CN101822541A - 谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法及其所采用的设备 - Google Patents

Abstract

本发明属生物电阻抗成像领域，尤其涉及谐振式磁感应电阻抗测量方法及与之配套的设备，其采用多通道谐振信号检测，具体步骤包括：(1)将被测物置于激励磁场中；(2)检测由被测物产生的扰动磁场；(3)进行非线性数据处理及图像重建。上述设备包括激励部分、被测物承载平台(1)、检测部分；激励部分包括激励源及激励线圈(2)；所述激励源的输出端接激励线圈(2)的输入端；所述检测部分包括检测线圈(3)及信号处理模块；激励部分的激励线圈(2)及检测部分的检测线圈(3)置于被测物承载平台(1)之上；检测线圈(3)的输出端接信号处理模块的输入端。本发明灵敏度高，成像效果理想，可用于生物电阻抗剖面分布及成像分析。

Description

谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法及其所采用的设备

技术领域

本发明属生物电阻抗成像领域，尤其涉及谐振式磁感应电阻抗测量，以及非线性图像重建的生物组织电阻抗断层成像方法及所采用的设备。

背景技术

由于组织中细胞构成的种类、细胞排列的方式(如疏密程度)、细胞间质中电解质浓度以及细胞膜穿透性强弱等的不同，使得不同的生物组织、不同状态下的同一组织都呈现不同的电阻抗特性。生物电阻抗成像除了能实现类似于X射线成像、计算机断层扫描成像(CT)、核磁共振成像(MRI)、超声波成像等的功能外，还可以得到反映生物组织生理状态变化的图像，这在研究人体生理功能和疾病诊断方面具有重要的临床价值。

磁感应成像技术根据涡流检测原理，获取组织电阻(电导)率分布的成像，是医学领域的新的方法。磁感应电阻抗成像的原理是：给激励线圈通入交流电流，交流电流产生交变磁场。交变磁场在被测生物体组织中感应涡流，此涡流电场将在被测物周围空间产生极弱的二次磁场，其强弱与生物体组织中电导率的分布直接相关。所以，只要测出空间的二次磁场，再根据涡流密度与电导率的电磁关系，就能推导出生物体组织中电导率的分布情况。

目前的磁感应成像技术均采用激励线圈与检测线圈一致的设计方案，这种结构不能同时满足产生较强激励磁场，以及检测线圈高灵敏度的要求，同时由于激励线圈和检测线圈参数相同而增大了线圈之间的串扰，影响了成像结果。因此研究一种有效的磁感应信号检测和重建方法对生物电阻抗成像有重要意义。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种灵敏度高，成像效果理想，可用于生物电阻抗剖面分布及成像分析，还可用于生物体的床旁监护，为相关疾病的检测提供有效无损检测手段的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法。

另外，本发明还提供一种与上述方法相配套的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像设备。

为达到上述目的，本发明谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法是这样实现的：

一种谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，采用多通道谐振信号检测，通过信号处理、重建，以实现生物组织电阻抗的断层成像，其具体步骤包括：

(1)将被测物置于激励磁场中；

(2)检测由被测物产生的扰动磁场；

(3)进行非线性数据处理及图像重建。

作为一种优选方案，本发明所述步骤(1)中采用通入正弦交流电的激励线圈产生激励磁场；所述激励线圈采用中间加入磁轭的单层线圈；所述步骤(2)中以置于所述激励磁场中的检测线圈为采集端子实现对扰动磁场的检测；所述步骤(3)利用检测线圈所得信号幅值和相位实现图像重建。

作为另一种优选方案，本发明所述检测线圈可采用2m+1个，其中m为自然数；所述检测线圈与激励线圈相对应，且以半圆型方式非均匀排列；所述步骤(1)中可在激励线圈上施加与检测线圈谐振频率同频的正弦电流以产生激励磁场。

