根据磁传感器数据重建三维电流源的制作方法
专利名称：根据磁传感器数据重建三维电流源的制作方法
根据磁传感器数据重建三维电流源技术领域
本发明总体上涉及数据处理，具体涉及根据从磁传感器阵列获得数据来获得三维 (3D)电流。
背景技术：
诊断测试对于患者保健非常关键。保健专业人员需要能够对患者进行评估，以正 确地诊断滋养品。诊断过程可以是侵入式或非侵入式的。因为侵入式测试带来相关风险， 所以通常优选非侵入式诊断过程。非侵入式测试尤其是在调查心脏和大脑等关键器官时是 优选的。
非侵入式诊断测试的一种形式是磁源成像。身体中例如心脏和大脑等某些器官产 生电流。这些电流在器官的神经元的同步活动中出现，并且电流产生延伸到身体外部的磁 场。记录心脏产生的磁场被称为磁心动描记法(MCG)，记录大脑产生的磁场被称为脑磁描记 法(MEG)。
使用这些磁场作为诊断工具存在挑战性问题。第一，虽然这些磁场延伸到身体外 部，但是它们典型地非常微弱，需要极其灵敏的测量设备。例如，可以靠近感兴趣的器官放 置超导量子干涉器件(SQUID)检测器阵列，以检测磁场。
第二，一旦获得了测量数据，下一个障碍是使数据有意义。先前的若干尝试使用了 这种测量数据。MCG传感器数据已用于开发二维QD)图像。其他的数据使用包括显示磁场 映射，这示出了在特定测量点和精确时刻获得的磁场的分布。
已经尝试了重建感兴趣器官的电流分布，然而，要得到这一结果，必须解决逆向问 题。即，在给定得到的磁场的情况下，必须尝试确定器官的什么系统的电流源产生该磁场。 解决这一逆向问题非常复杂，为了降低复杂度，许多在前尝试已经简化了该逆向问题，以获 得结果。然而，简化倾向于获得不太准确或不完整的结果。因此，重要的是磁源成像方案尽 可能精确地对器官建模。发明内容
磁源成像(MSI)包括从测量的磁场数据重建器官中的电流源。测量的磁场数据可 以来自一维或三维传感器。本发明的方面包括在给定磁数据的情况下重建例如心脏或大脑 等器官的一部分身体的电流的系统和方法。在实施例中，在知道或估计传感器平面相对于 患者的位置或偏移，以形成线性方程组的情况下，实现三维电流源的重建。备选地，在不知 道传感器平面相对于患者的偏移的情况下，实现三维电流源的重建。在实施例中，迭代地使 用线性和非线性方程系，来获得电流源信息。在实施例中，采用多尺度策略。
在实施例中，一种用于重建一部分身体的电流分布的方法包括将该部分身体表 示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边界区域内定义的位置；以 及将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及针对边界区域与传感 器阵列之间的偏移的值的线性方程组。在给定偏移的情况下，可以求解线性系以获得电流fn息ο
在不知道或假设偏移的实施例中，传感器阵列中的磁场表示为电流偶极子集合的 幅度和取向以及传感器阵列相对于边界区域的偏移的非线性方程组。通过设置该偏移的 值并使用线性方程组和该偏移值来获得电流偶极子集合的幅度和取向，获得电流偶极子信 息。将从线性方程组获得的电流偶极子信息输入到非线性方程组中，以获得更新的偏移。该 过程进行迭代，直到满足停止条件为止。
在实施例中，停止条件可以包括如下中的至少一个偏移与更新的偏移之间的差 小于阈值；已经进行了一定次数的迭代；解在发散；以及测量重建误差小于阈值量。
在实施例中，使用Levenberg-Marquardt方法求解非线性方程组，以获得更新的 偏移。
在实施例中，当求解更新的偏移时，使用参数来帮助改善朝着全局最优值的收敛。 例如，在实施例中，使用仿真退火来帮助更新值朝着非局部最优收敛。
在实施例中，传感器阵列中的传感器包括一维传感器，非线性方程组和线性方程 组各自均包括一维方程组。
在实施例中，可以使用电流偶极子信息对受检查的一部分身体建模。在实施例中， 可以图形化地描绘所建模的身体的电流偶极子信息。在实施例中，可以使用电流偶极子信 息来协助诊断和/或治疗。
在实施例中，可以采用多尺度策略，其中在迭代时，通过再划分电流偶极子区域中 的至少一些区域，增加电流偶极子的数目。在实施例中，只再划分电流足够强的那些区域。
这里提供的方法可以包含在计算机程序产品中，该计算机程序产品包括存储一个 或多个指令序列的至少一个计算机可读介质，其中通过一个或多个处理器执行一个或多个 指令序列，使一个或多个处理器执行计算机实现的用于重建一部分身体的电流分布的方 法。
本发明的实施例包括用于根据磁数据获得电流信息的计算机系统或多个计算机 系统
发明内容
部分总体上描述了本发明的一些特征和优点，然而，参照附图、说明书和 权利要求，这里提供的其他特征、优点和实施例对于本领域普通技术人员显而易见。因此， 应该理解，本发明的范围不应该局限于发明内容部分公开的具体实施例。
参照本发明实施例，其示例示出在附图中。这些附图是示例性而非限制性的。虽 然在这些实施例的情况下总体上描述了本发明，但是应该理解，本发明的范围不限于这些 具体实施例。
图1示出了根据本发明多种实施例的传感器阵列、以及表示为三维体和三维电流 源阵列的心脏，三维电流源阵列用于对心脏中的电流分布进行建模。
图2A示出了根据本发明多种实施例的单个偶极子和单个传感器。
