JP6499662B2 - 磁気共鳴イメージングシステムにおいて高品質の光学画像を得るための装置 - Google Patents

Description

本発明は、医用イメージングに関する。詳細には、本発明には、同時磁気共鳴イメージング中にヒト対象（被検者）または動物対象（被検動物）から高品質の光学データを得るためのデバイスが含まれる。

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）は、臨床イメージングにおける非常に重要なツールである。ＭＲＩは、強い静磁場（Ｂ_０）、強力な高周波（ＲＦ）磁場（Ｂ_１）及び高速スイッチング傾斜磁場を用いて信号を発生させ、当該信号を空間的にエンコード（符号化）する。これらの磁場が原因で、この環境での電子機器の操作は困難であることから、ＭＲＩ検査中の患者モニタリングは容易ではない。静磁場は１．５Ｔないし７Ｔの強度を持つものが使用されることが多く、このために、スキャナボアの内側に配置される如何なる電子デバイスにおいても強磁性物質を使用することができない。ＲＦ磁場は電磁干渉（ＥＭＩ）源であり、傾斜磁場は導電体における機械的振動及び渦電流の発生源である。如何なる電子的モニタリングデバイスも、この環境で作動できなければならないのみならず、ＭＲＩ磁場に対して如何にしても摂動を与えるべきではない。というのも、それによってＭＲＩ画像にアーチファクトが生じる可能性があるからである。

これらの難題にもかかわらず、ＭＲＩ検査中に患者の頭部や体を光学的にモニタリングできることは有利である。１つの主要な適用分野は、動きの補正である。ＭＲＩは、動きに対して非常に敏感である。通常５〜１０分間のスキャン中に頭部がほんの数ミリメートル動いただけでも深刻な画像アーチファクトが発生してしまい、そのような画像は大抵使い物にならない。このことは、患者の転帰に影響を与えたり、スキャンを繰り返さなければならない場合にはコストを増大させたりし得る。１つの有望な動き補正法には、光学カメラシステムを用いた対象の頭部姿勢（位置及び向き）の測定が含まれる。映像情報を用いて、対象の頭部に取り付けられたマーカを追跡する。その後、頭部の動きデータを、スキャナのリアルタイム制御に用いる。このためには、頭部の動きを補償するためにスキャナのＲＦ磁場及び傾斜磁場を更新し、それによって、イメージングボリュームと被写体との間で相対運動が存在しないことを確実にする必要がある。この技法は、全ての一般的なイメージングシーケンスに適用可能であるので、非常に効果的である。

米国特許第８，１２１，３６１号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２０９８４６号公報 米国特許出願公開第２０１１／０２０１９１６号公報 米国特許出願公開第２０１２／０１２１１２４号公報

動き補正を機に、ＭＲＩのための患者モニタリングは幾つかの新たな局面を迎えた。１つの既存の方法は、カメラを最も強い磁場から遠ざけてスキャナの外側に配置することを含む（米国特許第８，１２１，３６１号明細書（特許文献１））。しかし、これには、対象に取り付けられたトラッキングマーカまでの妨げられない撮像視線が必要であるという重大な欠点がある。別の実施態様は、ＲＦ信号を受信するためのカメラを、ＭＲＩスキャナのボアに直接取り付けるかまたはヘッドコイルに搭載するかのいずれかにより、ボアの内側に配置することを含む（米国特許出願公開第２００９／０２０９８４６号公報（特許文献２）及び米国特許出願公開第２０１１／０２０１９１６号公報（特許文献３））。しかし、これは撮像視線の改善には資するが、それでもやはり、使用されるいずれかの光学マーカの視界がヘッドコイルの一部によって遮られる場合がある。光学マーカへの視界が遮られる問題を回避するためには、自己エンコードされたマーカ（self-encoded marker）を用いることができ、該マーカは、カメラがマーカのどの部分を捉えているかの確認を可能にする（米国特許出願公開第２０１２／０１２１１２４号公報（特許文献４））。さらに、装置への電力供給に導電性ケーブルを用いる必要があることで、ＭＲＩ検査との電磁干渉が生じるおそれがある。最後に、既存の実施態様では、場合によってはスキャン前にその都度、カメラの位置決め及び較正をスキャナオペレータが手動で行う必要がある。これらの問題は、作業の流れを途切れさせるので、日常的臨床ツールとしての上記手法を採用することの妨げとなっていた。