进一步地，本发明所述步骤(2)中，旋转被测物以采集多组数据。

更进一步地，本发明旋转被测物采集多组数据包括如下步骤：

(A)在成像区域内没有被测物情况下，采集一组数据(Data0)；

(B)将被测物放入成像区域，采集第一组数据(Data1)；

(C)旋转被测物，每隔一定角度采集数据组(Data2～Datan)，直至转过一周；

(D)利用步骤(A)中的数据(Data0)对步骤(B)中的第一组数据(Data1)及步骤(C)中的数据组(Data2～Datan)进行校正。

作为优选方案，本发明上述步骤(3)中非线性数据处理及图像重建包括：

(a)对步骤(D)获得的校正后数据进行补偿处理，补全圆周上没有检测线圈的位置的数据；

(b)对补偿后数据进行插值处理；

(c)设计非线性反投影路线；

(d)对补偿和插值后数据进行滤波反投影重建。

作为优选方案，本发明可通过检测线圈获得感应电动势的幅值，采用在成像区域内没有被测物情况下的空场测量与目标测量相减的校正方法进行测量。

与上述方法相配套的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像设备，它包括激励部分、被测物承载平台、检测部分；所述激励部分包括激励源及激励线圈；所述激励源的输出端接激励线圈的输入端；所述检测部分包括检测线圈及信号处理模块；所述激励部分的激励线圈及检测部分的检测线圈置于被测物承载平台之上；所述检测线圈的输出端接信号处理模块的输入端。

作为优选方案，本发明所述信号处理模块包括A/D转换部分、电源部分、FPGA模块及中央处理部分；所述A/D转换部分的输出端口接FPGA模块的输入端口；所述FPGA模块的输出端口接中央处理部分的输入端口；

所述电源部分为A/D转换部分及FPGA模块提供电源；来自检测线圈(3)的检测信号经A/D转换部分处理后送入FPGA模块进行缓冲、存储；所述中央处理部分将采集的数据进行分析处理。

作为优选方案，本发明所述激励源包括高频信号发生模块、运放模块、功放模块及阻抗匹配部分；所述高频信号发生模块的输出端接运放模块的输入端；所述运放模块的输出端接功放模块的输入端；所述功放模块的输出端接阻抗匹配部分的输入端。

作为优选方案，本发明所述高频信号发生模块可采用MAX038芯片；所述运放模块可采用THS3001C芯片；所述功放模块可采用AD815AYS芯片。

作为优选方案，本发明所述被测物承载平台还设有旋转驱动部分；所述旋转驱动部分包括单片机MCU、驱动模块、步进电机；所述驱动模块部分的端口接单片机MCU的端口；所述驱动模块的输出端接步进电机的信号输入端；所述步进电机的输出轴与被测物承载平台固定套接。

作为优选方案，本发明所述单片机MCU可采用AT89S51芯片；所述驱动模块可采用TA8435H芯片。

本发明所采用的设备灵敏度高，成像效果理想，可用于生物电阻抗剖面分布及成像分析，还可用于生物体的床旁监护，为相关疾病的检测提供一种有效的无损检测方案。

本发明的方法主要特点是利用谐振原理提高了磁感应信号的强度，对涡流场分布设计了新的非均匀单源多通道检测系统，避免了现有模型的弊端，结合信号采集系统模型及磁场分布，设计了非线性反投影重建算法，可实现生物组织模型断层的成像，根据该方法可以开发出相应的医疗仪器，可以显示相应的断层图像、分析曲线、数值等，能对各种生物组织电阻抗特性进行可视化分析。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围将不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明实施的高频信号采集系统结构图；

图3为本发明激励部分电路原理框图；

图4为本发明被测物承载平台旋转驱动部分电路原理框图；

图5为本发明信号处理模块电路原理框图；

图6为本发明实施的非线性反投影路径示意图；

图7为本发明非线性图像重建流程框图；

图8为本发明电源部分具体电路图；

图9为本发明A/D转换部分具体电路图；

图10为本发明旋转驱动部分具体电路图；

图11为本发明激励源部分具体电路图。

具体实施方式

如图1、7所示，谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，采用多通道谐振信号检测，通过信号处理、重建，以实现生物组织电阻抗的断层成像，其具体步骤包括：