图2B示出了根据本发明多种实施例的单个偶极子和多传感器阵列。
图2C示出了根据本发明多种实施例的多个偶极子和单个传感器。
图3A示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果。3/16 页
图;3B示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果。
图3C示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果。
图4示出了根据本发明多种实施例的偶极子相对于传感器阵列的未知位置矢量。
图5示出了根据本发明多种实施例的用于重建器官的电流分布的方法。
图6示出了根据本发明多种实施例的用于重建器官的电流分布的备选方法。
图7示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果和相关联的误差。
图8示出了根据本发明多种实施例的用于重建器官的电流分布的方法的一方面， 以改善解的收敛性。
图9A示出了根据本发明多种实施例的估计电流源误差。
图9B示出了根据本发明多种实施例的重建磁信号误差。
图9C示出了根据本发明多种实施例的迭代期间的偏移的轨迹。
图10示出了根据本发明多种实施例的用于使用一维传感器来重建器官的电流分 布的方法。
图11示出了根据本发明多种实施例的用于使用多尺度策略来重建器官的电流分 布的方法。
图12示出了根据本发明多种实施例的用于使用多尺度策略来重建器官的电流分 布的备选方法。
图13示出了根据本发明多种实施例的多尺度策略的不同级别的示例。
图14示出了根据本发明多种实施例的计算系统。
具体实施方式
在以下描述中，为了说明目的，记载了特定细节，以理解本发明。然而，对于本领域 技术人员显而易见的是本发明可以在缺少这些细节的情况下实施。本领域技术人员会认识 到部分在以下描述的本发明实施例可以结合到多个不同的系统和设备中，作为示例而非限 制性地，包括医疗诊断设备。本发明的方面可以以软件、硬件、固件或其组合实现。
框图中示出的组件或模块示出了本发明的示例实施例，意在避免造成本发明不清 楚。还应该理解，在本论述全文中，组件可以描述为分立的功能性单元，这些单元可以包括 子单元，但是本领域技术人员会认识到，多种组件或其部分可以划分成分立的组件，或者可 以集成在一起，包括集成在单个系统或组件内。
此外，图中组件/模块之间的连接并不是要局限于直接连接。而是，这些组件之间 的数据可以被中间组件修改、重格式化或改变。此外，可以使用附加的或更少的连接。应该 注意，术语“耦接”或“通信性耦接”应该被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备 的间接连接、以及无线连接。
说明书中对“ 一个实施例”、“实施例，，或“多个实施例，，的参照是指结合该实施例 或多个实施例描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中，并且 可以包括在多于一个的实施例中。本说明书中多处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施 例中”或“在多个实施例中”不一定都指相同的实施例或多个实施例。在以下描述的系统和 方法中，应该注意，对于第一次(或更多)迭代，可以跳过对停止条件的检查。
A.总览
磁源成像(MSI)可以包括根据测量的磁场数据来重建器官中的电流源。即，磁源 成像技术尝试获得身体内电流源的位置、取向和幅度。磁源成像的两种应用是磁心动描记 法和脑磁描记法。磁心动描记法(MCG)包括对由心脏的激励电流引起的磁场的体表记录进 行测量这一非侵入式和无风险技术。脑磁描记法(MEG)包括对由心脏的激励电流引起的磁 场的体表记录进行测量这一非侵入式和无风险技术。当前的MCG和MEG系统典型地使用超 灵敏磁传感器(SQUID 超导量子干涉器件)，这种超灵敏磁传感器使得能够对心脏和大脑 进行非侵入式评估。
从这些磁传感器获得的数据可以用于对感兴趣的身体部分建模。将未知的电流分 布建模为具有未知位置、取向和幅度的一个或多个电流偶极子是非常复杂的。先前为这种 逆向问题求解的尝试包括了通过以某种方法简化该问题，试图简化模型。例如，大多数先前 的方法只处理表面上的二维电流源重建，这些方法通常将源建模为磁偶极子而非电流偶极 子。为了发现心肌的异常运动或一些其他器官的异常，需要针对三维激励电流模型的解决 方案。
其他方法通过去除未知数中的一个或多个来简化建模。例如，一些方法固定了每 个偶极子的幅度，只为位置和取向求解。另一些其他方法将偶极子看作未知的基本源的加 权和，这固定了每个基本源的位置，只有幅度是未知的。这种模型的重要假设是这些源偶极 子彼此依赖。即使采用这些简化，这些方法也是计算成本高，通常在数值上是不稳定的。
本文提出了用于重建三维电流源的系统和方法。在实施例中，在传感器相对于患 者的位置或偏移未知的情况下，实现三维电流源的重建。为了开发实时系统，将电流分布表 达为电流偶极子阵列。为了阐释目的，下面的论述可以使用心脏作为被调查的感兴趣的器 官；但是，要注意，本文公开的系统和方法也可以用于身体的其他部分。
B.初始设置