動き補正に加えて、ＭＲＩ検査中に対象から得られる高品質の映像情報の利用法は、他にも数多く存在する。機能的ＭＲＩ（ｆＭＲＩ）測定では、視線追跡を頻繁に用いる；光検出器の温度感度（例えば赤外線）を温度マッピング活用することによって、患者の皮膚温度を測定することができる；皮膚の色の僅かな変化から、脈拍数や酸素飽和度などの生理学的信号を検出することができる；空気式呼吸ベルトを必要とせずに、光学的動きデータから呼吸信号を測定することができる。したがって、光学イメージングシステムであって、（ａ）対象までの妨げられない撮像視線を確保し、（ｂ）完全なＭＲ適合性があり、かつ（ｃ）設定及び維持のために最小限のユーザインタラクションしか必要としないようなシステムを提供することができれば、当分野の進歩に貢献するであろう。

本発明は、同時磁気共鳴イメージング中に対象（被検者／被検動物）の高品質映像データを得るための方法を提供する。本方法は、既に述べた問題、すなわち、対象までの撮像視線の悪さ、ＭＲＩスキャナとの干渉及び過剰なユーザインタラクションを回避する。

本発明の装置は、１若しくは複数の小型カメラであって、ＭＲ適合性を満たすように変更され、その後、好適にはＭＲＩスキャナのイメージングコイルに組み込まれたカメラを含む。これにより、カメラから対象または対象に取り付けられた任意のトラッキングマーカまでの妨げられない視界が確保される。さらに、カメラはＭＲＩシステムの一体部分であるので、オペレータは使用前にカメラを設置する必要がない。既存の実施態様とは異なり、本発明の小型カメラは、外部世界との電気的接続（galvanic connection）がなされていないので、強い静磁場及びスイッチング磁場に対するロバスト性が向上し、その環境が電磁的摂動を受けないことが確実となる。

或る好適実施形態では、カメラの制御及び画像データの転送は共にデジタル信号を用いて光学的に達成される。実際的な運用を可能にするために、低電力の画像データ転送機構が用いられる。この実施形態では、これは、低電力の光リンクを用いて光学的に達成される。使用される好適なケーブルは、光コネクタではなく小型（最大寸法が＜３ｍｍ）の電気コネクタが各端部に取り付けられた「アクティブ光ケーブル」である。この実施形態では２本のファイバが用いられ、そのうちの一方はＭＲＩ室の外から制御信号をカメラに送信するため、他方は画像データを受信するためにそれぞれ用いられる。一実施形態では、２本のファイバを融合させて１つの「ケーブル」を形成し、１つの電気コネクタを共有するようにしている。この実施形態では、各電気コネクタには、電気信号を光信号に変換するためのＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光型レーザ）及び低電力ＶＣＳＥＬドライバチップと、光信号から電圧を発生させるためのフォトダイオード及びトランスインピーダンスアンプとが含まれている。この実施形態ではファイバはポリマー光ファイバであるが、ガラス光ファイバを用いてもよい。

上記の実施形態に近い別の実施形態では、「光ＵＳＢ」ケーブルを用いてデータ通信を行う。一般的には、光ＵＳＢケーブルには送電用に銅線も含まれているが、この実施形態では、銅は取り除かれ、ケーブルの各端部において各電子部品に別々に電力が供給される。同様に、サンダーボルト（登録商標）光ケーブルやＨＤＭＩ（登録商標）光ケーブルを用いることができる。

