CN110728704B - 一种基于mri和opm的脑磁多模态影像配准***及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，包括双标记组合式配准模块，配准模块包括OPM脑磁成像标记模块和核磁共振成像标记模块，OPM脑磁成像标记模块包括柔性电路板及设置于柔性电路板上的圆形定位线圈，核磁共振成像标记模块包括非磁性材料做成的内置有固态油的基准块，柔性电路板可拆卸地设置于基准块上的表面，且基准块的上表面设有柔性电路板的定位部件，使得脑磁图中圆形定位线圈所在位置的基准点信息和MRI图的固态油所在位置的基准点的空间坐标系信息，可以采用基础又简单的基准点定位法进行图像配准，不仅提高了配准的精度，还大幅缩小了计算时间，推进了新一代脑磁图技术从实验设计模拟阶段向在医学临床应用阶段的前进步伐。

Description

一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***及方法

技术领域

本发明涉及脑磁技术领域，具体涉及一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***及方法。

背景技术

目前现有的基于超导量子干涉仪(Superconducting Quantum InterferenceDevice，SQUID)原理的脑磁装置，体积庞大笨重，需要定期更换液氦，成本极高，并且对病人进行脑磁检测时要求病人必须保持不动来采集信号，所以对于儿童和患有癫痫的患者进行脑磁检测受到极大的限制。而光泵磁强计(Optically Pumped Magnetometer，简写为OPM)相比其它种类的磁强计，在性能指标上具有无可比拟的优势，目前已超越SQUID，使人类磁场测量灵敏度水平由fT级进入亚fT级。与SQUID相比，OPM无须低温维持***，并且可以集成到芯片上，由于其体积小、成本低廉等优点，已被应用于生物磁信号探测、基础物理研究等领域。

脑磁活动的成像的研究趋势是进行医学临床应用，这样就需要脑磁成像的被试者进行头部的核磁共振扫描，进而对真实的人体头部进行多模态分析，对脑磁成像进行多模态分析的难点是不同设备下的标志物的定位与配准不准确，目前常用的定位方法是，凭经验在被试者头部进行手工标记记号，然后分别将不同设备的对应标记物在检测前安置于标记的记号处，该种定位方式定位极为不准确，使得脑磁图与真实头模型的配准出现较大的误差，不能满足脑磁图与真实头模型的配准要求较高的场合，进而限制了其发展。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***及方法，用于医学脑磁检测中的脑磁多模态影像配准。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，包括双标记组合式配准模块，所述配准模块包括脑磁成像标记模块和核磁共振成像标记模块，所述脑磁成像标记模块包括柔性电路板及设置于所述柔性电路板上的圆形定位线圈，所述核磁共振成像标记模块包括非磁性材料做成的内置有固态油的基准块，所述柔性电路板可拆卸地设置于所述基准块上的表面，且所述基准块的上表面设有柔性电路板的定位部件。

作为优选，所述脑磁成像标记模块还包括高精度电流源，用于产生稳定强度的微弱电流供所述圆形定位线圈工作。

作为优选，所述基准块为聚甲基丙烯酸甲酯材料做成的长方体模块，所述柔性电路板可拆卸地设置于所述长方体模块的上表面，所述长方体模块内部设有用于容纳所述固态油的环形空腔。

作为优选，所述环形空腔的轴线垂直于所述长方体模块的上表面，且环形空腔的轴线与所述长方体模块上表面相交的点设有定位凸起，对应的所述柔性电路板上位于所述圆形定位线圈轴心的位置设有定位凹槽。

作为优选，所述配准模块为3个，分别设于被试者相对静止不动的两耳耳廓前缘上部和眉心。

作为优选，所述基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***还包括脑磁检测设备，所述脑磁检测设备包括特制脑磁头盔和磁屏蔽室，所述特制脑磁头盔包括柔性材料做成的可伸缩的橡胶头套和设于头套上的用于安装固定OPM的阵列式卡槽，基于OPM的脑磁成像过程在磁屏蔽室中完成，所述OPM在脑磁成像时在圆形定位线圈所在位置采集标定基准点信息。

作为优选，所述基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***还包括MRI检测设备，MRI成像前，将所述脑磁成像标记模块从所述核磁共振成像标记模块上拆卸下来，MRI成像时在固态油所在位置采集标定基准点信息。