图1示出了根据本发明多种实施例的传感器阵列140、以及表示为三维体130和 三维电流源(例如，120)阵列(例如，120)的心脏110，三维体130和三维电流源阵列120 用于对心脏110中的电流分布进行建模。在实施例中，可以以定义的关系来定位电流偶极 子源。例如，电流偶极子可以是在边界盒130内均勻分布的。如图1所示，以三维偏移矢量 (例如，160)将传感器阵列140放置在心脏体130的上方。在使患者和设备固定不动之后， 保健专业人员只需要将传感器阵列的中心定位在大致心脏中心的上方。在实施例中，本发 明方法和系统基于人类心脏的有关统计量，自动估计边界盒130的尺寸。
1.在每个时刻处的ιΗ向问题
图2A-C示出了产生磁场的电偶极子的正向问题。图2A示出了单个偶极子ρ和单 个传感器r。使用Biot-Savart定律，由单个电流源J(P)引起的位置;处的磁场云(巧为
虽然由例如心脏等身体的一部分产生的磁场非常微弱(典型地，大约10_12 10_" 特斯拉)，但是该磁场可以由不同位置上的传感器检测。例如，图2B示出了单个偶极子(ρ)、 以及具有用于检测该偶极子产生的磁场的多个传感器(巧-ig的传感器阵列。
对例如心脏等器官中的生理过程的更精确表示是存在许多主电流源。因此，更精 确的模型包括多个偶极子。图2C示出了根据本发明多种实施例的多个偶极子(P1-P7)和传 感器(r)。如图2C所示，每个偶极子(P1-P7)对每个传感器位置(例如，r)处的测量磁场作 出贡献。
在实施例中，可以通过假设位置声处电流源力 独立于位置#处电流源J(声‘)，来 表达上述问题。J(P)是基本源，这不同于将J(多)表示为线性基的组合的一些现有技术方 法。在建模的实施例中，存在不同位置处的η个偶极子，qn表示每个偶极子的幅度，J是单 位矢量。由此，偶极子的位置是相对于彼此而固定的，但是每个偶极子的幅度和方向是未知 的。将方程(1)扩展到多个偶极子，得到如下方程
权利要求
1.一种计算机程序产品，包括存储有一个或多个指令序列的至少一个计算机可读介 质，其中由一个或多个处理器执行所述一个或多个指令序列，使得所述一个或多个处理器 执行一种用于重建身体一部分的电流分布的计算机执行的方法，所述方法包括[a]将该身体部分表示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边 界区域内定义的位置；[b]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及传感器阵列相对 于边界区域的偏移的非线性方程组；[c]设定偏移的值；[d]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及该偏移值的线性 方程组；[e]求解该线性方程组，以得到电流偶极子集合的幅度和取向；[f]将从求解该线性方程组得到的电流偶极子集合的幅度和取向输入到所述非线性方 程组中，并求解所述非线性方程组，以得到更新的偏移；以及[g]响应于未满足停止条件，使用更新的偏移作为偏移值，并返回步骤[d]。
2.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，求解所述非线性方程组以得到更新 的偏移的步骤包括求解所述非线性方程组，以得到更新值，并使用更新值来调整偏移，以得到更新的偏移。
3.根据权利要求2所述的计算机程序产品，其中，求解所述非线性方程组以得到更新 值的步骤包括作为用于求解非线性方程组的迭代最优化的一部分，将更新值乘以参数，并将乘积与 偏移相加，以得到要用于迭代最优化的下一迭代的更新的偏移。
4.根据权利要求3所述的计算机程序产品，其中，所述参数是仿真退火的一部分。
5.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，所述非线性方程组包括一维方程组， 所述线性方程组包括一维方程组。
6.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，停止条件是如下中的至少一个偏移与更新的偏移之间的差小于阈值；已经进行了一定次数的迭代；偏移与更新的偏移之间的差相对于先前迭代的差而言增大了；以及测量重建误差小于阈值量。
7.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，所述方法还包括步骤[h]图形化地绘制电流偶极子。
8.一种计算机程序产品，包括存储有一个或多个指令序列的至少一个计算机可读介 质，其中由一个或多个处理器执行所述一个或多个指令序列，使得所述一个或多个处理器 执行一种用于重建身体一部分的电流分布的计算机执行的方法，所述方法包括[a]设定偏移的值；[b]将该身体部分表示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边 界区域内定义的位置，并且具有在该边界区域内的关联区域；[c]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及传感器阵列相对于边界区域的偏移的非线性方程组；[d]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及该偏移值的线性 方程组；[e]求解该线性方程组，以得到电流偶极子集合的幅度和取向；[f]将从求解该线性方程组得到的电流偶极子集合的幅度和取向输入到所述非线性方 程组中，并求解所述非线性方程组，以得到更新的偏移；以及[g]响应于未满足停止条件使用更新的偏移作为偏移值，通过将电流偶极子区域中的至少一些再划分，增大剩余电流偶极子的数目，以及返回步骤[d]。