(1)将被测物置于激励磁场中；

(2)检测由被测物产生的扰动磁场；

(3)进行非线性数据处理及图像重建。

所述步骤(1)中采用通入正弦交流电的激励线圈产生激励磁场；所述激励线圈采用中间加入磁轭的单层线圈；所述步骤(2)中以置于所述激励磁场中的检测线圈为采集端子实现对扰动磁场的检测；所述步骤(3)利用检测线圈所得信号幅值和相位实现图像重建。

所述检测线圈采用11个；所述检测线圈与激励线圈相对应，且以半圆型方式非均匀排列。

本发明所述步骤(1)中在激励线圈上施加与检测线圈谐振频率同频的正弦电流以产生激励磁场。

所述步骤(2)中，旋转被测物以采集多组数据，旋转被测物采集多组数据包括：

(A)在成像区域内没有被测物情况下，采集一组数据(Data0)；

(B)将被测物放入成像区域，采集第一组数据(Data1)；

(C)旋转被测物，每隔一定角度采集数据组(Data2～Data11)，直至转过一周；

(D)利用步骤(A)中的数据(Data0)对步骤(B)中的第一组数据(Data1)及步骤(C)中的数据组(Data2～Data11)进行校正。

本发明所述步骤(3)中非线性数据处理及图像重建包括：

(a)对步骤(D)获得的校正后数据进行补偿处理，补全圆周上没有检测线圈的位置的数据；

(b)对补偿后数据进行插值处理；

(c)设计非线性反投影路线；

(d)对补偿和插值后数据进行滤波反投影重建。

本发明通过检测线圈获得电动势的幅值，采用在成像区域内没有被测物情况下的空场测量与目标测量相减的校正方法进行测量。

如图1所示，上述谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法所采用的设备，它包括激励部分、被测物承载平台1、检测部分；所述激励部分包括激励源及激励线圈2；所述激励源的输出端接激励线圈2的输入端；所述检测部分包括检测线圈3及信号处理模块；所述激励部分的激励线圈2及检测部分的检测线圈3置于被测物承载平台1之上；所述检测线圈3的输出端接信号处理模块的输入端，见图1，5为被测物。如图5所示，本发明所述信号处理模块包括A/D转换部分、电源部分、FPGA模块及中央处理部分；所述A/D转换部分的输出端口接FPGA模块的输入端口；所述FPGA模块的输出端口接中央处理部分的输入端口；所述电源部分为A/D转换部分及FPGA模块提供电源；来自检测线圈3的检测信号经A/D转换部分处理后送入FPGA模块进行缓冲、存储；所述中央处理部分将采集的数据进行分析处理。

本发明FPGA模块采用FPGA开发板RCII-CY1C6，FPGA芯片采用AlteraCyclone EP1C6。

图8为本发明电源部分具体电路图。图9为本发明A/D转换部分具体电路图，其核心芯片采用AD9215。

如图3所示，本发明所述激励源包括高频信号发生模块、运放模块、功放模块及阻抗匹配部分；所述高频信号发生模块的输出端接运放模块的输入端；所述运放模块的输出端接功放模块的输入端；所述功放模块的输出端接阻抗匹配部分的输入端。本发明所述高频信号发生模块采用MAX038芯片；所述运放模块采用THS3001C芯片；所述功放模块采用AD815AYS芯片，参见图11。如图1、4、10所示，本发明所述被测物承载平台1还设有旋转驱动部分；所述旋转驱动部分包括单片机MCU、驱动模块、步进电机4；所述驱动模块的端口接单片机MCU的端口；所述驱动模块的输出端接步进电机4的信号输入端；所述步进电机的输出轴与被测物承载平台1固定套接；其中单片机MCU采用AT89S51芯片；所述驱动模块采用TA8435H芯片，参见图4、10。