別の実施形態では、ＭＲＩプロセスとの干渉を回避するために、ＭＲＩスキャナが使用する周波数よりも高い周波数において無線でデータ通信を行う。この通信は、ギガビットＷｉ−Ｆｉ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃ）またはＷｉＧｉｇ（ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ）を用いて行うことができ、これにより、低消費電力でビデオストリームを転送するのに十分なデータレートを実現することができる。

低電力のデータ転送機構及びカメラチップを使用することにより、カメラユニット（ＬＥＤ照明を含む）が必要とする電力は確実に５００ｍＷ未満となる。これにより、銅製の電源ケーブルを必要とせずにデバイスに電力を供給することが可能になる。好適実施形態では、装置への電力供給は、ニッケルや他の強磁性物質を用いずに製造可能なＭＲ適合性がある電池、例えば充電式リチウムポリマー電池などを用いて行われるため、デバイスから外部世界への電気的接続は存在しない。電池端子は銅製で、魅力的なＭＲ適合性を有している。各電池は、装置の電磁シールド内に収まるように非常に小さい。電池寿命は、数時間かまたはそれ以上であり得る。

或る好適実施形態では、電池は、銅でシールドされたケースの内部に密閉されている。この電池ケースは、主カメラユニットに対してスライド式で嵌め込まれ、２ピンコネクタを用いて電気的に接続される。このようにすれば、充電のために電池を取り出すことが容易に行え、その場所に新しい電池を装着することもできる。これは、カメラをその場所から移動させることなく行うことができる（例えば、カメラがＭＲヘッドコイルと一体化されている場合に、カメラをＭＲヘッドコイルから取り外す必要がない）。

別の実施形態では、装置への電力供給は、「パワー・オーバ・ファイバ」を用いて行われる。パワー・オーバ・ファイバでは、スキャナ室の外部に位置するレーザダイオードまたはＬＥＤからの光が、光ファイバに沿って装置へ誘導される。光は、その後、光電池を用いて電気エネルギーに再度変換される。

さらなる実施形態では、装置への電力供給は、スキャナの受信コイルへの接続を用いて行われる。この実施形態では、受信コイルの性能の影響を受けることなく、受信コイル電源から電流が引き込まれて光学イメージング装置に電力が供給される。これを実現するために、場合によっては、受動電子部品を含むフィルタが必要になることがある。

さらなる実施形態では、装置への電力供給は、「パワー・ハーベスティング（環境発電）」方式を用いて行われる。パワー・ハーベスティングでは、傾斜磁場のスイッチングによってピックアップコイルに電圧を誘起してシステムに電力を供給するか、または時間的に変化するＲＦ磁場自体を用いて行うことができる。

これらの方法のさらなる利点は、低電力部品は放出される熱が非常に少ないという点であり、このことは、デバイスを一定の温度に維持することに資する。これにより、本来ならデバイスの発熱によって生じていたであろうデータ出力のドリフトが抑えられる。

ＭＲＩスキャナ及びファラデーケージへのカメラの一体化の例を示す。 例示的なボア搭載型カメラの配置を示す。 例示的なヘッドコイル搭載型カメラの配置を示す。 ＭＲＩシステムのボア内に至る導線接続を含まないカメラモジュールの例を示す。 好適なデータ転送方法の概略図を示す。

図１は、上記の原理に従う例示的な装置を示している。装置１００は、ファラデーケージ１１０と、ファラデーケージ１１０に囲まれた磁気共鳴断層撮影装置１２０とを含み、磁気共鳴断層撮影装置１２０内にヒト（または動物）１３０が入ることになる。ヒトまたは動物の頭部が、１若しくは複数の一体化されたカメラ１４１を含むイメージングコイル１４０によって部分的に取り囲まれる。カメラ１４１との唯一のデータ通信は、光ファイバ１５０を介して行われる。光ファイバ１５０は、導波路１１１を経由してファラデーケージを貫通し、処理装置１６０に至る。