9.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，通过将电流偶极子区域中的至少一 些再划分，增大剩余电流偶极子的数目的步骤包括响应于电流偶极子的幅度具有低于阈值的值，不考虑边界区域内的该电流偶极子及其 关联区域；以及通过对仍被考虑的电流偶极子区域中的至少一些再划分，增大剩余电流偶极子的数目。
10.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述非线性方程组包括一维方程 组，所述线性方程组包括一维方程组。
11.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，停止条件是，另一再划分导致电流 偶极子的数目超过与传感器阵列中的传感器数据有关的阈值。
12.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，求解所述非线性方程组以得到更新 的偏移的步骤包括使用Levenberg-Marquardt方法来获得更新的偏移。
13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中，所述方法还包括使用与Levenberg-Marquardt方法相结合的参数来获得更新的偏移，其中在 Levenberg-Marquardt方法的至少一些迭代中，将参数乘以更新偏移值，更新的偏移是当前 偏移与所述参数乘以更新偏移值的乘积的和。
14.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述方法还包括步骤图形化地绘制电流偶极子。
15.一种计算机系统，用于从磁数据获得电流信息，所述系统包括一个或多个处理器；以及与所述一个或多个处理器通信的一个或多个计算机可读介质，所述计算机可读介质上 存储有所述一个或多个处理器可执行的指令集，所述指令集包括[a]将该身体部分表示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边 界区域内定义的位置；[b]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及传感器阵列相对 于边界区域的偏移的非线性方程组；[c]设定偏移的值；[d]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及该偏移值的线性方程组；[e]求解该线性方程组，以得到电流偶极子集合的幅度和取向；[f]将从求解该线性方程组得到的电流偶极子集合的幅度和取向输入到所述非线性方 程组中，并求解所述非线性方程组，以得到更新的偏移；以及[g]响应于未满足停止条件，使用更新的偏移作为偏移值，并返回步骤[d]。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，求解所述非线性方程组以得到更新的偏移的 步骤包括求解所述非线性方程组，以得到更新值，并使用更新值来调整偏移，以得到更新的偏移。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，使用更新值来调整偏移，以得到更新的偏移的 步骤包括将更新值乘以参数，并将乘积与偏移相加，以得到更新的偏移。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述非线性方程组包括一维方程组，所述线性 方程组包括一维方程组。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，停止条件是如下中的至少一个 偏移与更新的偏移之间的差小于阈值；已经进行了一定次数的迭代；偏移与更新的偏移之间的差相对于先前迭代的差而言增大了；以及测量重建误差小于阈值量。
20.根据权利要求15所述的系统，还包括显示器，所述一个或多个计算机可读介质还 包括用于图形化地绘制电流偶极子的指令集。
全文摘要
磁源成像(MSI)包括从测量的磁场数据重建器官中的电流源。测量的磁场数据可以来自一维或三维传感器。本发明的方面包括在给定磁数据的情况下重建例如心脏或大脑等器官的一部分身体的电流的系统和方法。在实施例中，在知道或估计传感器平面相对于患者的位置或偏移，以形成线性方程组的情况下，实现三维电流源的重建。备选地，在不知道传感器平面相对于患者的偏移的情况下，实现三维电流源的重建。在实施例中，迭代地使用线性和非线性方程系，来获得电流源信息。在实施例中，采用多尺度策略。
文档编号A61B5/05GK102028461SQ201010293559
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月26日 优先权日2009年10月6日
