DE60306413T2

DE60306413T2 - Verfahren und vorrichtung zur auswahl von interessensbereichen bei der optischen abbildung

Info

Publication number: DE60306413T2
Application number: DE60306413T
Authority: DE
Inventors: F. William Quebec LONG; Yves Sherbrooke BERUBE-LAUZIERE; Laura Saint-Laurent MCINTOSH
Original assignee: ART Advanced Research Technologies Inc
Current assignee: ART Advanced Research Technologies Inc
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2023-11-11
Also published as: US7366333B2; JP2006505376A; ATE330537T1; DE60306413D1; EP1565101B1; WO2004043246A1; EP1565101A1; AU2003283107A1; CA2505620A1; US20040131234A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet optischer Bildererzeugung und insbesondere das Gebiet des Auswählens von interessierenden Bereichen in einem optischer Bilderzeugung zu unterziehenden Gegenstand.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Optische Bildererzeugung hat sich zu einem nützlichen Diagnosewerkzeug entwickelt. Verschiedene Systemdesigns sind zur Aufnahme von Abbildungen verschiedener Teile des menschlichen Körpers entwickelt worden. Beispielsweise beschreibt Hillman et al. (Phys. Med. Biol., 46 (2001) 1117–1130) eine Anordnung zur Aufnahme optischer Signale von einem Vorderarm, und Pogue et al. (Opt. Express 1 (1997) 391–403) beschreibt ein System zur Brustabbildung. Optische Bilderzeugungssysteme sind auch für kleine Säuger entwickelt worden mit dem Ziel, ein Forschungswerkzeug bereitzustellen, das Änderungen in der Physiologie der Säuger abbilden kann und das darüberhinaus Information über die Bioverteilungsmoleküle, etwa Chromophore und Fluorophore, bereitstellen kann. Ein Beispiel eines optischen Abbildungssystems für kleine Säuger ist den der Patentanmeldung WO 0137195 beschrieben.
Diagnose sowie Studien zur physiologischen und pharmazeutischen Kinetik hängen von Protokollen des zeitlichen Verlaufs ab, um zeitliche Änderungen bezüglich vorbestimmter Eigenschaften innerhalb eines Gegenstands zu bestimmen. Daher sollte ein geeignetes Bilderzeugungswerkzeug in der Lage sein, zuverlässig und reproduzierbar Bilder derselben interessierenden Bereiche über die Zeit hinweg zu erzeugen. In dieser Hinsicht ist eine genaue und reproduzierbare Positionierung des Gegenstands bezüglich der Bildererzeugungsoptik sehr wichtig.
Obwohl die oben genannten optischen Bilderzeugungssysteme die Neupositionierung eines Gegenstands in mehr oder weniger derselben Position über mehrere Bilderzeugungssitzungen erlauben, weisen sie kein Positionierungssystem auf, das zuverlässig und genau ist. Daher existiert ein Bedarf, für verbesserte Systeme und Verfahren zur Auswahl von interessierenden Bereichen in einem Gegenstand und zum reproduzierbaren Abbilden der ausgewählten Bereiche über die Zeit hinweg.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Auswählen von interessierenden Bereichen (ROIs) in einem Gegenstand, etwa einem Säuger, und zum reproduzierbaren Positionieren des Gegenstands zur Abbildung derselben ROIs über die Zeit hinweg bereit.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Positionieren eines kleinen Säugers, etwa einer Maus, zur optischen Bilderzeugung bereitgestellt, bei dem ein digitales Bild des Säugers erhalten wird und zum Definieren eines ROI verwendet wird, indem der Säuger in dem Gesichtsfeld einer Kamera angeordnet wird. Das Das ROI wird dann mit einem optischen Bilderzeugungssystem registriert und der Säuger wird relativ zu dem Bilderzeugungssystem nach Maßgabe der Koordinaten des ROI angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das ROI ausgewählt durch Bestimmen der Kontour des ROI in einem durch einen Computer angezeigten Bild einer das ROI umfassenden Oberfläche.