作为优选，所述脑磁成像标记模块在脑磁图中的基准点与所述核磁共振成像标记模块在核磁共振图中的基准点通过基准点定位法进行配准。

一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准方法，使用上述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***进行脑磁多模态影像配准，包括以下步骤：

步骤一，根据被试者头部模型的轮廓制定或佩戴所述特制脑磁头盔，并在特制脑磁头盔相应卡槽上安装固定相应数量的OPM；

步骤二，启动磁屏蔽室，屏蔽地磁场使环境磁场低于50nT，提供适用于OPM检测的微弱磁场工作条件，磁屏蔽室内配备有临床诱发磁场相关激发设备；

步骤三，取三个所述配准模块分别贴至被试者的眉间和两耳耳廓前缘上部，被试者戴上特制脑磁头盔后进入磁屏蔽室，启动高精度电流源使其产生稳定强度的微弱直流电供圆形定位线圈工作；

步骤四，启动OPM使其正常工作，获取脑磁图，并采集保存相应信息；

步骤五，脑磁图采集完毕后，取下特制脑磁头盔及所述配准模块中的脑磁成像标记模块，被试者仅佩戴下层核磁共振成像标记模块在MRI检测设备中进行核磁共振头部模型扫描获取核磁共振图，并采集保存相应信息；

步骤六，对采集保存的信息进行处理，将脑磁图中圆形定位线圈所在位置的基准点信息和MRI图的固态油所在位置的基准点信息的空间坐标系信息采用基准点定位法进行图像配准。

作为优选，所述基准点定位法包括奇异值分解方法，具体为：

已知点集x＝[x_1i,x_2i,...,x_mi]^T和y＝[y_1i,y_2i,...,y_mi]^T,其中i＝1,2,...,n，寻找m×m的旋转矩阵R、缩放系数c和m维平移向量t，使得下式趋于最小：

所述点集x由通过OPM检测得到的被试者头部的圆形定位线圈所在位置处的基准点构成，点集y由MRI检测得到被试者头部的核磁共振图像进行图像分割并三维重建后的固态油所在位置处的基准点构成。

令

∑_xy的SVD分解为UDV^T，则有，

R＝USV^T

t＝μ_y-cRμ_x

式子中，

其中I代表单位阵，diag()代表对角阵，

若∑_xy的秩为m-1，则

本发明相对于现有技术优势在于：

1、本发明所述的一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，通过将OPM与MRI设备相结合，并设置二者采集图像的配准模块，实现了利用OPM对不同人群脑磁信号的便捷采集和更为精准的医学临床应用，对新一代脑磁图技术的发展起到促进作用；

2、本发明所述的一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，通过设计集成化的可拆卸式配准模块，即柔性电路板可拆卸地设置于所述基准块上的表面，并能在所述基准块的上表面准确定位，使得脑磁图中圆形定位线圈所在位置的基准点信息和MRI图的固态油所在位置的基准点的空间坐标系信息，可以采用基础又简单的基准点定位法进行图像配准，不仅提高了配准的精度，还大幅缩小了计算时间，推进了新一代脑磁图技术从实验设计模拟阶段向在医学临床应用阶段的前进步伐。

3、本发明所述的一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准方法，佩戴所述配准模块的被试者先进行脑磁检测，然后方便快捷地取下配准模块中的脑磁成像标记模块，保留MRI成像标记模块并直接进行头部核磁共振扫描，该方法即可缩短检测时间又能大大减小MRI检测的头部模型和脑磁图的配准误差。

附图说明

图1是本发明一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***的结构示意图；

图2为本发明一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***的配准模块结构示意图；

图3为本发明一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***的脑磁成像标记模块的结构示意图；

图4为本发明一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***的核磁共振成像标记模块结构示意图；

图5为本发明一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准方法的流程图。

图中各标号列示如下：1—配准模块；11—脑磁成像标记模块，12—核磁共振成像标记模块，111—柔性电路板，112—圆形定位线圈，121—固态油，122—基准块，113—高精度电流源；2—脑磁检测设备；21—特制脑磁头盔，22—磁屏蔽室，211—头套，212—光泵磁强计，213—卡槽。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。