本发明利用谐振磁感应信号检测原理检测信号，结合非线性图像重建方法实现生物组织电阻抗断层成像，包括下列部分：

1)非均匀激励测量系统

磁感应成像系统将正弦交流电通入激励线圈，以产生激励磁场，将把导体置于激励磁场B中，导体内将因电磁感应作用而产生涡流，该涡流同时会感生出扰动磁场ΔB并能改变原激励磁场B的强度和空间分布，在测量线圈上可以检测到ΔB+B。利用ΔB信号进行成像。

激励线圈将磁场分布到整个测量区域，起到磁场传播的作用，因此激励线圈的选取原则是：易于驱动，并且能提供较强的激励磁场，本发明设计直径较大的线圈中间加入铁氧体芯增大激励信号。

对检测线圈的要求是灵敏度高，线圈间串扰小，本发明设计选用半径较小的检测线圈，为提高检测信号的数据量，采用多检测线圈设计。

检测线圈置于激励磁场中，由于线圈小而产生的二次激励磁场很小，不影响相邻检测线圈。为提高检测信号的灵敏度，在激励端输入检测线圈谐振频率的激励信号，这样使检测对磁场的变化敏感，易于检测ΔB信号。

激励-检测线圈的排列方式为：将激励线圈放置在激励源一侧，检测线圈呈半圆形排列在激励线圈对面，而在激励线圈同侧区域内受到激励线圈的直接影响较大，测量值难以反映成像区域内的电导率情况，因此在该区域不放检测线圈。

2)磁感应谐振信号检测

生物组织经过激励源激励后产生涡流，涡流场信号是一种小信号，频率随激励源频率变化而变化，当激励源为高频激励时，涡流场信号也为高频信号，本发明根据生物磁感应信号的特点设计了基于A/D+FPGA的高频弱信号谐振式采集系统，首先对激励线圈输入检测线圈的谐振频率信号，在检测线圈上检测感应信号，作为信号检测系统的输入模拟信号进行调理，送入高速ADC进行采样，将采样后得到的数据送入FPGA，对高速的数据流进行缓冲，最后送入存储体存储数据，存储的数据可以通过PCI总线，快速传输到PC机，以进行数据的存储或分析处理。

本发明所设计信号检测系统包括模拟部分(AD核心板部分)，数字部分(FPGA开发板部分)，其中AD核心板部分由ADC芯片组成，在ADC输入端使用了差分输入模式，在经过模数转换后，经由锁存器锁存，FPGA核心板部分包括存储器模块，FIFO模块，时序控制模块，通过FPGA的I/O口输入FPGA芯片，进行数据处理。FPGA在系统中实现的功能是：ADC采样时序控制，数据缓存(FIFO)，数字信号处理，采集信号传输与测试。

3)旋转被测物采集多组数据

在被测目标的下方放置旋转载物台，可以带动被测物旋转，测量多角度信号，多个检测线圈的测量采用多通道测量模式。本发明中的旋转平台系统的硬件由键盘电路、AT89S51单片机、步进电机驱动器和带有步进电机的光学转动平台组成。测量过程中可根据测量要求设定的角位移的角度，在转动一周内检测端可以检测到多组数据。

如图10，步进电机的信号通过AT89S51单片机的P2端口输出的具有时序的方波转至TA8435H芯片的CK、CW/CWW、M1、M2和REFIN，然后再由其控制步进电机。驱动模块TA8435H引脚M1、M2决定步进电机的细分方式，例如M1、M2都接高电平，那么工作模式为1/8，减小低速时的振动。CW/CWW控制步进电机正反转动，CK时钟输入的最大频率不能超过5KHz，控制时钟的频率就能控制步进电机转动的速率。

4)非线性数据处理及图像重建

本发明所设计的成像模型仅有半圆形的感应信号，因此获取的投影数据是不完整的，首先对采集到的数据补偿处理，补全圆周上没有检测线圈的位置的数据；然后对补偿后数据进行双线性插值处理；根据磁场分布情况，设计反投影路线；设计滤波器函数，对补偿和插值后数据进行滤波反投影重建，获得反映成像区域内电阻抗分布的信息，并形成图像。

