CN101517436A - 磁感应断层成像的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种磁感应断层成像方法和设备，其中带有非均匀被动电特性的物体通过位于不同位置的激励线圈暴露在交变磁场中，从中位于不同接收位置的接收线圈拾取包含关于电导率及其于物体中的分布的信息的交流电信号，物体内部空间电特性的图像从接收信号的振幅和相位重建，而在至少两个不同频率(f₁，f₂)和线圈和/或场几何结构的一附加扰动(V_re)上进行测量以确定一校正系数(γ)，用此校正系数可基本消除在物体测量期间因几何结构变化而产生的乱真信号(伪影)。

Description

磁感应断层成像的方法和设备

本发明涉及磁感应断层成像的设备及方法，其中利用位于不同激励位置的线圈把具有非均匀被动电特性的物体暴露在交变磁场中，包含电导率及其于物体中的分布的信息的交流电压信号用位于不同接收位置的接收线圈获取，物体中的电特性的空间分布图像借助于接收信号的不同相位和振幅从接收信号重建。

在医学诊断中，一向需要一些操作迅速、便宜、不会把病人暴露在电离辐射中的调查方法，尤其需要乳腺癌的早期检测乳腺摄影方法。

称为“电阻抗断层成像”的方法已为人所知，其对于免除X射线辐射显得引人注意。此方法的出发点是已得到证实的肿瘤组织和健康组织之间电导率的显著差异，这作为已商品化的基于多通道阻抗测量的准成像(quasi-imaging)系统(http：imaginis.com/t-scan/how-work.asp)已为人所知。

此方法目前的问题一方面在于其相对低的空间分辨率，另一方面电极必须与身体的表面相接触。

如果该评估方法可产生有鲜明对比度的影像以致可至少检测出病变，则低分辨率也不是那么大的问题。在这方面，频谱方法，即多频评估的应用是很有发展空间的。但如上所述，电极的使用仍是一个非明确定义的问题，因为其具有电极-皮肤间的转换以及其电化学势，并且使用电极把相当多的伪影引入测量结果，其难以消除或只能用高工时消耗(重复测量)消除，结果再次缺少想得到的优点。

因为这些原因，正在尝试转用无电极测量方法，而无电极测量方法也以电导率分布的评估作为其出发基础。这样的方法是本发明的出发点，被称为“磁感应断层成像”[相关文献：Griffiths H.，Magnetic induction tomography.Meas.Sci.Techno1.26：1126-1131.Korzhenevskii A.V.，and V.A.Cherepenin.Magneticinduction tomography.J.Commun.Tech.Electron.42；469-474，1997]。

磁感应断层成像即磁感应频谱分析的多频改进的基本展示可在HermannScharfetter，Roberto Casanas和Javier Rosell所著的“Biological TissueCharacterization by Magnetic Induction Spectroscopy(MIS)：Requirements andLimitations”，IEEE Trans.Biomed.Eng.50，870-880，2003中找到。

本发明的一个目的是提供一种无电极阻抗频谱分析设备和方法，其中测量信号迄今不可避免的强的不稳定性被显著降低，以便可以进行简单迅速的测量，这尤其适合乳腺肿瘤的早期检测和筛选。[相关文献：Scharfetter H.Systematicerrors in frequency-differential imaging with magnetic induction tomography(MIT).Proceedings of the 6^th Conference on Biomedical Applications of ElectricalImpedance Tomography，London，June 22-24，2005]

通过按照权利要求7前序部分的方法可达成此目的，其中按照本发明，在至少两个不同频率和一线圈和/或场几何结构的附加扰动上进行测量，以确定一校正系数，通过该校正系数可基本消除在物体测量期间由几何结构和放大器飘移的变化所产生的乱真信号。

在这里，应该注意在本文件范围内，术语“几何结构的变化”应被理解为不仅是例如温度导致的线圈几何结构的变化，它还包括例如由在实测范围以外存在或移动的金属物体所引起的其他扰动。

在这种情况下，如果扰动通过线圈互相之间的摇摆运动或者通过导电性样品在线圈敏感区内运动而引入，则是有利的。这样，可影响扰动的大小和类型(例如频率)以使出现接近在测量时出现的扰动。

不过，如果扰动是通过非之前规定的、线圈的统计运动(statistical movements)而引入，那么也可以是有利的，因为引入扰动的设备花费因此减至最低。

在实践中，如果物体暴露在多个相对于该物体静止的激励线圈的交变磁场中，并且信号从多个相对于该物体静止的接收线圈处被接收和进行处理，则是有利的。不过，因为原则上线圈(接收线圈或激励线圈)是可以旋转的(例如围绕调查对象旋转)，然后在测量期间可暂时停止在预定位置，所以上述构造并非必要。

