左右)的移位并且僅使用圖像y方向(患者頭腳，也稱作為縱向方向)上的移位以供進一步的處理。

圖4A示出了將使用這里所述的方法從視頻數(shù)據(jù)計算的心臟信號和使用脈搏血氧計從受檢者同時獲得的信號進行對比的曲線圖。在該試驗中，我們在30秒后利用MRI掃描器開始成像以及在60s后停止利用MRI掃描器成像。該時期在曲線圖上標記出。在該時期上不可見在所計算的心臟信號中的變化，這指示了掃描在相機上沒有顯著影響。利用兩個系統(tǒng)測量的脈動相符，這指示了從視頻處理算法獲得的信號與心臟脈動是真實相關(guān)的。在峰值的時序和幅度方面，視頻強度信號與脈搏血氧計數(shù)據(jù)的良好匹配是明顯的。

為了提供心臟信號對于心臟門控的潛在有用性的良好對比，應用簡單的算法以檢查所檢測脈搏(等同于ECG中RR間隔)之間的時間周期的一致性。針對每條曲線發(fā)現(xiàn)觸發(fā)位置基于兩個參數(shù)：閾值，任意地設置為0.6(這時信號歸一化以具有1的峰值)；以及最小間隔時間，這里設置為300ms。然后限定位置觸發(fā)為從先前觸發(fā)起超過300ms的任意時間點，在該時間點，信號交叉0.6閾值且具有正的梯度。這些觸發(fā)位置然后用于計算觸發(fā)-觸發(fā)間隔時間。

如上所計算的觸發(fā)位置在參照脈搏血氧計數(shù)據(jù)和視頻強度信號之間良好地匹配。圖4B示出來自圖4A的中間30s時期的觸發(fā)位置(標記為黑點)的放大子組。盡管兩個信號之間的同步性在我們的設置中不是完美的，但在從兩個信號導出的觸發(fā)之間存在清楚的一對一映射。也就是說，在脈搏血氧計數(shù)據(jù)流中檢測的每個觸發(fā)也在視頻強度信號中檢測到，以及在視頻強度信號中沒有檢測到在脈搏血氧計信號中沒有檢測到的額外觸發(fā)。這種一對一映射使得能夠?qū)Ρ扔|發(fā)之間的時間間隔，如圖4C中所示。變化的時間間隔是高度相關(guān)的：來自脈搏血氧計和視頻強度信號的觸發(fā)間隔之間的差異具有小于0.01s的平均值和0.05s的標準偏差，這意味著從這兩個信號計算的大多數(shù)觸發(fā)間隔處于彼此的50ms內(nèi)。

圖5將來自呼吸帶的呼吸數(shù)據(jù)與從視頻導出的強度和運動信號進行對比。在該情形中，沒有證據(jù)表明基于強度的信號與來自呼吸帶的信號相關(guān)。然而，基于運動的數(shù)據(jù)強烈相關(guān)。在一些情形中，呼吸帶信號顯得已經(jīng)飽和，而視頻運動信號沒有，可能指示了進一步的運動超過了呼吸帶的最大范圍。再次，MR成像顯得對所采集的生理數(shù)據(jù)沒有影響?？傊瑏碜院粑鼛У男盘柵c從視頻運動信號計算的結(jié)構(gòu)良好地相符，指示了所計算的信號確實歸因于受檢者的呼吸。

圖6示出了圖像的不同部分如何能夠具有基本不同的視頻強度信號。例如，MRI頭部線圈602不提供心臟信號610，而圖像的多個部分示出了患者604的皮膚能夠根據(jù)配置的細節(jié)來提供強信號606或弱信號608。對于一些區(qū)域，心臟信號是特別強的；對于其他的(諸如幾乎不包含皮膚的區(qū)域)，心臟信號實際上不存在的。該空間信息能夠被反饋并用于利用彩色疊加來增強圖像。

不涉及MRI的前文已經(jīng)示出了可增強視頻數(shù)據(jù)以做出對肉眼來說可見的敏感的強度變化。使用類似方法，我們使用視頻導出的心臟信號和下述算法來增強針對本文采集的視頻數(shù)據(jù)。代替通過將視頻幀裁剪成方形并將該方形中所有像素一起處理，幀被劃分為m×n網(wǎng)格。對每個網(wǎng)格方形中的所有像素單獨地應用處理以針對每個m、n提取視頻導出的心臟信號。該m×n信號然后使用雙三次插值法來重新采樣達原始視頻分辨率并用于生成“調(diào)制視頻”。該調(diào)制視頻疊加至其他灰度級圖像的紅色信道上。心臟脈動然后可被容易地看出為原始視頻上疊加的紅色調(diào)。取決于為m和n所選擇的數(shù)值，能夠以空間分辨換取信號的魯棒性和SNR。

總之，我們的數(shù)據(jù)指示了這里所教導的方法使得人們能夠在不與受檢者物理接觸的情況下獲得與脈搏血氧計及呼吸帶相似的信息。手指安裝的脈搏血氧計從20世紀30年代開始存在，以及使用脈搏血氧計和呼吸帶自從其初期已經(jīng)在臨床MRI中常用。這里我們示出了相機硬件能夠用于生理監(jiān)測目的，潛在消除使用物理地接觸患者的設備的需要。

我們沒有徹底地量化針對大范圍頭部運動的算法魯棒性。在所示出數(shù)據(jù)中，來自初始位置的最大圖像移位是16個像素(大約3mm)，指示了受檢者在試驗期間沒有完美地保持靜止。因此會呈現(xiàn)一些運動魯棒性。然而，也許可使用多個相機以確保足夠大區(qū)域的皮膚始終處于相機視場中。運動敏感性是脈搏血氧計所享有的挑戰(zhàn)，從而我們的方法事實上可以相比現(xiàn)有技術(shù)更具有魯棒性。

本文中所描述的算法不獲取視頻信號中的彩色信息。這使得本文教導的方法能夠適用于單色和彩色圖像傳感器兩者。照明(本文中是白光LED)是明顯必需的，因為使用環(huán)境光對光體積描記術(shù)處的前述嘗試是處于良好照明環(huán)境中，這并不是MRI掃描器的孔腔的代表性。