发明者伍晨愉, 肖京 申请人:精工爱普生株式会社
根据磁传感器数据重建三维电流源技术领域
本发明总体上涉及数据处理，具体涉及根据从磁传感器阵列获得数据来获得三维 (3D)电流。
背景技术：
诊断测试对于患者保健非常关键。保健专业人员需要能够对患者进行评估，以正 确地诊断滋养品。诊断过程可以是侵入式或非侵入式的。因为侵入式测试带来相关风险， 所以通常优选非侵入式诊断过程。非侵入式测试尤其是在调查心脏和大脑等关键器官时是 优选的。
非侵入式诊断测试的一种形式是磁源成像。身体中例如心脏和大脑等某些器官产 生电流。这些电流在器官的神经元的同步活动中出现，并且电流产生延伸到身体外部的磁 场。记录心脏产生的磁场被称为磁心动描记法(MCG)，记录大脑产生的磁场被称为脑磁描记 法(MEG)。
使用这些磁场作为诊断工具存在挑战性问题。第一，虽然这些磁场延伸到身体外 部，但是它们典型地非常微弱，需要极其灵敏的测量设备。例如，可以靠近感兴趣的器官放 置超导量子干涉器件(SQUID)检测器阵列，以检测磁场。
第二，一旦获得了测量数据，下一个障碍是使数据有意义。先前的若干尝试使用了 这种测量数据。MCG传感器数据已用于开发二维QD)图像。其他的数据使用包括显示磁场 映射，这示出了在特定测量点和精确时刻获得的磁场的分布。
已经尝试了重建感兴趣器官的电流分布，然而，要得到这一结果，必须解决逆向问 题。即，在给定得到的磁场的情况下，必须尝试确定器官的什么系统的电流源产生该磁场。 解决这一逆向问题非常复杂，为了降低复杂度，许多在前尝试已经简化了该逆向问题，以获 得结果。然而，简化倾向于获得不太准确或不完整的结果。因此，重要的是磁源成像方案尽 可能精确地对器官建模。发明内容
磁源成像(MSI)包括从测量的磁场数据重建器官中的电流源。测量的磁场数据可 以来自一维或三维传感器。本发明的方面包括在给定磁数据的情况下重建例如心脏或大脑 等器官的一部分身体的电流的系统和方法。在实施例中，在知道或估计传感器平面相对于 患者的位置或偏移，以形成线性方程组的情况下，实现三维电流源的重建。备选地，在不知 道传感器平面相对于患者的偏移的情况下，实现三维电流源的重建。在实施例中，迭代地使 用线性和非线性方程系，来获得电流源信息。在实施例中，采用多尺度策略。
在实施例中，一种用于重建一部分身体的电流分布的方法包括将该部分身体表 示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边界区域内定义的位置；以 及将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及针对边界区域与传感 器阵列之间的偏移的值的线性方程组。在给定偏移的情况下，可以求解线性系以获得电流fn息ο
在不知道或假设偏移的实施例中，传感器阵列中的磁场表示为电流偶极子集合的 幅度和取向以及传感器阵列相对于边界区域的偏移的非线性方程组。通过设置该偏移的 值并使用线性方程组和该偏移值来获得电流偶极子集合的幅度和取向，获得电流偶极子信 息。将从线性方程组获得的电流偶极子信息输入到非线性方程组中，以获得更新的偏移。该 过程进行迭代，直到满足停止条件为止。
在实施例中，停止条件可以包括如下中的至少一个偏移与更新的偏移之间的差 小于阈值；已经进行了一定次数的迭代；解在发散；以及测量重建误差小于阈值量。
在实施例中，使用Levenberg-Marquardt方法求解非线性方程组，以获得更新的 偏移。
在实施例中，当求解更新的偏移时，使用参数来帮助改善朝着全局最优值的收敛。 例如，在实施例中，使用仿真退火来帮助更新值朝着非局部最优收敛。
在实施例中，传感器阵列中的传感器包括一维传感器，非线性方程组和线性方程 组各自均包括一维方程组。
在实施例中，可以使用电流偶极子信息对受检查的一部分身体建模。在实施例中， 可以图形化地描绘所建模的身体的电流偶极子信息。在实施例中，可以使用电流偶极子信 息来协助诊断和/或治疗。
在实施例中，可以采用多尺度策略，其中在迭代时，通过再划分电流偶极子区域中 的至少一些区域，增加电流偶极子的数目。在实施例中，只再划分电流足够强的那些区域。
这里提供的方法可以包含在计算机程序产品中，该计算机程序产品包括存储一个 或多个指令序列的至少一个计算机可读介质，其中通过一个或多个处理器执行一个或多个 指令序列，使一个或多个处理器执行计算机实现的用于重建一部分身体的电流分布的方 法。
本发明的实施例包括用于根据磁数据获得电流信息的计算机系统或多个计算机 系统
发明内容
部分总体上描述了本发明的一些特征和优点，然而，参照附图、说明书和 权利要求，这里提供的其他特征、优点和实施例对于本领域普通技术人员显而易见。因此， 应该理解，本发明的范围不应该局限于发明内容部分公开的具体实施例。
参照本发明实施例，其示例示出在附图中。这些附图是示例性而非限制性的。虽 然在这些实施例的情况下总体上描述了本发明，但是应该理解，本发明的范围不限于这些 具体实施例。
图1示出了根据本发明多种实施例的传感器阵列、以及表示为三维体和三维电流 源阵列的心脏，三维电流源阵列用于对心脏中的电流分布进行建模。
图2A示出了根据本发明多种实施例的单个偶极子和单个传感器。