本発明をより良く理解するためには、ボア搭載型カメラの欠点を考慮することが有用である。図２Ａは、トラッキングマーカ２１１を付けた患者の頭部２１０の周りを囲むＭＲＩスキャナボア２００を示している。この図から分かるように、ボア搭載型カメラ２０１は、その視野２０２がヘッドコイル２２０によって著しく遮られるという欠点がある。

図２Ｂは、同様の配置を示しているが、カメラ２２１がヘッドコイル２２０に搭載（好適には一体化）されており、それによって、目標物２１１を観察するための改良された視野２２２が提供されている点が異なっている。この改良された視野こそが、図２Ａの構成と比べて図２Ｂの構成の方が好ましい理由である。トラッキングマーカ２１１は、特許文献４に記載されているような位置決め自己エンコーディングパターン（position self-encoding pattern）を有していることが好ましい。特許文献４は、全文を引用することを以って本明細書の一部となす。

図３は、例示的なカメラモジュール３００を示しており、導電性シールド３２０でライニングされたプラスチックケース３１０に収められている。導電性シールド３２０は、銅箔及び／または銅塗料を用いて構成することができる。１若しくは複数の光ファイバ３３４を用いてカメラへ及びカメラから全てのデータを転送することができるように、カメラモジュール３００においては、単一のプリント回路基板（ＰＣＢ）３３０に、カメラ３３６、レンズ３３１、（必要に応じて照明を提供するための）ＬＥＤ３３２、及びアクティブ光ファイバコネクタ３３３を搭載していることが好ましい。ユニット全体への電力供給は、通常はニッケルめっきが施されるべき端子を全て銅に代えたＭＲ適合性がある充電式リチウムポリマー電池３４０を用いて行うことができる。

例えば、オンボード電源３５０は、エネルギーを電池３４０から受け取ることができる。あるいは、上記したように、オンボード電源３５０は、ＭＲＩシステムのボア内に至る導線接続（wired connection）がなされていないものであれば、他の電力供給源から電力を受け取ることもできる。オンボード電源３５０は、回路基板の外部から電力を受け取る任意の形式のものであってよい。用いられる電力構成の詳細にもよるが、例えば、コネクタと、任意的な構成要素として電圧調整器とがあれば、電源３５０としては十分であろう。

同様に、電池もまた、導電性シールド３４２でライニングされたプラスチックケース３４１に収められている。電池からの電力は、コネクタ３４３及びローカルな導線接続部３４４を用いてカメラユニットに伝達される。カメラ３３６の制御はコントローラ３６０によって行われ、コントローラ３６０もＭＲＩシステムのボア内に至る導線接続を含まない。この例では、コントローラ３６０への入力は、光ファイバ３３４を介して供給される。この実施形態では、カメラケースの導電性シールド３２０及び電池の導電性シールド３４２はそれぞれ完全に絶縁されており、地面、ＭＲＩスキャナ、電池、またはＰＣＢ上の如何なる部品（コンポーネント）との電気的接続も有していないことに留意されたい。この構成は、極めて優れたＭＲ適合性を有する。