实施例1

一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，如图1-4所示，包括双标记组合式配准模块1，所述双标记组合式配准模块1为3个，考虑到被试者在进行检测时的微弱干扰动作，将3个配准模块1分别设于被试者相对静止不动的两耳耳廓前缘上部和眉心，所述配准模块1包括脑磁成像标记模块11和核磁共振成像标记模块12，所述脑磁成像标记模块11包括柔性电路板111及设置于所述柔性电路板上的圆形定位线圈112，所述核磁共振成像标记模块12包括非磁性材料做成的内置有固态油121的基准块122，所述非磁性材料包括塑料、玻璃等。所述固态油121在MRI(核磁共振)成像时图像中会形成高亮，这样就能快速定位标记基准点，将固态油121充入基准块122的内部，又能很好的防止漏油，进而影响标记点定位，提高核磁共振成像标记模块12的工作寿命。所述柔性电路板111可拆卸地设置于所述基准块122上的表面，并能在所述基准块122的上表面准确定位。通过将OPM与MRI设备相结合，并设置二者采集图像的配准模块，实现了利用OPM对不同人群脑磁信号的便捷采集和更为精准的医学临床应用，对新一代脑磁图技术的发展起到促进作用。且通过设计集成化的可拆卸式配准模块，即柔性电路板可拆卸地设置于所述基准块上的表面，并能在所述基准块的上表面准确定位，使得脑磁图中圆形定位线圈所在位置的基准点信息和MRI图的固态油所在位置的基准点的空间坐标系信息，可以采用基础又简单的基准点定位法进行图像配准，不仅提高了配准的精度，还大幅缩小了计算时间，推进了新一代脑磁图技术从实验设计模拟阶段向在医学临床应用阶段的前进步伐。

作为优选，所述脑磁成像标记模块11还包括高精度电流源113，用于产生稳定强度的微弱电流供所述圆形定位线圈112工作，方便光泵磁强计212对脑磁检测中出现的圆形定位线圈112的位置进行标定。

作为优选，如图3所示，所述柔性电路板111厚度为0.16mm，柔性电路板111上面印制有可等效为磁偶极子的铜制的直径为2.5mm，厚度为0.127mm的圆形定位线圈112。使用高精度电流源113能产生稳定强度直流电，通入圆形定位线圈112中使其产生1nT的微弱磁场，OPM检测时能够识别并标记。

作为优选，如图4所示，为核磁共振成像标记模块的的剖面图，所述基准块122为聚甲基丙烯酸甲酯材料做成的长方体模块，长为10mm，宽为10mm，高为4mm。所述柔性电路板111可拆卸地设置于所述长方体模块的上表面，所述长方体模块内部设有用于容纳所述固态油121的环形空腔，所述环形空腔的中心与长方体模块的中心相重合，且其高度为2毫米，内环的直径为2mm，外环的直径为8mm。被试者进行头部核磁共振扫描时，由于油脂的核磁信号比水高，则在MRI成像的影像中会出现比其他组织高亮点，则油脂标记物圆心的周围均为高亮，这样在进行图像分割三维重建真实头模型即可快速定位标记点进而选出基准点。

作为优选，所述基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***还包括脑磁检测设备2，所述脑磁检测设备2包括特制脑磁头盔21和磁屏蔽室22，所述特制脑磁头盔21包括柔性材料做成的可伸缩的橡胶头套211、若干光泵磁强计212和设于头套上的用于安装固定光泵磁强计212的阵列式卡槽213，基于OPM的脑磁成像过程在磁屏蔽室22中完成，所述OPM在脑磁成像时在圆形定位线圈112所在位置采集标定基准点信息。所述磁屏蔽室22能够屏蔽地磁场，使环境磁场低于50nT，为OPM成像提供微弱磁场的工作条件。

作为优选，所述基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***还包括MRI检测设备，MRI成像前，将所述脑磁成像标记模块11从所述核磁共振成像标记模块12上拆卸下来，MRI成像时在固态油121所在位置采集标定基准点信息。简化了检测时位置标定的程序步骤，并使得定位更加精准，更加便于后续的数据处理。