在一推荐的变体中，为加快速度，在其包括多个同时激活的激励线圈，激励频率被分拆为数个密集的子频，其中紧密相邻的子频的相互偏离相对于目标组织的被动电特性的频率关系是微不足道的。这样的话，如果邻近子频相互差异小于10％，则证实是实用的。

一有利的变体是：其中激励线圈的数量相当于每一激励频率的子频数量，并且第一、第二、第三个等激励线圈各自用激励频率的所述第一、第二、第三个等子频馈入，如此类推至所有激励线圈和子频。此变体的有利之处在于其限定了线圈和频率的分配。

使用设备也可达到此目的，该设备包括至少一个激励线圈，其用于在多个激励位置把交变磁场引入带有非均匀电导率分布的目标体；以及至少一个接收线圈，其用于在多个不同接收位置拾取接收信号；该设备带有处理接收信号的装置，其借助于接收信号的不同相位和振幅，从接收信号重建物体中的空间电特性图像；其中按照本发明，处理接收信号的装置能够通过在至少两个不同频率进行测量和引入线圈和/或场几何结构的一扰动以确定一校正系数，以此在物体测量期间几何结构变化所产生的乱真信号可基本消除。

在这里，如果设备包括多个激励线圈和多个接收线圈，其中激励和接收线圈相对于物体是静止的，那么也是有利的。

此外，为有意地引入扰动，如果激励和/或接收线圈可以至少以单一自由度(one degree of freedom)运动，以便可在至少一个线圈内引入运动，则是有利的。同时，很多时候，如果设有驱动器以在至少一个线圈内引入运动，则是可取的。

在有利实施例中，可规定在线圈敏感区内设置一可运动的电导性扰动物体。

为尽可能事前消除外界干扰场的影响，如果接收线圈被配置成梯度线圈，则是适宜的。

本发明及其更多优点参照详细说明的典型实施例以及附图在下文中进行详细说明。在附图中，

图1示意性地显示了围绕着进行不均匀性检测的物体的激励和接收线圈的基本设置，

图2以图解及示意方式显示了激励线圈和被配置成梯度线圈的接收线圈，

图3以方框图显示了按照本发明的测量安排的原理，

图4-7以矢量图显示了明显误差值的出现或引入，

图8和9为按照本发明消除误差的方法的图解，而

图10则是带有分拆的激励频率的发明变体的图解。

首先参照图1-3。

图1示意性地显示了调查对象OBJ，其具有电导率与调查对象其余部分不同的不均匀性IHO，例如，体内部分例如脑部或女性乳腺内的病变。

激励线圈SP1、SP2和SP3设置在调查对象外部的不同位置，但尽可能地靠近对象。在这一实例中使用了三个激励线圈，但激励线圈的数量也当然可依物体种类和所需的分辨率而大量增加。如图3所示，用交流电供给这些激励线圈，交流电来自信号发生器SIG，信号发生器带有放大器AMP，放大器连接在每个激励线圈之前。在图1中还显示了三个接收线圈ES1、ES2、ES3，其在这里位于激励线圈区域内，但也可设置在完全不同的位置。按照图3，每个接收线圈装有一前置放大器PRE，这些前置放大器经由屏蔽线LE1和另外的放大器EMP连接，放大器EMP的输出被供给至同步检测器SYD。同步检测器SYD从正弦发生器SIG接收必要的同步信号。图像重建BIR同样发生在带有同步检测器的装置内，然后其输出信号可被传送到例如屏幕、印刷机等的显示器ANZ上。同步检测器SYD、放大器AMP和图像再现器BIR受到控制单元STE控制。称为REF的线圈被用来获取参考信号。

因为接收线圈拾取的评估信号事实上比激励线圈的激励信号小相当的数量级，所以首先要注意确保激励线圈的场不直接对接收线圈起作用。为此目的，按照图2的接收线圈被配置成所谓的梯度线圈，其可另外地设置成与激励线圈成直角。这样的梯度线圈原则上不受其他场的影响，只要这些场是均匀的；这是因为线圈的每个半圈产生相同但带有异号的电压。但是，由于接收线圈的几何结构并不完美，产生的干扰场实际上也不均匀，因此产生可见的乱真信号，其部分由长波长发射器到短波长发射器产生。这里，同步检测器以已知方式处理可大大减少此处的扰动能级。