In noch einem weiteren Aspekt kann ein zweites digitales Bild erhalten werden, um eine Ebene zu bestimmen, in der das Bilderzeugungssystem fokussiert ist, zum Aufnehmen optischer Daten, wenn ein optisches System verwendet wird, bei dem Licht durch Luft propagiert wird und wobei das optische Signal unter Verwendung von Linsen gesammelt wird.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden Bezugsmarkierungen an dem Gegenstand angebracht un können als Referez zur reproduzierbaren Positionierung des Gegenstands und zum Auswählen desselben ROIs über die Zeit hinweg dienen.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird darüberhinaus ein Verfahren zum Positionieren eines Säugers zur optischen Bilderzeugung bereitgestellt, welches das Bestimmen einer dreidimensionalen (3D) Kontour wenigstens eines Teils des Tiers, der das ROI umfasst, und Verwenden der 3D-Kontourinformation bei der Bildrekonstruktion des ROI umfasst.
Die Erfindung stellt auch ein System zum Positionieren eines Gegenstands bereit, umfassend ein Säugerträgermittel, eine Kamera zur Abbildung einer Oberfläche des Säugers, welche das ROI umfasst, ein Speichermittel zum Speichern des digitalen Bildes, eine Anzeige, die betriebsgemäß mit dem Speichermittel verbunden ist, um das gespeicherte digitale Bild anzuzeigen, eine Benutzerschnittstelle zum Definieren des ROI und ein Registriermittel zum Registrieren des definierten ROI mit einem optischen Bilderzeugungssystem.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine perspektivische Wiedergabe einer Ausführungsform eines optischen Bilderzeugungssystems, umfassend ein System zur Positionierung eines Säugers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Computeranzeige ist, die eine Ausführungsform der Auswahl eines interessierenden Bereichs illustriert; und
3 eine Computeranzeige ist, die die Auswahl einer Ebene einer optischen Datenaufnahme gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert.
Man beachte, dass über alle angefügten Zeichnungen hinweg einander entsprechende Merkmale durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zur Auswahl von interessierenden Bereichen (ROIs) zur optischen Bilderzeugung eines Gegenstands, etwa eines Säugers, und zum reproduzierbaren Positionieren des Gegenstands zum Abbilden derselben ROIs über die Zeit hinweg bereit.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein System zum Positionieren eines Säugers oder eines Teils desselben zum optischen Abbilden eines ROIs des Säugers bereitgestellt, welches es dem Benutzer ermöglicht, ein ROI des Säugers auszuwählen die Koordinaten des ausgewählten Bereichs mit einem optischen Bilderzeugungssystem zu registrieren. Dies erleichtert in großem Maß den Umgang mit dem Säuger mit dem Ziel, genaue und reproduzierbare optische Bilder aufzunehmen. Weiterhin erlaubt das erfindungsgemäße System die Programmierung des optischen Bilderzeugungssystems für automatische optische Signalaufnahme des gewünschten ROI. Ferner können die Koordinaten des ROI elektronisch gespeichert werden, um zukünftig abgerufen zu werden und was es ermöglicht, dass der ROI über die Zeit hinweg wiederholt abgebildet wird, und zwar mit einem hohen Genauigkeitsgrad. Diese Eigenschaft ermöglicht es, an Säugern Experimente über den zeitlichen Verlauf hinweg durchzuführen, z.B. werden pharmokinetischen Studien, die Bewertung von Tumorwachstum und dgl. ermöglicht.
1 zeigt eine Ausführungsform eines optischen Bilderzeugungssystems, umfassend ein System zum Positionieren des Säugers 10. In einer Ausführungsform umfasst das System eine Kamera 12, einen Träger 14 für den Säuger und einen Computer 16, der betriebsgemäß mit der Kamera und em optischen Bilderzeugungssystem verbunden ist.
Der Säugerträger ist vorzugsweise ein Heizschale und ist vorzugsweise aus einer nicht reflektierenden Substanz hergestellt, die relativ zum optischen Bilderzeugungssystem bewegt werden kann. Dies kann erreicht werden durch Bereitstellen eines Translationstischs 18, auf dem die Schale angebracht ist. Weiterhin kann die Schale zusätzlich zu der Bewegung entlang der Achse des Translationstischs auch in Aufwärts- und Abwärtsrichtung bewegt werden, um den Säuger in der Objektebene der Bilderzeugungsoptik zu bewegen. Der Computer kann mit der Schale gekoppelt sein, um dem Benutzer ein Mittel zum Fernsteuern der Position der Schale bereitzustellen. Vorzugsweise ist der Säuger anästhesiert, um zu verhindern, dass er sich während der Bildaufnahme bewegt. In dieser Hinsicht kann die Schale eine Maske und/oder Röhrchen aufweisen, die mit einer Anästhetikumsversorgung gekoppelt sind, um dem Tier ein Anästhetikum zuzuführen, während es abgebildet wird. Die Schale kann darüberhinaus einen Sensor umfassen, um die Bewegung des Tieres während der Datenaufnahme zu überwachen. Vorteilhafterweise kann die Schale auch physiologische Monitore, etwa einen Elektrokardiograph, Temperatursensoren, Atmungssensoren und dgl. umfassen.