作为优选，所述环形空腔的轴线垂直于所述所述长方体模块的上表面，且环形空腔的轴线与所述长方体模块上表面相交的点设有定位凸起，对应的所述柔性电路板111上位于所述圆形定位线圈112轴心的位置设有定位凹槽。或者环形空腔的轴线与所述长方体模块上表面相交的点设有定位凹槽，对应的所述柔性电路板111上位于所述圆形定位线圈112轴心的位置设有定位凸起。或者其他形式的定位部件，只要能够使得环形空腔的轴线与所述长方体模块上表面相交的点与柔性电路板111上位于所述圆形定位线圈112轴心的位置点相互重合即可。进一步提高了配准的位置精度。

所述脑磁成像标记模块11在脑磁图中的基准点与所述核磁共振成像标记模块12在核磁共振图中的基准点通过基准点定位法进行配准。

实施例2

一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准方法，使用上述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***进行脑磁多模态影像配准，包括以下步骤：

步骤一，根据被试者头部模型的轮廓制定或佩戴所述特制脑磁头盔21，并在特制脑磁头盔21相应卡槽213上安装固定相应数量的光泵磁强计212；

步骤二，启动磁屏蔽室22，屏蔽地磁场使环境磁场低于50nT，提供适用于光泵磁强计212检测的微弱磁场工作条件，磁屏蔽室22内配备有临床诱发磁场相关激发设备；

步骤三，取三个所述配准模块1分别贴至被试者的眉间和两耳耳廓前缘上部，被试者戴上特制脑磁头盔21后进入磁屏蔽室22，启动高精度电流源113使其产生稳定强度的微弱直流电供所述圆形定位线圈112工作；

步骤四，启动光泵磁强计212使其正常工作，获取脑磁图，并采集保存相应信息；

步骤五，脑磁图采集完毕后，取下特制脑磁头盔21及所述配准模块1中的脑磁成像标记模块11，被试者仅佩戴下层核磁共振成像标记模块12在MRI检测设备中进行核磁共振头部模型扫描获取核磁共振图，并采集保存相应信息；

步骤六，对采集保存的信息进行处理，将脑磁图中圆形定位线圈112所在位置的基准点信息和MRI图的固态油121所在位置的基准点信息的空间坐标系信息采用基准点定位法进行图像配准。

所述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准方法先对佩戴所述配准模块的被试者进行脑磁检测，然后方便快捷地取下配准模块中的脑磁成像标记模块，保留MRI成像标记模块并直接进行头部核磁共振扫描，该方法即可缩短检测时间又能大大减小MRI检测的头部模型和脑磁图的配准误差。

基准点配准法是最早在脑电电极中提出的一种定位方法，基本原理是在被试者头部周围找数个外部基准点或解剖学上的基准点，这些点既能在测量EEG电极的位置时被精确测量到，又能在核磁共振图像中显示出来。在OPM的脑磁应用中，基准点配准法也可应用在新一代脑磁图与MRI图的头部模型的融合配准，将这些配准点在核磁共振图像中的位置和头盔中脑磁检测得到的圆形定位线圈112位置配准后，用相同的旋转矩阵和平移向量对圆形定位线圈112做变换，就能得到核磁共振的头部模型中脑磁成像标记模块11标记的圆形定位线圈112的位置。

作为优选，所述基准点定位法包括奇异值分解方法，具体为：

已知点集x＝[x_1i,x_2i,...,x_mi]^T和y＝[y_1i,y_2i,...,y_mi]^T,其中i＝1,2,...,n，寻找m×m的旋转矩阵R、缩放系数c和m维平移向量t，使得下式趋于最小：

所述点集x由通过光泵磁强计212检测得到的被试者头部的圆形定位线圈112所在位置处的基准点构成，点集y由MRI检测得到被试者头部的核磁共振图像进行图像分割并三维重建后的固态油121所在位置处的基准点构成。

令

∑_xy的SVD分解为UDV^T，则有，

R＝USV^T

t＝μ_y-cRμ_x

式子中，

其中I代表单位阵，diag()代表对角阵，

若∑_xy的秩为m-1，则

脑磁检测得到的圆形定位线圈112在头部模型中的位置完全取决于标记点的配准，所以标记点的选取及测量精度和方法尤为重要。让被试者作标准的MRI扫描并保存数据，通过网络传输到脑磁图工作站。最后做图像融合的影像测量到的脑磁图数据经过信号处理，就可以得到融合了脑解剖学信息和脑功能信息为一体的脑功能医学解剖影像。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，其特征在于，包括脑磁检测设备和双标记组合式配准模块，所述脑磁检测设备包括特制脑磁头盔和磁屏蔽室，所述配准模块包括脑磁成像标记模块和核磁共振成像标记模块，所述脑磁成像标记模块包括柔性电路板及设置于所述柔性电路板上的圆形定位线圈，所述核磁共振成像标记模块包括非磁性材料做成的内置有固态油的基准块，所述柔性电路板可拆卸地设置于所述基准块上的表面，且所述基准块的上表面设有柔性电路板的定位部件；