接收线圈ES1、ES2和ES3中接收到的信号尤其依调查对象OBJ内部电导率的分布而定。已显示例如乳腺组织之中的变化可引起电导率变化，该变化大至使得在图像处理微处理器DVA中评估后可得到如乳腺X线形式的图像。这些可例如在已述引文中找到，因此这里不再讨论细节。

已经提到接收线圈的输出中实际有用的信号占很小的部分，更为准确地其延伸至纳伏(nanovolt)范围，这样就可以理解即使场几何结构的很小变化也可导致相当大的误差。这种情况下通常的误差的来源是不同线圈间的相互位置，由于轻微的温度变化，线圈间的相互位置可能对测量产生不利影响。由于振动或任何的机械荷载导致的线圈几何结构的变化在此也应提到。这同样适用于在实际调查范围以外移动的金属物体而导致的场的扰动。口袋里装有金属物体的人从病人身边走过，也足以引起误差；由车辆经过等等引起的其他扰动当然也有可能发生。本发明的主题是校正这样的误差，发明中使用的校正算法将在下文中详细说明。

电导率的频率差分成像基于按比例差分(scaled difference)公式：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{im}}(f_1,f_2)=\mathrm{Im}\{V\left(f_1\right)-{\left(\frac{f_1}{f_2}\right)}^{2}V\left(f_2\right)\}---\left(1\right)$

在这里，ΔV_im是输入图像再现算法的数据，V(f₁)、V(f₂)是在两个不同频率f₁和f₂上的电压。仅使用虚部的原因在别处进行说明[Brunner P，Merwa R，Missner A，Rosell J，Hollaus H，Scharfetter H.Reconstruction of the shape ofconductivity spectra using differential multi-frequency magnetic inductiontomography，Physiol Meas 27，p 233-p 248，2006]。

等式(1)在出版物“Brunner P，Merwa R，Missner A，Rosell J，Hollaus H，Scharfetter H.Reconstruction of the shape of conductivity spectra using differentialmulti-frequency magnetic induction tomography，Physiol Meas 27，p 233-p 248，2006”中提出。

误差值

参考电压和测得电压间的每个相位移导致在(V(f))中信号虚部内的两类误差。

误差V_EI是实际虚部V_im及其在虚轴上的投影V_im ^*的差别(图4)。此误差和成比例。对于小的角度，这个误差通常是小的，但如图5中频率f₂所示，随着频率的增加，角度

就变大，从而使得误差因此而变大。在此例中f₂＝2f₁，结果因相对电导率的敏感度与频率的二次方成正比，所以V_im在较高频率上是在较低频率上的四倍。

对于以下调查，假定由于其小的投影角

的原因，V_EI是可忽略的(＜V_im的10％)。

误差V_ER是(通常较大的)真实部分在虚轴上的投影。此误差可能很大，并且由于热能导致线圈系统的电气和几何参数的变化，此误差取决于温度。V_re部分由目标物体的电导率的虚部引起的“真实”信号组成，但是此部分通常大大小于信号的虚部。梯度线圈的不准确的设定、振动位移(vibration shift)(V_vibr)以及线圈附近高导电率的物体(例如金属物体)(V_hicond)所导致的组成部分是更加重要的。

下文中假定了以下条件：

(a)等式1被用于电导率的按比例频率差分成像。

(b)由于小的相位角

的原因，V_EI是可忽略的。

(c)V_ER被认为是在图像再现前要消除的重要误差。

V _ER 的校正：

V_ER的频率关系由下式给出：

图6和7图示了在f₂＝2f₁下的这些组成部分。

信号V_re的组成部分V_vibr和V_hicond都和激励频率成比例，V_ER(f₂)因而可以V_ER(f₁)的函数的形式如下式所示：

当等式(1)被应用于差分成像时，得到下式：

图8显示了完整的处理过程，其中按照在上方所显示的等式(3)的步骤被称为“步骤2”。

如果

则按照等式(3)的表达式成为零。

在一个设计适当的测量系统中存在宽范围的频率可大致满足此条件，即

其中，γ接近1。等式(3)中的V_ER(f₂)乘以γ以产生改进差分

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{ER}}=V_{\mathrm{ER}}\left(f_1\right)-{\left(\frac{f_1}{f_2}\right)}^2{V}_{\mathrm{ER}}\left(f_2\right)\mathrm{\γ}---\left(6\right)$

当γ为最佳值：

时，ΔV_ER变为零。

图8中按照等式(6)的重设比例步骤被称为“步骤3”，相减步骤被称为“步骤4”。

图8显示了以四个连续步骤消除V_ER：

1.生成投影

2.重设比例

3.用γ校正

4.相减

按照等式(6)和(7)的条件来修改基础等式(1)如下：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{im}}(f_1,f_2)=\mathrm{Im}\{V\left(f_1\right)-{\left(\frac{f_1}{f_2}\right)}^{2}V\left(f_2\right)\mathrm{\γ}\}---\left(1^{\text{'}}\right)$

