在核磁共振成像系統(tǒng)中獲得高質(zhì)量光學(xué)圖像的裝置的制造方法
【專利說明】在核磁共振成像系統(tǒng)中獲得高質(zhì)量光學(xué)圖像的裝置 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療成像。具體地，本發(fā)明涉及在同時(shí)的核磁共振成像期間獲得來自 人或動(dòng)物受試者的高質(zhì)量光學(xué)數(shù)據(jù)的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 核磁共振成像(MRI)在臨床成像中是一個(gè)無價(jià)的工具。MRI使用強(qiáng)靜態(tài)磁場(chǎng)(BO)， 強(qiáng)射頻(RF)場(chǎng)(BI)，和快速切換磁場(chǎng)梯度來產(chǎn)生空間編碼的信號(hào)。由于這些磁場(chǎng)，在MRI過 程中患者的檢測(cè)可能是有挑戰(zhàn)的，因?yàn)樵谶@種環(huán)境下很難操作電子設(shè)備。所使用靜態(tài)磁場(chǎng) 通常在1.5T和7T之間，這排除了在放置于掃描孔內(nèi)的任何電子設(shè)備中鐵磁材料的使用。該 RF場(chǎng)是電磁干擾源，梯度場(chǎng)是（導(dǎo)電材料)機(jī)械振動(dòng)和渦電流的源。不僅任何電子監(jiān)測(cè)設(shè)備 不能在此環(huán)境中操作，電子設(shè)備也不能以任何方式影響MRI場(chǎng)，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致MR圖片中的偽 影。
[0003] 盡管存在這些挑戰(zhàn)，在MRI過程中光學(xué)地監(jiān)控患者的頭或身體也是有利的。一個(gè)主 要的應(yīng)用領(lǐng)域是運(yùn)動(dòng)修正(motion correction) JRI對(duì)運(yùn)動(dòng)極為敏感。在典型的5-10分鐘 掃描中，僅僅幾毫米的頭部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重的圖像偽影，通常致使圖像無用。這個(gè)可影響對(duì)患 者的結(jié)果和增加成本，如果掃描必須重做。一個(gè)有前景的運(yùn)動(dòng)修正方法涉及用光學(xué)相機(jī)系 統(tǒng)測(cè)量受試者頭部姿態(tài)(位置和方向）。使用視頻信息來追蹤安置于受試者頭部的標(biāo)記。頭 部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)然后被用于掃描儀的實(shí)時(shí)控制的使用。這涉及更新掃描儀的RF和階梯場(chǎng)，來補(bǔ) 償頭部的運(yùn)動(dòng)，因此來確保成像體和物體之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)技術(shù)非常強(qiáng)大，因?yàn)樗?以適用于所有普通成像序列。
[0004] 運(yùn)動(dòng)修正已經(jīng)激發(fā)了若干近期在MRI患者檢測(cè)方面的發(fā)展。一個(gè)存在的途徑涉及 在掃描儀外放置攝像機(jī)，離開最強(qiáng)的磁場(chǎng)(US 8,121，361)。這有一個(gè)主要的缺陷，要求朝向 附著于受試者上的追蹤標(biāo)記的暢通無阻的視線。另一個(gè)應(yīng)用涉及在MRI掃描儀孔內(nèi)部放置 攝像機(jī)，直接附著于孔或安置在接收RF信號(hào)使用的頭部線圈上（US 2009/0209846和US 2011/0201916)。這幫助達(dá)到清晰的視線，雖然頭部線圈的一些部分仍然可以使一些使用光 學(xué)標(biāo)記的視野模糊。為了避開朝向光學(xué)標(biāo)記的視野模糊的問題，可以使用自編碼的標(biāo)記，該 標(biāo)記允許確定標(biāo)記的哪一部分被攝像機(jī)看到(US 2012/0121124)。進(jìn)一步，通過導(dǎo)線給裝置 提供電力的需要可導(dǎo)致對(duì)MRI過程的電磁干擾。最后，現(xiàn)有的應(yīng)用要求照相機(jī)由掃描儀操作 人員手動(dòng)擺放和校準(zhǔn)，有些情況下要在每一次掃描之前。這些問題已經(jīng)是該技術(shù)作為常規(guī) 靈床工具采用的阻礙，因?yàn)樗鼈兏蓴_工作流程。
