CN102187252A - 用于磁感应断层成像的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于磁感应断层成像的方法和系统，该系统包含：至少一个发射线圈（312、314），其用于生成将应用到关注对象（301）的主磁场；以及至少一个测量线圈装置（315、317），其用于测量由次磁场感应形成的电信号，该次磁场是由关注对象响应于主磁场而生成的，其中所述至少一个测量线圈装置包含置于基本上同一平面内的多个测量线圈。通过使用置于一个平面内的多个独立测量线圈从而替代传统单个测量线圈，可以选择两端的测量的差分电压对次磁场变化最敏感的那个测量线圈以用于计算电导率分布变化，使得MIT系统的灵敏度提高。

Description

用于磁感应断层成像的方法和系统
技术领域
本发明涉及磁感应断层成像，特别是涉及用于提高磁感应断层成像系统的灵敏度的方法和系统。
背景技术
磁感应断层成像（MIT）是一种应用于工业和医学成像的非侵入且无接触的成像技术。与其它电学成像技术对比，MIT不要求传感器与关注对象直接接触来进行成像。
MIT被用于重构关注对象内部的无源电学属性的空间分布，该无源电学属性为例如电导率σ、电容率ε和磁导率μ。在MIT中，通常介于几kHz直至若干MHz的正弦电流被应用到发射线圈，从而生成时变磁场，该磁场通常称为主磁场。由于关注对象（例如生物组织）导电，该主磁场在关注对象中产生“涡流电流”。这些涡流电流生成次磁场。这些磁场的组合在接收线圈中感应形成电信号，例如电压。使用若干发射线圈并重复这些测量，得到多组测量数据并将其用于使关注对象的电磁属性随时间的变化可视化。
MIT对所有这三种无源电磁属性（电导率、电容率和磁导率）是敏感的。结果，例如，关注对象中的电导率贡献可以被重构。具体而言，MIT适合用于针对生物组织重构图像，因为这种组织的磁导率值μR≈1。
由涡流电流感应形成的次磁场带有关于待测量对象的信息。然而，由次磁场感应形成的电压∆V非常小，并且电压∆V与在测量线圈上测量的电压V的比率，例如|∆V/V|在一些线圈上可以小至10-7。这在当前MIT系统中引入了至少两个问题：第一，系统需要高度精确的ADC，这增加了硬件成本，且其次，系统对噪声非常敏感且因而对其探测性能产生限制。
Hermann等人在Physiol. Meas, Vol. 26, pp. S307-S318, 2005中的“A new type of gradiometer for the receiving circuit of magnetic induction tomography (MIT)”这一现有技术文件公开了一种通过使用用于接收电路的梯度计来减去一对差分线圈中的信号的方法，这提高了MIT系统的灵敏度。
然而，梯度计线圈对线圈装置中的几何对称性非常敏感。当线圈对偏离理想对称形状时，例如，由于机械和/或温度不稳定造成的变形的原因，线圈不能完美地相互补偿。
发明内容
实现一种具有提高的系统灵敏度的图像重构系统，这将是有利的。
为了更好地解决这些事宜中的一个或多个，在本发明的第一方面中，提供了一种用于重构关注对象的图像的系统，且该系统包含：
- 至少一个发射线圈，其配置成生成将应用到关注对象的主磁场；以及
- 至少一个测量线圈装置，其配置成测量由次磁场感应形成的电信号，该次磁场是由关注对象响应于主磁场而生成的；
其中所述至少一个测量线圈装置包含置于基本上同一平面内的多个测量线圈。
通过使用置于一个平面内的多个独立测量线圈从而替代传统单个测量线圈，可以独立地计算由关注对象的电导率分布变化造成的次磁场变化，使得当其在例如MIT系统中使用时提高灵敏度。
有利的是，该系统还包含处理器，其配置成基于由次磁场感应形成的测量的电信号重构所述关注对象的图像，该处理器具有用于控制所述多个测量线圈中的每一个以测量其上的第一和第二电信号的控制单元。
在一个实施例中，该第一和第二电信号为感应电压，以及该处理器还包含第一选择单元，其配置成从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有所述线圈两端的该第一电压和第二电压之间的差分电压与该第一电压之间的比率的最大绝对值。