Das optische Bilderzeugungssystem umfasst eine Kombination von Spiegeln 20 und Linsen 22 zum Leiten der Lichtquelle 23 auf die Oberfläche des Säugers und ein zweiter Satz von Spiegel 24 und Linsen 26 ist vorgesehen zum Sammeln und Leiten des von dem Säugers zurück emittierten Lichts zu einem Detektor. Der Detektor ist wiederum mit dem Computer verbunden, wo die aufgenommenen optischen Signale zur Erzeugung eines Bildes verarbeitet werden.
Eine Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zunächst wird ein digitales Bild der den ROI umfassenden Oberfläche des Säugers aufgenommen, indem die Oberfläche dem Gesichtsfeld der Kamera 12 ausgesetzt wird. Das digitale Bild des ROI erlaubt es dem Benutzer, das ROI mit dem optischen Bilderzeugungssystem zu definieren, wie im Folgenden beschrieben wird. Vorzugsweise ist das digitale Bild ein Live-Bild und wird kontinuierlich aktualisiert. Software-Befehle können dann dazu verwendet werden, den Säuger relativ zu dem optischen Bilderzeugungssystem geeignet zu positionieren, um die optischen Signale zur Bildrekonstruktion aufzunehmen. Die Aufnahme des optischen Bildes wird vorzugsweise mit der Tabelle einer vorbestimmten Position relativ zu dem optischen Bilderzeugungssystem durchgeführt, um eine interne Referenz der Koordinaten bereitzustellen.
Sobald das digitale Bild aufgenommen worden ist, kann der ROI durch Anzeigen des Bildes der den ROI umfassenden Oberfläche auf einem Anzeigeschirm 28 (2) definiert werden. Der Benutzer kann dann den ROI 30 unter Verwendung einer Benutzerschnittstelle, z.B. einer Maus 17, auswählen. Die Auswahl des ROI bewirkt, dass der Computer die Koordinaten des ROI digital aufnimmt. Diese Koordinaten können zum späteren Abruf in einem Speicher gespeichert werden.
Die Koordinaten des ROI werden dann verwendet, um das optische Bilderzeugungssystem dazu zu programmieren, den durch die Koordinaten definierten Bereich abzutasten. Dies kann beispielsweise erreicht werden durch Programmieren der Position von Spiegeln, um den Beleuchtungsstrahl und die von dem Säuger zurück emittierten optischen Signale an die geeignete Stelle zu leiten. Zusätzlich zu der Definition des ROI kann der Benutzer auch die Positionen 32 innerhalb des ROI definieren, an denen die Oberfläche durch den Lichtstrahl beleuchtet werden soll, und die Position definieren, wo die von der Oberfläche des Säugers zurück emittierten optischen Signale gesammelt werden sollen. Die Auswahl von Beleuchtungs- und Erfassungspunkten hängt von dem gewünschten Modus der optischen Bilderzeugung (Dauerstrich, Zeitbereich, Frequenzbereich), der gewünschten Auflösung, ob das Bild topographisch oder tomographisch ist, und dgl. ab.