[0005] 除運(yùn)動(dòng)修正之外，在MRI過程中的受試者的高質(zhì)量的視頻信息有很多其它的用處。 眼睛追蹤通常使用于功能性核磁共振成像(fMRI)實(shí)驗(yàn)；患者皮膚溫度可通過利用光學(xué)探測(cè) 器的熱靈敏度(如紅外）的熱映射來測(cè)量;生理信號(hào)，如心率和氧飽和度可以從皮膚的輕微 顏色變化來測(cè)量;呼吸信號(hào)可以從光學(xué)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來測(cè)量，而不需要使用氣動(dòng)呼吸帶。因此提 供有如下特征的光學(xué)成像系統(tǒng)將是本領(lǐng)域的進(jìn)步：（a)確保朝向受試者的視線暢通無阻， (b)核磁共振完全兼容，和(c)設(shè)置和維護(hù)需要最小的用戶交互。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本申請(qǐng)?zhí)峁┰谕瑫r(shí)的核磁共振成像期間獲得受試者的高質(zhì)量視頻數(shù)據(jù)的方法。本 方法避免了早前提及的問題，即朝向受試者的較差的視線、對(duì)MRI掃描儀的干擾和過多的用 戶交互。
[0007] 該裝置包括一個(gè)或多個(gè)微型攝像機(jī)，該微型攝像機(jī)改裝為與MR兼容，并且優(yōu)選地 嵌入MRI掃描儀的成像線圈內(nèi)。這保證了暢通無阻地觀察受試者或任何附著于受試者上的 追蹤標(biāo)記。除此之外，操作者無需在使用前安裝攝像機(jī)，因?yàn)樗鼮镸RI系統(tǒng)的組成部分。不同 于現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方式，該微型攝像機(jī)與外界沒有電力連接，這提高了它對(duì)于強(qiáng)靜態(tài)和切換磁 場(chǎng)的穩(wěn)健性，并確保它不電磁地干擾其環(huán)境。
[0008] 在優(yōu)選的實(shí)施例中，攝像機(jī)的控制和圖像數(shù)據(jù)的傳輸都是通過使用數(shù)字信號(hào)來光 學(xué)地實(shí)現(xiàn)的。為了允許實(shí)際操作，使用低功率機(jī)制來進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸。在此實(shí)施例中，這 通過使用低功率光鏈路來光學(xué)地實(shí)現(xiàn)。所使用的優(yōu)選的纜線為"有源光纜"，這里沒有光纖 連接器，而是微型（最大尺寸<3mm)電連接器，附著于光纜的兩端。在此實(shí)施例中，使用兩根 纖維，其中一根用作從MRI房間外部向攝像機(jī)傳送控制信號(hào)，另一根用作接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。在 一實(shí)施例中，兩根纖維熔合在一起形成單根"纜線"，并且它們共享電連接器。這個(gè)實(shí)施例 中，每個(gè)電連接器包括VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)和低功率VCSEL驅(qū)動(dòng)芯片來將電信號(hào)轉(zhuǎn) 化為光信號(hào)，還包括光電二極管和跨阻放大器以從光信號(hào)產(chǎn)生電壓。在此實(shí)施例中，該纖維 是聚合物光纖，但也可使用玻璃光纖。
[0009] 在另一實(shí)施例中，與上述實(shí)施例緊密相關(guān)，使用"光學(xué)USB"纜線執(zhí)行數(shù)據(jù)通信。典 型地，光學(xué)USB纜線也包括銅線以便傳輸電能。在此實(shí)施例中，銅被移除，電能被獨(dú)立地在纜 線的每一端供應(yīng)給電子組件。以類似的方式，可以使用光學(xué)Thunderbolt?或光學(xué)HDMI。
[0010] 在另一實(shí)施例中，數(shù)據(jù)通信在高于MRI掃描儀所使用的頻率的頻率處被無線地執(zhí) 行，以避免對(duì)MR成像過程的干擾。這可以通過使用千兆位的Wi-Fi(IEEE 802. Ilac標(biāo)準(zhǔn))或 WiGig(IEEE 802.1Iad標(biāo)準(zhǔn))做到，這可以以低功耗達(dá)到充足的數(shù)據(jù)速率來傳輸視頻流。