对所需信号组成部分的影响：

上述方法有效地补偿了所有所述的扰动，但另一方面也某种程度上影响了所需差分信号ΔV_im。理想地，ΔV_im应是：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{im}}=V_{\mathrm{im}}\left(f_1\right)-{\left(\frac{f_1}{f_2}\right)}^2{V}_{\mathrm{im}}\left(f_2\right)---\left(8\right)$

事实上，原始信号V_im不能被测量，但仅其投影V_im ^*可以被测量。因此，需要计算：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{IM}}={V_{\mathrm{im}}}^{*}\left(f_1\right)-{\left(\frac{f_1}{f_2}\right)}^2{V_{\mathrm{im}}}^{*}\left(f_2\right)\mathrm{\γ}.---\left(9\right)$

一方面，由于γ不为1，另一方面由于投影角，因而得到某一偏差。已经做过准确的误差分析，但是由于篇幅的原因以及它对于发明本身并不重要，在此并未给出误差分析。图9显示了在两个频率上的投影V_im ^*。假设一不变的，即与频率无关的电导率的条件下，等式(8)无给出差分信号，但由于投影误差，等式(9)给出了如下的剩余差分信号ΔV_EI：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{EI}}=V_{\mathrm{EI}}\left(f_1\right)-{\left(\frac{f_1}{f_2}\right)}^2{V}_{\mathrm{EI}}\left(f_2\right)\mathrm{\γ}---\left(10\right)$

然而，如已经提到的，这一作用可以忽略。

参照图9，仅剩余γ单独的影响被加以说明。

图9涉及乘以γ后的有用信号中的误差，显示了四个连续的步骤：

1.生成投影

2.重设比例

3.用γ校正

4.相减以得到小的残余差分信号ΔV_EI。

V_EI标出了因投影角生成的(通常小的)误差。

γ可用实验方法确定。为此目的，引入一信号V_re，例如通过一振动或在线圈设置的敏感范围内使用一块高电导率的金属，然后调整γ直至ΔV_im为零。该信号可被有意地引入或不受控制的，例如以随机振动或高电导率材料的移动为基础。

参照图11-14，显示了关于引入扰动或“容忍”引入的扰动的多种可能的形式，其中分别地显示了一激励线圈SSj和一接收线圈ESi。图11显示了接收线圈ESi可绕轴转动并通过驱动器ANT设置为进行旋转振动。例如，为此目的可使用周期运动的电动机。如果振动频率已知并可得，则是有利的，这是因为降噪信号处理可在微处理器中或借助于另外的同步检测器随后进行。

另一引入所需的扰动(在实际测量外)的可能的形式如图12所示。这里，接收梯度线圈ESi可平移例如使之振动，同样为其提供一驱动器ANT。原则上图11的注意事项同样适用。

尽管确定性的主动引入的扰动是有利的，然而也可有意地允许随机扰动以进行扰动消除过程。图13显示了借助于弹性轴承ELA而定位的接收线圈ESi。例如由于脚步等等发生的在附近的振动可令接收线圈ESi进行平移和/或旋转运动，以此引入在这里“期望”的扰动。

图11-13中说明的扰动是基于线圈几何结构的变化的。如上文所已进一步陈述，扰动也可由场的几何结构的变化引入。在这种情况下，电导性扰动体STK为此目的受到驱动器ANT驱动，使之相对于所示部分进行运动(周期性运动是有利的；如上所述，频率为已知和可得的)。如果扰动体STK由于其大小或特性有足够的影响，则其无需如图所示地设置在激励和接收线圈之间，而且能放在外部。并且，扰动体STK引入的扰动无需是确定性的，而是如上已提，也可为随机类型的，由线圈区域内电导性物体的移动引起的。

相位校正网络

本发明的另一改进提供了相位校正网络。在实践中，影响实用性的一重点是γ事实上在整个频率范围上非常接近1。如果不能遵循这一条件，系统可通过引入相位校正网络进行优化，凭其使得系统尽可能精确地满足条件(5)。这样的相位校正网络可例如以梯度线圈和前置放大器之间或前置放大器之后的被动RLC网络的形式而执行。

用于频谱分析“单次激发”多正弦成像的多正弦多载波激励

多数或全部线圈的同时激励大幅促进快速而准确的成像。在多频成像的情况下，应同时使用全部频率以避免在不同频率上测量之间的任何飘移。但是，如果多个线圈在同一频率上被同时激励，由于各自的作用叠加一起而不再能从彼此之间被分开，则成像失败。