In einer weiteren Ausführungsform kann das System darüberhinaus eine zweite Kamera 34 aufweisen, die auf einer Seite der Vorrichtung angeordnet ist, um eine Gesichtsfeld bereitzustellen, das im Wesentlichen senkrecht zu dem Gesichtsfeld der zur Aufnahme des digitalen Bildes von der den ROI umfassenden Oberfläche verwendeten Kamera liegt. In optischen Bilderzeugungssystemen, in denen Licht durch Luft propagiert wird (z.B. durch ein frei im Raum angeordnete Optik) und in denen von dem Säuger zurück emittiertes Licht mit Linsen gesammelt wird, ermöglicht die zweite Kamera die Aufnahme eines digitalen Bildes, das verwendet werden kann, um die Höhe des Säugers relativ zu der Objektebene 36 der Sammeloptik einzustellen (3). Demzufolge kann das durch die erste Kamera aufgenommene Bild in dem Computer gespeichert werden und auf einem Schirm angezeigt werden, und zwar mit dem Live-Videobild überlagert, um es dadurch dem Benutzer zu ermöglichen, den Säuger vor nachfolgenden Scans in einer besonderen Ebene erneut auszurichten. Wie bei der Auswahl des ROI kann die Ebene der Bilderzeugung unter Verwendung einer Benutzerschnittstellenvorrichtung, etwa z.B. einer Maus, ausgewählt werden.
Das System kann darüberhinaus Mittel zur Bestimmung des volumetrischen Profils des Tieres umfassen. In einer Ausführungsform kann das volumetrische Profil bestimmt werden durch Abtasten des Tieres mit einem Laserstrahl, der im Wesentlichen othogonal zu dem Tier gerichtet ist. Durch gleichzeitiges Aufnehmen eines Bildes des Laserstrahls an der Oberfläche des Tieres mit einer in einem Winkel zu dem Laserweg angeordneten Videokamera kann das volumetrische Profil bestimmt werden. Das Tier kann durch Bewegen der Schale abgetastet werden. Es versteht sich, dass das auf diese Weise erhaltene volumetrische Profil räumliche Information bereitstellt, die zur Bildrekonstruktion und zur Anzeige nützlich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kameras in einer Positionierungskammer 38 durch eine Platte 42 optisch isoliert von der Kammer 40, die die optischen Komponenten enthält, angeordnet. In dieser Ausführungsform kann die Schale zwischen der optischen Kammer und er Positonierungskammer durch Verlagerung des Translationstisches, der die beiden Komponenten überspannt, hin- und her bewegt werden. Dies erlaubt es dem Benutzer, den Säuger auf einfache Weise in der Positionierungskammer zu manipulieren, ohne mit den verschiedenen optischen Komponenten in Konflikt zu kommen oder zu riskieren, dass dieselben gestört werden.
In einer anderen Ausführungsform können Bezugsmarkierungen an dem Säuger angebracht werden, um Referenzen bereitzustellen, die zur Auswahl des interessierenden Bereichs verwendet werden können, wenn eine Mehrzahl von optischen Bildern über die Zeit hinweg aufgenommen werden sollen, so dass derselbe interessierende Bereich mit dem optischen System ausgewählt und registriert wird. Die Bezugsmarkierungen werden auch zum Registrieren der optischen Bilder mit anderer Bilderzeugungsmodalität, etwa Computertomographie (CT), Spinresonanz-Bilderzeugung (MRI) und dgl. verwendet.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind als lediglich beispielhaft anzusehen. Der Schutzbereich der Erfindung ist daher als lediglich durch den Schutzbereich der angefügten Ansprüche begrenzt anzusehen.

Claims

Verfahren zum Positionieren eines Säugers oder eines Teils desselben zur optischen Bilderzeugung, wobei das Verfahren umfasst: i) Aufnehmen eines digitalen Bildes einer Oberfläche des Säugers, welche ein ROI umfasst, ii) Definieren des ROI, iii) Registrieren von Koordinaten des ROI mit einem optischen Bilderzeugungssystem, das Sammeloptikbauteile aufweist, iv) Positionieren des Säugers relativ zu einer Objektebene der Sammeloptik auf Grundlage der registrierten Koordinaten des ROI derart, das das ROI abgebildet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Aufnehmens eines digitalen Bildes umfasst: i) Positionieren des Säugers auf einem Träger derart, dass die das ROI umfassende Oberfläche des Säugers zu einem Sichtfeld einer Kamera freiliegt, ii) Aufnehmen eines digitalen Bildes der freiliegenden Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Definierens des ROI umfasst: i) Anzeigen des Bildes der das ROI umfassenden Oberfläche auf einer Anzeige, ii) Auswählen des ROI, um Koordinaten des ROI digital aufzuzeichnen, und iii) Speichern der digitalisierten Koordinaten des ROI in einem Computer.