[发明专利]基于动态跟踪技术免除运动伪影的磁共振影像方法和系统

摘要

本发明涉及磁共振成像研究领域，是一种基于计算机视觉目标识别和追踪技术，在磁共振成像数据的采集过程中，跟踪被试的空间姿态，实时动态调整扫描仪成像参数，避免采集到有运动伪影图像的方法和系统。通过模拟人眼立体视觉的至少两台摄像仪，识别目标并计算被试的空间姿态，监控和判断其空间运动。一旦发现发生运动，立即计算修正好的空间姿态参数并通过TCP/IP传递给扫描仪，实时调整扫描仪的成像参数，确保即使在被试有运动的情况下，扫描仪能在正确的空间位置去采集图像数据，从而最终获得的图像仿佛是被试没有发生运动而采集得到图像一样。由此采集得到的图像数据质量稳定可靠，完全免除了运动伪影，不再需要在后处理中做运动校正。

主权项

1.一种基于动态跟踪技术免除运动伪影的磁共振影像方法，利用计算机视觉的目标识别和跟踪技术，动态监控被试在扫描仪内地活动和空间姿态，实时调整磁共振成像过程，从而确保采集到的影像学数据中被试的相对位置固定从而免除图像中的运动和模糊，其特征在于该方法包括以下具体步骤：  a、视频识别和跟踪使用计算机视觉识别头部目标并动态监控头部运动的技术，实时计算头部在三维空间的运动参数；包括：ⅰ）视频信号采集利用模拟双眼并构造立体视觉的至少两个高分辨率工业摄像头，同时采集视频信息；ⅱ）目标和标记识别从视频信号中分离背景并识别目标和标记；ⅲ）跟踪标记物将具有特殊图像纹理的标记与被跟踪物体固定在一起，并且在视频数据流中连续串联和跟踪该标记；ⅳ）运动跟踪计算计算标记物随时间变化在不同图像数据帧之间的光流，在三维空间坐标系重建对象和标记的空间立体坐标；计算对象的运动姿态并估算是否有空间运动，若有运动，计算运动参数，并且进行不同坐标系统即扫描仪座标系统、视频座标系统、物理世界座标系统之间的统一和转换，获得被跟踪物体的空间运动信息；具体包括： 1）视频信号处理保证两个摄像机数据的稳定和快速视频数据流入；2）视觉标定计算两个摄像头的内参数集和外参数集，通过这些参数建立模拟双眼立体系统的几何模型，获得视频采集的图像像素坐标与真实空间中的实际坐标之间的对应关系；其中，摄像头的内参数集指那些主要与摄像机的内部结构相关的参数，包括焦距在图像坐标系x，y方向的等效焦距，摄像机光轴与成像平面的交点的图像坐标；外参数集是指右摄像机相对于左摄像机的空间转换关系，包括一个空间旋转矩阵R和一个空间平移向量T；3）标记物在空间中的三维坐标计算在双摄像机采集视频里分别识别标记物上的标记点，并通过标定参数构建的几何模型计算标记点在物理空间中的坐标；4）运动参数估计使用标记点三维坐标计算被跟踪物体的刚体运动参数，参数包括三维平移和三维旋角度的六个系数；其中运动参数的计算，设摄像机坐标系下的标记点运动前后的旋转矩阵为R_c，平移向量为t_c；假设t₀，t₁时刻标记点的坐标分别为X_c0，X_c1，那么式中X_c0，X_c1为3×N的矩阵，N为标记点的个数，从中估算出R_c和t_c，算法如下：式中和分别是t₀，t₁时刻N个标记点的平均坐标向量；对C进行奇异值分解（SVD）得到，从而解出R_c和t_c：再将旋转矩阵转换成三个旋转角度；5）系统互标定运动参数计算获得的运动系数是在摄像机坐标系下，将其转换到磁共振成像系统的坐标系下；做法是设计一个用于空间坐标标定的水模，其上包含了一系列标记点，标记点坐标同时在摄像机和MRI两个坐标系下获得，然后通过求解下式得到两坐标系之间的转换关系：X_m = R_cm·X_c + T_cm其中X_c和X_m分别为标记点在摄像机系统和磁共振成像系统下的空间坐标，R_cm为两个坐标系的3x3的旋转系数，T_cm为3x1的平移向量；R_cm和T_cm的求解与步骤四中运动参数计算的方法相同；通过R_cm和T_cm，用如下公式计算磁共振坐标系下的运动参数R_m和T_m：假设t₀，t₁时刻标记点的坐标分别为X_m0，X_m1，那么：结合得到：所以；b、网络传输提供视频识别和跟踪步骤与磁共振扫描控制台之间的通讯，用于传递监控计算得到的运动参数和需要的修正结果；其中，通讯程序使用TCP/IP协议，将视频识别和跟踪步骤计算得到的运动参数实时传输到磁共振成像扫描控制台电脑；c、脉冲序列控制根据运动参数，修改脉冲序列参数，并将更新的序列参数发送到脉冲序列控制单元，调整扫描的视野、位置和平面。