本发明的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法是利用在成像区域边界的激励线圈产生激励磁场(该磁场与检测线圈谐振频率同频)，被测物在磁场中产生扰动磁场，检测线圈在谐振效应的作用下对磁场变化敏感，通过高频弱信号检测系统和非线性图像重建获得成像区域内的电阻抗分布图像。具体方法为：

第一步：采用单个激励线圈(激励线圈0号)，多个检测线圈围绕成像区域非均匀排列，其中检测线圈为奇数个(1-11号线圈)，可根据实际情况调整个数(如9、13、15等)，排列成半圆形，激励线圈在检测线圈的对面，线圈半径较大(见图1)。激励线圈和检测线圈不一致，使二者的谐振频率不同，在检测线圈利用谐振检测的过程中，由于激励线圈未发生谐振，所以基础磁场的变化主要是由成像区域内的导体引起的磁场扰动。

第二步：确定检测线圈的谐振频率，在激励线圈上施加该频率的交变电流，产生交变磁场作为激励磁场，该磁场受到成像区域内不同电阻抗被测物的扰动，可以获得检测线圈在扰动磁场内的感应电压，该电压的峰峰值反映了成像区域内电阻抗的信息。

本发明的信号检测系统是通过模拟信号预处理模块，将调整后的模拟信号输入给A/D转换器，然后经模数转换之后数字信号直接输出给FPGA进行存储。在FPGA中设计了高速缓冲器FIFO和高速存储器RAM以及一系列时序控制逻辑，以保证在预定容量下能够实时的存储由ADC发送过来的数据。同时，在FPGA中还设计了数据传输接口，从而使得系统可以在我们选择的模式下进行数据传输。

FPGA作为整个系统的控制核心，负责上述过程中所有的时序控制，但FPGA本身受控于PC机。通过设计在PC端的控制软件，可以实时的给FPGA发送控制信号，如系统复位信号，工作使能信号，时钟使能信号，模式选择信号等，同时FPGA也将给PC机反馈相应的状态信号，如存储器的满、空信号等，从而配合上层软件来控制系统的工作过程。

最后，利用FPGA中的SignalTapII逻辑分析仪，通过JTAG接口来完成对FPGA工作状态的实时观测和调试。从而可以准确无误的验证，确保在整个传输过程中数据的正确性和时序性满足设计需求(见图5)。

第三步：在激励线圈上施加检测线圈谐振频率同频的交变电流，在成像区域内没有被测物(空场)情况下，测量检测线圈的感应电压(Data0)，多个检测线圈构成了一组测量数据。

将被测物放入成像区域，采集第一组数据Data1，通过控制旋转平台转动旋转被测物，被测物的转动改变了成像区域内的电阻抗分布，每隔一定角度(旋转角度可根据实际情况调整)，测量一组数据，直至完成360度测量，获得全部测量数据(Data1～Datan)，然后利用Data0对Data1～Datan校正。最后根据重建算法，可以重建被测物剖面电阻抗分布图像(见图2)。

在测量过程中只有被测物发生转动，而激励和检测线圈不发生改变，因此测量值的变化主要由成像区域内电阻抗分布改变引起。

第四步：由于检测线圈的排列是半圆形，不满一周，因此首先对测量数据进行数据补偿，补全圆周上没有检测线圈的位置的数据，然后对补偿后的数据进行插值计算，增加数据量，本发明中采用的双线性插值法。根据成像区域内磁场分布情况计算等位线的曲线函数，根据该函数设计反投影路径，进行非线性反投影图像重建，获得成像区域内电阻抗分布图像(见图6)。

本发明的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法在检测方法、成像系统和应用范围等几个方面与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明采用谐振原理检测感应信号，检测提高了信号的灵敏度；