此问题可通过如下方式解决：使用的多个经常彼此以二的次方分隔的频率可各自被分拆(通常以一百分数的十分之几细分)。因此，该n个不同的激励线圈可通过把激励频率分拆成n之倍数的密集频率(多载波概念)而得到标记。在频率间隔的选择方面，必须选择以便一方面仍然允许通过例如同步校正(例如1kHz)分离单独的激励信号，另一方面可假设目标物体的电导率在得出的各个副载波组的带宽内是不变的。

这一过程变体在图10中以典型组织的β扩散范围中的两个频率作展示。多正弦多载波激励的原理以三个激励线圈和两个测量频率f1和f2作展示。两个频率都被分拆为紧密相邻但仍可分的副载波fij(i是基频系数，j是副载波系数)。用不同的副载波供给单独的线圈，以使线圈j分配给带有副载波指数j的所有频率的叠加。其作用用适当的已知方法在接收端分开，例如使用同步校正或傅立叶分析。

Claims (14)

1.一种磁感应断层成像设备，其带有至少一个激励线圈(SP1，SP2，SP3)，用于在多个激励位置把交变磁场引入具有非均匀电导率分布的目标体，以及至少一个接收线圈(ES1，ES2，ES3)以在多个不同接收位置拾取接收信号；

该设备带有接收信号的处理装置，其从接收信号的振幅和相位重建物体中的空间电特性图像，其特征在于

接收信号的处理装置能够通过在至少两个不同频率(f₁，f₂)进行测量并引入线圈和/或场几何结构的一扰动(V_re)以确定一校正系数(γ)，以便基本消除在物体测量期间由几何结构变化所产生的乱真信号(伪影)。

2.按照权利要求1的设备，其特点在于设备包括相对物体位置不变的多个激励线圈(SP1，SP2，SP3)和多个接收线圈(ES1，ES2，ES3)。

3.按照权利要求1或2的设备，其特点在于激励和/或接收线圈(SSi)能至少以单一的自由度运动以便能将运动引入到至少一个线圈内。

4.按照权利要求3的设备，其特点在于设有驱动器装置(ANT)用于将运动引入到至少一个线圈中。

5.按照权利要求1的设备，其特点在于在线圈区域内设置了一可运动的电导性扰动物体。

6.按照权利要求1的设备，其特点在于接收线圈(ES1，ES2，ES3)被设为梯度线圈。

7.一种磁感应断层成像方法，凭借此方法，通过位于不同激励位置的线圈把具有非均匀被动电特性的物体暴露在交变磁场中，用位于不同接收位置的接收线圈拾取包含电导率及其于物体中的分布的信息的交流电压信号，而物体中的空间电特性图像从接收信号的振幅和相位重建；其特征在于

测量进行在至少两个不同频率(f₁，f₂)和一线圈和/或场几何结构的附加扰动(V_re)上，以确定一校正系数(γ)，用此校正系数可以基本消除在物体测量期间因几何结构变化而产生的乱真信号(伪影)。

8.按照权利要求7所述的方法，其特点在于因线圈相对彼此做摇摆运动而引入扰动。

9.按照权利要求7所述的方法，其特点在于将样品在线圈敏感区内移动而引入扰动。

10.按照权利要求7所述的方法，其特点在于因线圈非之前规定的统计运动而引入扰动。

11.按照权利要求7-10所述的方法，其特点在将物体暴露于多个相对于物体静止的激励线圈的交变磁场中，信号从多个相对于物体静止的接收线圈处接收到并进行处理。

12.按照权利要求7-12所述的方法，其特点在于激励频率(f₁，f₂)被分拆为数个密集子频(f₁₁，f₁₂，f₁₃；...f₂₁，f₂₂，f₂₃)，而紧密相邻的子频的相互偏离相对于目标组织的被动电特性的频率关系是微不足道的。

13.按照权利要求12所述的方法，其特点在于邻近子频相互偏离少于10％。

14.按照权利要求12或13所述的方法，其特点在于激励线圈的数量相当于每个激励频率(f₁，f₂)的子频(f₁₁，f₁₂，f₁₃；...f₂₁，f₂₂，f₂₃)的数量，每个第一(SP1)、第二(SP2)、第三(SP3)等激励线圈以激励频率(f₁，f₂)的所述第一(f₁₁，f₂₁)、第二(f₁₂，f₂₂)、第三(f₁₃，f₂₃)等子频馈入。

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