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Registrierens des ROI mit einem optischen Bilderzeugungssystem es umfasst, das optische Bilderzeugungssystem derart zu programmieren, dass es optische Daten vom dem durch die digitalisierten Koordinaten definierten ROI aufnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend den Schritt des Auswählens einer Höhe des Säugers relativ zu der Objektebene der Sammeloptik, bei der das Bilderzeugungssystem zur Aufnahme optischer Daten fokussiert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Auswählens der Höhe des Säugers umfasst: i) Aufnehmen eines digitalen Bildes einer Oberfläche des Säugers, welche definiert ist durch eine Ebene im Wesentlichen orthogonal zu der Ebene der das ROI umfassenden Oberfläche des Säugers, ii) Definieren einer Ebene, die einer gewünschten Objektebene entspricht, relativ zu dem Säuger, auf die das Bilderzeugungssystem fokussiert ist, iii) Digitales Aufnehmen von Koordinaten der definierten Objektebene, iv) Speichern der Koordinaten der definierten Objektebene, v) Registrieren der Koordinaten der Objektebene mit dem Bilderzeugungssystem, vi) Positionieren des Säugers relativ zu der Sammeloptik derart, dass die Objektebene das ROI umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Mehrzahl von Bildern des ROI über die Zeit hinweg aufgenommen werden und wobei die gespeicherten Koordinaten der definierten Ebene und des ROI zur Positionierung des Säugers in im Wesentlichen derselben Position für jedes Bild genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei auf der Oberfläche des Säugers in dem ROI Bezugsmarkierungen angebracht werden, um eine Referenz zum Positionieren des Säugers in im Wesentlichen derselben Position für jedes Bild und zur Auswahl des im Wesentlichen selben ROI bereitzustellen.
Verfahren zum Abbilden eines Säugers oder eines Teils desselben unter Verwendung eines optischen Bilderzeugungssystems, wobei das Verfahren umfasst: i) Anordnen des Säugers auf einem Trägermittel, ii) Definieren eines ROI, iii) Aufnehmen einer dreidimenensionalen (3D) Kontour des wenigstens das ROI umfassenden Tieres, iv) Registrieren von Koordinaten des ROI und einer 3D-Kontour mit einem optischen Bilderzeugungssystem, das Sammeloptikbauteile aufweist, v) Abbilden des ROI des auf dem Trägermittel angeordneten Säugers unter Verwendung des optischen Bilderzeugungssystems, wobei die Koordinaten der 3D-Kontour bei der Erzeugung des Bildes des ROI verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Aufnehmens einer 3D-Kontour umfasst: i) Abtasten des ROI mit einem Laserstrahl, der im Wesentlichen orthogonal auf das ROI gerichtet ist, und ii) gleichzeitiges Aufnehmen eines Bildes des Strahls auf der Oberfläche des Säugers.
System zum Positionieren eines Säugers zur optischen Bilderzeugung, wobei das System umfasst: i) ein Säugerträgermittel, ii) eine Kamera zum digitalen Abbilden einer Oberfläche des das ROI umfassenden Säugers, iii) Speichermittel zum Speichern des digitalen Bildes, iv) eine Anzeige, die mit dem Speichermittel betriebsmäßig verbunden ist, um das gespeicherte digitale Bild anzuzeigen, v) eine Benutzerschnittstelle, um das ROI zu definieren, und vi) ein Registriermittel zum Registrieren des definierten ROI mit einem optischen Bilderzeugungssystem.
System nach Anspruch 11, wobei das Säugerträgermittel eine Schale ist.
System nach Anspruch 12, wobei die Schale relativ zu dem optischen Bilderzeugungssystem beweglich ist.
System nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Schale eine Heizschale ist.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Schale einen Bewegungssenor umfasst, um eine Bewegung des Säugers während der Bilderzeugung aufzuzeichnen.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Schale einen oder mehrere physiologische Sensoren umfasst, um gewünschte physiologische Zustände in dem Säuger zu überwachen.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das System ferner eine zweite Kamera umfasst, die derart angeordnet ist, dass sie ein Sichtfeld im Wesentlichen orthogonal zum Sichtfeld der ersten Kamera bereitstellt.
System nach Anspruch 17, wobei die erste und die zweite Kamera, das Säugerträgermittel, das Speichermittel, die Anzeige, die Benutzerschnittstelle und des Registriermittel betriebsmäßig mit einem Computer verbunden sind.