図４は、好適なデータ転送システム４００を示している。２本のプラスチック光ファイバ４１０及び４２０を融合することにより１本の双方向光ケーブルが形成されている。一方の光ファイバ４１０は、カメラ制御に関連するデータ（例えば、露光時間、画像行列、フレームレートなど）を転送するために用いられる。他方の光ファイバ４２０は、カメラからコンピュータへ画像データを転送するために用いられる。これら２本のファイバは、ＭＲＩスキャナ室のファラデーケージ４４０及びカメラシールド４３０から外へ延びる唯一の物理的接続である。この構成の利点は、電気信号が存在せず、結果としてＭＲＩシステムとの優れた電磁両立性がもたらされることである。２本のファイバケーブルは「アクティブ光ケーブル」であり、これは、ファイバの各端部にそれぞれコネクタ４５０、４６０が取り付けられていることを意味する。両コネクタ共に、長さ、幅及び高さがいずれも３ｍｍ未満であることが好ましい。電気信号を光信号に変換するために、各コネクタは、ＶＣＳＥＬ及び低電力ＶＣＳＥＬドライバチップを含む。光信号を電気信号に変換するために、各コネクタは、フォトダイオード及びトランスインピーダンスアンプを含む。カメラケースの内部に位置するコネクタ４５０は、カメラエレクトロニクスに接続される電気的接触部４５１を有している。ファラデーケージの外部に位置するコネクタ４６０は、（例えば、ＵＳＢインタフェースを介して）コンピュータに接続される電気的接触部４６１を有している。この通信システムは、カメラからの画像データをコンピュータで受信することを可能にし、さらにまた、露光時間やゲインなどのカメラ設定をコンピュータから制御することも可能にする。

前述の例で説明されているのは、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムによって生じる電磁（ＥＭ）環境で用いられる光センシング装置であって、
１）１若しくは複数の、電磁適合性がある光学センサ（例えば３３６）と、
２）ＭＲＩシステムのボア内に至る導線接続を含まない電源用接続を介して、電力が供給される１若しくは複数の光学センサ用電源（３５０）と、
３）ＭＲＩシステムのボア内に至る導線接続を含まない制御用接続を介して、入力コマンドが供給される１若しくは複数の光学センサ用コントローラ（３６０）と、
４）ＭＲＩシステムのボア内に至る導線接続を含まない出力用接続を介して、光学センサからの出力信号が供給される１若しくは複数のセンサ出力装置（１６０）とを含む装置である。ここで、導線接続とは、導電性材料（例えば金属）を利用して電気を伝導する接続であると定義される。よって、光ファイバは、電気の伝導がないので導線接続ではない。換言すれば、電源用接続、制御用接続及び／または出力用接続がＭＲＩシステムのボアに入るどの点においても、これらの接続は非ワイヤード（例えば、光ファイバ、無線リンクなど）である。配線が完全にＭＲＩシステムのボア内にある場合には導線接続を用いることができ、例えば、ローカルな電池との導線接続を介して、またはＭＲＩヘッドコイルとの導線接続を介して、電力を供給することができる。カメラシステムにおいても、完全にＭＲＩシステムのボアの外側に位置する部分内であれば、導線接続を用いることができる。

光センシング装置は、ＭＲＩシステムのヘッドコイル上またはヘッドコイル内に配置されることが好ましい。これらの場合、電源用接続は、ヘッドコイルとの導線接続を含むことが好ましい。撮像対象にトラッキングマーカが配置される場合には、光センシング装置は、トラッキングマーカの一部または全部を含む視野範囲を有することが好ましい。１若しくは複数の電磁適合性がある光学センサを、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）技術での検出器アレイとして構成することができる。

制御用接続は、光ファイバまたは無線リンクを用いることができる。出力用接続も同様に、光ファイバまたは無線リンクを用いることができる。これらの接続に光ファイバを用いる場合には、１若しくは複数の光ファイバを含む１若しくは複数の双方向光ファイバリンクを用いることができる。このような双方向光ファイバリンクは、光源として垂直共振器面発光型レーザを含むことができる。

適切な電源用接続は、ローカルな電池との導線接続、ＭＲＩシステムとの導線接続、ＭＲＩシステムのヘッドコイルとの導線接続、光ファイバ、無線リンク、及びＥＭ環境からのパワー・ハーベスティングを含むが、これらに限定されるものではない。これら全ての場合において、ＭＲＩシステムのボアの外側からＭＲＩシステムのボア内に至る導線接続はなされておらず、それによって上記のＭＲ適合性が保たれている。

手術中、上記装置を用いて磁気共鳴イメージング中の対象を光学的に観察することができる。いくつかの用途を挙げると、例えば、脈拍監視、呼吸監視、眼球の動きの追跡、瞳孔の大きさの監視、皮膚温度の監視などである。撮像対象の動きを認識し、該認識した動きに基づいて器具類を操作することもできる。