图2B示出了根据本发明多种实施例的单个偶极子和多传感器阵列。
图2C示出了根据本发明多种实施例的多个偶极子和单个传感器。
图3A示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果。3/16 页
图;3B示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果。
图3C示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果。
图4示出了根据本发明多种实施例的偶极子相对于传感器阵列的未知位置矢量。
图5示出了根据本发明多种实施例的用于重建器官的电流分布的方法。
图6示出了根据本发明多种实施例的用于重建器官的电流分布的备选方法。
图7示出了根据本发明多种实施例获得的仿真结果和相关联的误差。
图8示出了根据本发明多种实施例的用于重建器官的电流分布的方法的一方面， 以改善解的收敛性。
图9A示出了根据本发明多种实施例的估计电流源误差。
图9B示出了根据本发明多种实施例的重建磁信号误差。
图9C示出了根据本发明多种实施例的迭代期间的偏移的轨迹。
图10示出了根据本发明多种实施例的用于使用一维传感器来重建器官的电流分 布的方法。
图11示出了根据本发明多种实施例的用于使用多尺度策略来重建器官的电流分 布的方法。
图12示出了根据本发明多种实施例的用于使用多尺度策略来重建器官的电流分 布的备选方法。
图13示出了根据本发明多种实施例的多尺度策略的不同级别的示例。
图14示出了根据本发明多种实施例的计算系统。
具体实施方式
在以下描述中，为了说明目的，记载了特定细节，以理解本发明。然而，对于本领域 技术人员显而易见的是本发明可以在缺少这些细节的情况下实施。本领域技术人员会认识 到部分在以下描述的本发明实施例可以结合到多个不同的系统和设备中，作为示例而非限 制性地，包括医疗诊断设备。本发明的方面可以以软件、硬件、固件或其组合实现。
框图中示出的组件或模块示出了本发明的示例实施例，意在避免造成本发明不清 楚。还应该理解，在本论述全文中，组件可以描述为分立的功能性单元，这些单元可以包括 子单元，但是本领域技术人员会认识到，多种组件或其部分可以划分成分立的组件，或者可 以集成在一起，包括集成在单个系统或组件内。
此外，图中组件/模块之间的连接并不是要局限于直接连接。而是，这些组件之间 的数据可以被中间组件修改、重格式化或改变。此外，可以使用附加的或更少的连接。应该 注意，术语“耦接”或“通信性耦接”应该被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备 的间接连接、以及无线连接。
说明书中对“ 一个实施例”、“实施例，，或“多个实施例，，的参照是指结合该实施例 或多个实施例描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中，并且 可以包括在多于一个的实施例中。本说明书中多处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施 例中”或“在多个实施例中”不一定都指相同的实施例或多个实施例。在以下描述的系统和 方法中，应该注意，对于第一次(或更多)迭代，可以跳过对停止条件的检查。
A.总览
磁源成像(MSI)可以包括根据测量的磁场数据来重建器官中的电流源。即，磁源 成像技术尝试获得身体内电流源的位置、取向和幅度。磁源成像的两种应用是磁心动描记 法和脑磁描记法。磁心动描记法(MCG)包括对由心脏的激励电流引起的磁场的体表记录进 行测量这一非侵入式和无风险技术。脑磁描记法(MEG)包括对由心脏的激励电流引起的磁 场的体表记录进行测量这一非侵入式和无风险技术。当前的MCG和MEG系统典型地使用超 灵敏磁传感器(SQUID 超导量子干涉器件)，这种超灵敏磁传感器使得能够对心脏和大脑 进行非侵入式评估。
从这些磁传感器获得的数据可以用于对感兴趣的身体部分建模。将未知的电流分 布建模为具有未知位置、取向和幅度的一个或多个电流偶极子是非常复杂的。先前为这种 逆向问题求解的尝试包括了通过以某种方法简化该问题，试图简化模型。例如，大多数先前 的方法只处理表面上的二维电流源重建，这些方法通常将源建模为磁偶极子而非电流偶极 子。为了发现心肌的异常运动或一些其他器官的异常，需要针对三维激励电流模型的解决 方案。
其他方法通过去除未知数中的一个或多个来简化建模。例如，一些方法固定了每 个偶极子的幅度，只为位置和取向求解。另一些其他方法将偶极子看作未知的基本源的加 权和，这固定了每个基本源的位置，只有幅度是未知的。这种模型的重要假设是这些源偶极 子彼此依赖。即使采用这些简化，这些方法也是计算成本高，通常在数值上是不稳定的。
本文提出了用于重建三维电流源的系统和方法。在实施例中，在传感器相对于患 者的位置或偏移未知的情况下，实现三维电流源的重建。为了开发实时系统，将电流分布表 达为电流偶极子阵列。为了阐释目的，下面的论述可以使用心脏作为被调查的感兴趣的器 官；但是，要注意，本文公开的系统和方法也可以用于身体的其他部分。
B.初始设置