[0011] 低功率數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和攝像機(jī)芯片的使用確保了該單元(包括LED照明）所需的功 率是在500mW以下。這使該設(shè)備不用銅電纜供電。在優(yōu)選實(shí)施例中，該設(shè)備沒有與外界的電 力連接，因?yàn)樵撗b置使用MR兼容電池來供電，如可充電鋰聚合物電池，它可以不使用鎳或其 它鐵磁材料制造。電池接觸點(diǎn)由銅制成，其有誘人的MR兼容特性。每個(gè)電池非常小，以便其 可裝入該裝置的RF屏蔽內(nèi)。電池壽命可以是幾小時(shí)或更大。
[0012] 在一優(yōu)選實(shí)施例中，電池被封裝在一個(gè)銅-屏蔽(copper-shielded)的箱子內(nèi)。該 箱子滑動(dòng)到主攝像機(jī)單元上，并且用雙觸點(diǎn)連接器形成電連接。以此方式，電池可以容易地 移除以便于充電，并且新的電池可以安裝在它的位置。這可以在不把攝像機(jī)移出它的位置 的情況下完成(例如，在攝像機(jī)與MR頭部線圈集成的情況下，不需要從MR頭部線圈中移除攝 像機(jī))。
[0013] 在另一實(shí)施例中，該裝置使用"光纖上供能(power over fiber)"來供電，其中來 自位于掃描儀房間外的激光二極管或LED的光被沿著光纖引導(dǎo)至該裝置。然后通過使用光 伏電池將光轉(zhuǎn)換回電能。
[0014] 在進(jìn)一步的實(shí)施例中，該裝置通過使用到掃描儀接收線圈的連接來供電。在此實(shí) 施例中，從接收線圈電源汲取電流，來給光學(xué)成像設(shè)備供電，而對(duì)接收線圈的性能沒有任何 影響。為達(dá)到這點(diǎn)，纖維(包括無源電子元件)在某些情況下可能是需要的。
[0015] 在進(jìn)一步的實(shí)施例中，該裝置通過"能量采集(power harvesting)"方案來供電， 其中磁階梯場(chǎng)的切換可在拾取線圈(pickup coil)中感應(yīng)出電壓來給該系統(tǒng)供電或通過時(shí) 變RF場(chǎng)自身供電。
[0016] 這些方法的進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)是低功率元件有非常低的熱耗散，這幫助設(shè)備保持恒定 的溫度。這防止了由設(shè)備加熱導(dǎo)致的數(shù)據(jù)輸出中的漂移。
【附圖說明】
[0017]圖1示出攝像機(jī)集成在MRI掃描儀和法拉第籠(Faraday cage)中的例子。
[0018]圖2A示出示例性孔安置式攝像機(jī)的布置。
[0019]圖2B示出示例性頭部線圈安置式攝像機(jī)的布置。
[0020]圖3示出無線連接到MRI系統(tǒng)的孔中的攝像機(jī)模塊的例子。
[0021 ]圖4示出優(yōu)選的數(shù)據(jù)傳輸途徑的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1示出基于上述原理的示例性裝置。裝置100包括法拉第籠110,它圍著核磁共振 成像儀120，在成像儀中放置人(或動(dòng)物）130。人的頭部或動(dòng)物部分地被成像線圈140包圍， 成像線圈140包括一個(gè)或多個(gè)集成的攝像機(jī)141。和攝像機(jī)141唯一的數(shù)據(jù)通信是通過光纖 150實(shí)現(xiàn)的，其通過波導(dǎo)111穿過法拉第籠到處理設(shè)備160。
[0023]為了更好理解本發(fā)明，考慮孔安置式攝像機(jī)的缺點(diǎn)是有幫助的。圖2A示出了MRI掃 描儀孔200,其利用所附的追蹤標(biāo)記211圍繞著患者的頭部210。正如示圖可見，孔安置式攝 像機(jī)201會(huì)受困于其視場(chǎng)202將被頭部線圈220顯著地阻擋的缺陷。
[0024]圖2B示出類似地布置，不同之處是攝像機(jī)221安置于頭部線圈220上（或優(yōu)選地與 之集成），這就為觀察目標(biāo)211提供了改善的視場(chǎng)222。該改善的視場(chǎng)為圖2B的配置優(yōu)于圖2A 配置的原因。優(yōu)選地，追蹤標(biāo)記211上有位置自編碼圖案，如美國(guó)專利US 2012/0121124描述 的，特此通過引用將其整體并入。
[0025]圖3示出一個(gè)示例的攝像機(jī)模塊300，裝在襯有導(dǎo)電屏蔽320的塑料外殼310里。該 導(dǎo)電屏蔽320可以由銅箱和/或銅涂料制得。該模塊優(yōu)選地包括單個(gè)印刷電路板330,其包括 攝像機(jī)336、透鏡331、LED 332(當(dāng)需要時(shí)提供照明）和有源光纜連接器333，以便來往于攝像 機(jī)的所有數(shù)據(jù)可