2、本发明设计的非均匀性成像模型采用激励线圈和检测线圈不同的设计方案，在检测线圈发生谐振的情况下，避免的激励线圈的谐振串扰；

3、本发明获得感应电压的峰峰值即可，采用空场测量与目标测量相减的校正方法，简化了检测电路；

4、本发明除了应用于生物电阻抗断层成像外，还可以用于电阻抗一维信号的检测，以及活体电阻抗实时监测。

可以理解地是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，其特征在于，采用多通道谐振信号检测，通过信号处理、重建，以实现生物组织电阻抗的断层成像，其具体步骤包括：

(1)将被测物置于激励磁场中；

(2)检测由被测物产生的扰动磁场；

(3)进行非线性数据处理及图像重建。

2.根据权利要求1所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用通入正弦交流电的激励线圈产生激励磁场；所述激励线圈采用中间加入磁轭的单层线圈；所述步骤(2)中以置于所述激励磁场中的检测线圈为采集端子实现对扰动磁场的检测；所述步骤(3)利用检测线圈所得信号幅值和相位实现图像重建。

3.根据权利要求2所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，其特征在于：所述检测线圈采用2m+1个，其中m为自然数；所述检测线圈与激励线圈相对应，且以半圆型方式非均匀排列；所述步骤(1)中在激励线圈上施加与检测线圈谐振频率同频的正弦电流以产生激励磁场。

4.根据权利要求1～3之任一所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，其特征在于：所述步骤(2)中，旋转被测物以采集多组数据。

5.根据权利要求4所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，其特征在于：旋转被测物采集多组数据包括：

(A)在成像区域内没有被测物情况下，采集一组数据(Data0)；

(B)将被测物放入成像区域，采集第一组数据(Data1)；

(C)旋转被测物，每隔一定角度采集数据组(Data2～Datan)，直至转过一周；

(D)利用步骤(A)中的数据(Data0)对步骤(B)中的第一组数据(Data1)及步骤(C)中的数据组(Data2～Datan)进行校正。

6.根据权利要求5所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法，其特征在于：所述步骤(3)中非线性数据处理及图像重建包括：

(a)对步骤(D)获得的校正后数据进行补偿处理，补全圆周上没有检测线圈的位置的数据；

(b)对补偿后数据进行插值处理；

(c)设计非线性反投影路线；

(d)对补偿和插值后数据进行滤波反投影重建。

7.根据权利要求1～3之任一所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法所采用的设备，其特征在于，包括激励部分、被测物承载平台(1)、检测部分；所述激励部分包括激励源及激励线圈(2)；所述激励源的输出端接激励线圈(2)的输入端；所述检测部分包括检测线圈(3)及信号处理模块；所述激励部分的激励线圈(2)及检测部分的检测线圈(3)置于被测物承载平台(1)之上；所述检测线圈(3)的输出端接信号处理模块的输入端。

8.根据权利要求7所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法所采用的设备，其特征在于：所述信号处理模块包括A/D转换部分、电源部分、FPGA模块及中央处理部分；所述A/D转换部分的输出端口接FPGA模块的输入端口；所述FPGA模块的输出端口接中央处理部分的输入端口；

所述电源部分为A/D转换部分及FPGA模块提供电源；来自检测线圈(3)的检测信号经A/D转换部分处理后送入FPGA模块进行缓冲、存储；所述中央处理部分将采集的数据进行分析处理。

9.根据权利要求8所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法所采用的设备，其特征在于：所述激励源包括高频信号发生模块、运放模块、功放模块及阻抗匹配部分；所述高频信号发生模块的输出端接运放模块的输入端；所述运放模块的输出端接功放模块的输入端；所述功放模块的输出端接阻抗匹配部分的输入端。

10.根据权利要求9所述的谐振式磁感应生物电阻抗断层成像方法所采用的设备，其特征在于：所述被测物承载平台(1)还设有旋转驱动部分；所述旋转驱动部分包括单片机MCU、驱动模块、步进电机(4)；所述驱动模块的端口接单片机MCU的端口；所述驱动模块的输出端接步进电机(4)的信号输入端；所述步进电机的输出轴与被测物承载平台(1)固定套接。

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