图1示出了根据本发明多种实施例的传感器阵列140、以及表示为三维体130和 三维电流源(例如，120)阵列(例如，120)的心脏110，三维体130和三维电流源阵列120 用于对心脏110中的电流分布进行建模。在实施例中，可以以定义的关系来定位电流偶极 子源。例如，电流偶极子可以是在边界盒130内均勻分布的。如图1所示，以三维偏移矢量 (例如，160)将传感器阵列140放置在心脏体130的上方。在使患者和设备固定不动之后， 保健专业人员只需要将传感器阵列的中心定位在大致心脏中心的上方。在实施例中，本发 明方法和系统基于人类心脏的有关统计量，自动估计边界盒130的尺寸。
1.在每个时刻处的ιΗ向问题
图2A-C示出了产生磁场的电偶极子的正向问题。图2A示出了单个偶极子ρ和单 个传感器r。使用Biot-Savart定律，由单个电流源J(P)引起的位置;处的磁场云(巧为
虽然由例如心脏等身体的一部分产生的磁场非常微弱(典型地，大约10_12 10_" 特斯拉)，但是该磁场可以由不同位置上的传感器检测。例如，图2B示出了单个偶极子(ρ)、 以及具有用于检测该偶极子产生的磁场的多个传感器(巧-ig的传感器阵列。
对例如心脏等器官中的生理过程的更精确表示是存在许多主电流源。因此，更精 确的模型包括多个偶极子。图2C示出了根据本发明多种实施例的多个偶极子(P1-P7)和传 感器(r)。如图2C所示，每个偶极子(P1-P7)对每个传感器位置(例如，r)处的测量磁场作 出贡献。
在实施例中，可以通过假设位置声处电流源力 独立于位置#处电流源J(声‘)，来 表达上述问题。J(P)是基本源，这不同于将J(多)表示为线性基的组合的一些现有技术方 法。在建模的实施例中，存在不同位置处的η个偶极子，qn表示每个偶极子的幅度，J是单 位矢量。由此，偶极子的位置是相对于彼此而固定的，但是每个偶极子的幅度和方向是未知 的。将方程(1)扩展到多个偶极子，得到如下方程
权利要求
1.一种计算机程序产品，包括存储有一个或多个指令序列的至少一个计算机可读介 质，其中由一个或多个处理器执行所述一个或多个指令序列，使得所述一个或多个处理器 执行一种用于重建身体一部分的电流分布的计算机执行的方法，所述方法包括[a]将该身体部分表示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边 界区域内定义的位置；[b]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及传感器阵列相对 于边界区域的偏移的非线性方程组；[c]设定偏移的值；[d]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及该偏移值的线性 方程组；[e]求解该线性方程组，以得到电流偶极子集合的幅度和取向；[f]将从求解该线性方程组得到的电流偶极子集合的幅度和取向输入到所述非线性方 程组中，并求解所述非线性方程组，以得到更新的偏移；以及[g]响应于未满足停止条件，使用更新的偏移作为偏移值，并返回步骤[d]。
2.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，求解所述非线性方程组以得到更新 的偏移的步骤包括求解所述非线性方程组，以得到更新值，并使用更新值来调整偏移，以得到更新的偏移。
3.根据权利要求2所述的计算机程序产品，其中，求解所述非线性方程组以得到更新 值的步骤包括作为用于求解非线性方程组的迭代最优化的一部分，将更新值乘以参数，并将乘积与 偏移相加，以得到要用于迭代最优化的下一迭代的更新的偏移。
4.根据权利要求3所述的计算机程序产品，其中，所述参数是仿真退火的一部分。
5.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，所述非线性方程组包括一维方程组， 所述线性方程组包括一维方程组。
6.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，停止条件是如下中的至少一个偏移与更新的偏移之间的差小于阈值；已经进行了一定次数的迭代；偏移与更新的偏移之间的差相对于先前迭代的差而言增大了；以及测量重建误差小于阈值量。
7.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其中，所述方法还包括步骤[h]图形化地绘制电流偶极子。
8.一种计算机程序产品，包括存储有一个或多个指令序列的至少一个计算机可读介 质，其中由一个或多个处理器执行所述一个或多个指令序列，使得所述一个或多个处理器 执行一种用于重建身体一部分的电流分布的计算机执行的方法，所述方法包括[a]设定偏移的值；[b]将该身体部分表示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边 界区域内定义的位置，并且具有在该边界区域内的关联区域；[c]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及传感器阵列相对于边界区域的偏移的非线性方程组；[d]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及该偏移值的线性 方程组；[e]求解该线性方程组，以得到电流偶极子集合的幅度和取向；[f]将从求解该线性方程组得到的电流偶极子集合的幅度和取向输入到所述非线性方 程组中，并求解所述非线性方程组，以得到更新的偏移；以及[g]响应于未满足停止条件使用更新的偏移作为偏移值，通过将电流偶极子区域中的至少一些再划分，增大剩余电流偶极子的数目，以及返回步骤[d]。