所述脑磁成像标记模块还包括高精度电流源，用于产生稳定强度的微弱电流供所述圆形定位线圈工作；

所述配准模块为3个，分别设于被试者相对静止不动的两耳耳廓前缘上部和眉心；

所述特制脑磁头盔包括柔性材料做成的可伸缩的橡胶头套和设于头套上的用于安装固定OPM的阵列式卡槽，基于OPM的脑磁成像过程在磁屏蔽室中完成，所述OPM在脑磁成像时在圆形定位线圈所在位置采集标定基准点信息；

还包括MRI检测设备，MRI成像前，将所述脑磁成像标记模块从所述核磁共振成像标记模块上拆卸下来，MRI成像时在固态油所在位置采集标定基准点信息。

2.根据权利要求1所述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，其特征在于，所述基准块为聚甲基丙烯酸甲酯材料做成的长方体模块，所述柔性电路板可拆卸地设置于所述长方体模块的上表面，所述长方体模块内部设有用于容纳所述固态油的环形空腔。

3.根据权利要求2所述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，其特征在于，所述环形空腔的轴线垂直于所述长方体模块的上表面，且环形空腔的轴线与所述长方体模块上表面相交的点设有定位凸起，对应的所述柔性电路板上位于所述圆形定位线圈轴心的位置设有定位凹槽。

4.根据权利要求1所述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***，其特征在于，所述脑磁成像标记模块在脑磁图中的基准点与所述核磁共振成像标记模块在核磁共振图中的基准点通过基准点定位法进行配准。

5.一种基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准方法，其特征在于，使用权利要求1-4之一所述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准***进行脑磁多模态影像配准，包括以下步骤：

步骤一，根据被试者头部模型的轮廓制定并佩戴特制脑磁头盔，或直接佩戴根据被试者头部模型的轮廓制定的特制脑磁头盔；并在特制脑磁头盔相应卡槽上安装固定相应数量的OPM；

步骤二，启动磁屏蔽室，屏蔽地磁场使环境磁场低于50nT，提供适用于OPM检测的微弱磁场工作条件，磁屏蔽室内配备有临床诱发磁场相关激发设备；

步骤三，取三个配准模块分别贴至被试者的眉间和两耳耳廓前缘上部，被试者戴上特制脑磁头盔后进入磁屏蔽室，启动高精度电流源使其产生稳定强度的微弱直流电供圆形定位线圈工作；

步骤四，启动OPM使其正常工作，获取脑磁图，并采集保存相应信息；

步骤五，脑磁图采集完毕后，取下特制脑磁头盔及所述配准模块中的脑磁成像标记模块，被试者仅佩戴下层核磁共振成像标记模块在MRI检测设备中进行核磁共振头部模型扫描获取核磁共振图，并采集保存相应信息；

步骤六，对采集保存的信息进行处理，将脑磁图中圆形定位线圈所在位置的基准点信息和MRI图的固态油所在位置的基准点信息的空间坐标系信息采用基准点定位法进行图像配准。

6.根据权利要求5所述的基于MRI和OPM的脑磁多模态影像配准方法，其特征在于，所述基准点定位法包括奇异值分解方法，具体为：

已知点集x＝[x_1i,x_2i,...,x_mi]^T和y＝[y_1i,y_2i,...,y_mi]^T,其中i＝1,2,...,n，寻找m×m的旋转矩阵R、缩放系数c和m维平移向量t，使得下式趋于最小：

所述点集x由通过OPM检测得到的被试者头部的圆形定位线圈所在位置处的基准点构成，点集y由MRI检测得到被试者头部的核磁共振图像进行图像分割并三维重建后的固态油所在位置处的基准点构成。

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