特に重要な用途は、動きによるアーチファクトを低減するために、光学センサからの出力信号に基づいて、動き追跡及び動き補正を行うことである。そのような動き追跡は、以下の方法、すなわち、動き追跡のためにマーカを用いる方法、動き追跡のために対象の自然特徴点を用いる方法、及び動き追跡のために対象に所定のパターンの光を投影する方法のうちの一部または全部を含むことができる。

Claims (12)

1. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムによって生じる電磁（ＥＭ）環境で用いるための光センシング装置であって、
   １若しくは複数の、電磁適合性がある光学センサであって、前記光学センサは、前記ＭＲＩシステムのヘッドコイル上または該ヘッドコイル内に配置される、該光学センサと、
   前記ＭＲＩシステムの前記ヘッドコイルとの導線接続を介して、電力が供給される前記光学センサ用の１若しくは複数の電源と、
   前記ＭＲＩシステムのボアの外部から前記ＭＲＩシステムの前記ボアの内部に至る導線接続を含まない制御用接続を介して、入力コマンドが供給される前記光学センサ用の１若しくは複数のコントローラと、
   前記ＭＲＩシステムの前記ボアの外部から前記ＭＲＩシステムの前記ボアの内部に至る導線接続を含まない出力用接続を介して、前記光学センサからの出力信号が供給される１若しくは複数のセンサ出力装置とを含むことを特徴とする装置。
2. 撮像対象に配置されるトラッキングマーカをさらに含み、
   前記光センシング装置が、前記トラッキングマーカの一部または全部を含む視野範囲を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記１若しくは複数の電磁適合性がある光学センサが、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）技術での検出器アレイとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 照明源をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記制御用接続が、光ファイバ及び無線リンクからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記出力用接続が、光ファイバ及び無線リンクからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記制御用接続及び前記出力用接続が、１若しくは複数の光ファイバを含む１若しくは複数の双方向光ファイバリンクによって提供されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記双方向光ファイバリンクが、光源として垂直共振器面発光型レーザを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）の方法であって、
   ｉ）ＭＲＩシステムによって生じる電磁（ＥＭ）環境で用いるための光センシング装置であって、
   １若しくは複数の、電磁適合性がある光学センサであって、前記光学センサは、前記ＭＲＩシステムのヘッドコイル上または該ヘッドコイル内に配置される、該光学センサと、
   前記ＭＲＩシステムの前記ヘッドコイルとの導線接続を介して、電力が供給される前記光学センサ用の１若しくは複数の電源と、
   前記ＭＲＩシステムのボアの外部から前記ＭＲＩシステムの前記ボアの内部に至る導線接続を含まない制御用接続を介して、入力コマンドが供給される前記光学センサ用の１若しくは複数のコントローラと、
   前記ＭＲＩシステムの前記ボアの外部から前記ＭＲＩシステムの前記ボアの内部に至る導線接続を含まない出力用接続を介して、前記光学センサからの出力信号が供給される１若しくは複数のセンサ出力装置とを含む光センシング装置を提供するステップと、
   ｉｉ）ＭＲＩ中に対象を光学的に観察する目的で前記光センシング装置を使用するステップとを含むことを特徴とする方法。
10. 前記撮像対象の観察が、脈拍監視、呼吸監視、眼球の動きの追跡、瞳孔の大きさの監視及び皮膚温度の監視からなる群から選択される１若しくは複数の方法を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記光学センサからの前記出力信号に基づいて、動きによるアーチファクトを低減するために動き追跡及び動き補正を行うステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記動き追跡が、動き追跡のためにマーカを用いる方法、動き追跡のために前記対象の自然特徴点を用いる方法、及び動き追跡のために前記対象に所定のパターンの光を投影する方法からなる群から選択される１若しくは複数の方法を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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