9.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，通过将电流偶极子区域中的至少一 些再划分，增大剩余电流偶极子的数目的步骤包括响应于电流偶极子的幅度具有低于阈值的值，不考虑边界区域内的该电流偶极子及其 关联区域；以及通过对仍被考虑的电流偶极子区域中的至少一些再划分，增大剩余电流偶极子的数目。
10.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述非线性方程组包括一维方程 组，所述线性方程组包括一维方程组。
11.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，停止条件是，另一再划分导致电流 偶极子的数目超过与传感器阵列中的传感器数据有关的阈值。
12.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，求解所述非线性方程组以得到更新 的偏移的步骤包括使用Levenberg-Marquardt方法来获得更新的偏移。
13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，其中，所述方法还包括使用与Levenberg-Marquardt方法相结合的参数来获得更新的偏移，其中在 Levenberg-Marquardt方法的至少一些迭代中，将参数乘以更新偏移值，更新的偏移是当前 偏移与所述参数乘以更新偏移值的乘积的和。
14.根据权利要求8所述的计算机程序产品，其中，所述方法还包括步骤图形化地绘制电流偶极子。
15.一种计算机系统，用于从磁数据获得电流信息，所述系统包括一个或多个处理器；以及与所述一个或多个处理器通信的一个或多个计算机可读介质，所述计算机可读介质上 存储有所述一个或多个处理器可执行的指令集，所述指令集包括[a]将该身体部分表示为边界区域内的电流偶极子集合，每个电流偶极子具有在该边 界区域内定义的位置；[b]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及传感器阵列相对 于边界区域的偏移的非线性方程组；[c]设定偏移的值；[d]将传感器阵列处的磁场表示为电流偶极子集合的幅度和取向以及该偏移值的线性方程组；[e]求解该线性方程组，以得到电流偶极子集合的幅度和取向；[f]将从求解该线性方程组得到的电流偶极子集合的幅度和取向输入到所述非线性方 程组中，并求解所述非线性方程组，以得到更新的偏移；以及[g]响应于未满足停止条件，使用更新的偏移作为偏移值，并返回步骤[d]。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，求解所述非线性方程组以得到更新的偏移的 步骤包括求解所述非线性方程组，以得到更新值，并使用更新值来调整偏移，以得到更新的偏移。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，使用更新值来调整偏移，以得到更新的偏移的 步骤包括将更新值乘以参数，并将乘积与偏移相加，以得到更新的偏移。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述非线性方程组包括一维方程组，所述线性 方程组包括一维方程组。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，停止条件是如下中的至少一个 偏移与更新的偏移之间的差小于阈值；已经进行了一定次数的迭代；偏移与更新的偏移之间的差相对于先前迭代的差而言增大了；以及测量重建误差小于阈值量。
20.根据权利要求15所述的系统，还包括显示器，所述一个或多个计算机可读介质还 包括用于图形化地绘制电流偶极子的指令集。
全文摘要
磁源成像(MSI)包括从测量的磁场数据重建器官中的电流源。测量的磁场数据可以来自一维或三维传感器。本发明的方面包括在给定磁数据的情况下重建例如心脏或大脑等器官的一部分身体的电流的系统和方法。在实施例中，在知道或估计传感器平面相对于患者的位置或偏移，以形成线性方程组的情况下，实现三维电流源的重建。备选地，在不知道传感器平面相对于患者的偏移的情况下，实现三维电流源的重建。在实施例中，迭代地使用线性和非线性方程系，来获得电流源信息。在实施例中，采用多尺度策略。
文档编号A61B5/05GK102028461SQ201010293559
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月26日 优先权日2009年10月6日
发明者伍晨愉, 肖京 申请人:精工爱普生株式会社
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