在另一实施例中，该第一和第二电信号为感应电压，且该处理器还包含第二选择单元，其配置成从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有所述线圈两端的该第一电压和第二电压之间的差分电压的最大绝对值。
有利的是，该处理器还包含第一计算器，其配置成基于对应于所选择的测量线圈的差分电压计算该关注对象的电导率分布变化。
通过选择对次磁场变化最敏感的测量线圈以及通过在图像重构中使用对应于所选择的测量线圈的差分电压，本发明提高了MIT系统的灵敏度。
另外有利的是，该处理器还包含第二计算器，其配置成基于从所述多个第一和第二电压导出的多个加权差分电压计算该关注对象的电导率分布变化。
通过对由所述多个测量线圈生成的差分电压进行加权，更多的独立测量数据可以用于图像重构，导致MIT系统的灵敏度增大。
依照本发明另一方面，提供了一种重构关注对象的图像的方法，所述方法包含下述步骤：
（a）通过至少一个发射线圈生成将应用到关注对象的主磁场；以及
（b）通过至少一个测量线圈装置测量由次磁场感应形成的电信号，所述至少一个测量线圈装置包含置于基本上同一平面内的多个测量线圈，该次磁场是由关注对象响应于主磁场而生成的。
下文给出本发明的详细解释以及其它方面。
附图说明
根据参照附图的下述详细描述，本发明的上述和其它目的及特征将变得更见清楚，在附图中：
图1为传统测量线圈装置的示意图；
图2为依照本发明的测量线圈装置的实施例的示意图；
图3为依照本发明的系统的实施例的示意图；
图4为依照本发明的方法的示意性流程图。
在所有的附图中，相同的附图标记用于表示相似的部分。
具体实施方式
在MIT系统中，对象电导率分布和在线圈上的测量的电压之间的关系由麦克斯韦方程建立。测量线圈两端的电压为电场（E）在该线圈上的积分：
Figure 851619DEST_PATH_IMAGE001
（1）。
在麦克斯韦方程中，电导率和电场之间的关系按下述导出：
Figure 794168DEST_PATH_IMAGE002
（2）。
在该方程中，
Figure 232102DEST_PATH_IMAGE003
为在发射线圈上应用的电流密度，以及
Figure 465769DEST_PATH_IMAGE004
且
Figure 938338DEST_PATH_IMAGE005
（3）
其中σ、μ和ε分别为电导率、电容率和磁导率，以及
Figure 51788DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 977018DEST_PATH_IMAGE007
分别为自由空间的磁导率和电容率并且
Figure 263643DEST_PATH_IMAGE008
。空间中任意点处的电场无法直接测量，反而是测量电压V，该电压为电场沿着该线圈的积分。
图1为传统MIT系统中使用的包含单个测量线圈100的测量线圈装置的示意图。由于电场在该空间中为3D向量场，以及如果线圈划分为四个段，这四个段上的测量结果是不同的。由于相同的原因，这四个段上的对应于电导率分布变化的电压差∆V将是不同的。线圈的四个段其中之一上的电压差将对关注对象的电导率分布变化最为敏感。
然而，测量每个线圈段两端的电压是困难的。这意味着该线圈只能测量通过由该线圈围成的面积的由次磁场变化感应形成的电压，并且无法识别哪个线圈段对由关注对象的电导率变化造成的次磁场变化最敏感。
基于对线圈两端的测量的电压和电导率分布变化之间的关系的理解和认知，本发明提供了一种系统，该系统包含一种通过使用置于基本上同一平面内的多个独立测量线圈从而替代传统单个测量线圈而对电导率分布变化最敏感的新颖测量线圈装置以用于测量电压。
图2为依照本发明的测量线圈装置200的实施例的示意图。
测量线圈装置包含置于基本上同一平面内的多个独立线圈。在此实施例中，测量线圈装置包含四个独立线圈201、202、203和204。
线圈可具有不同形状，例如，它们可以是扇形或方形。相应地，由线圈围成的面积可以基本上相同或不同从而调适到不同的应用。
有利的是，线圈印刷在印刷电路板（PCB）上且采样通道用于从每个测量线圈读取测量数据。
通过使用置于一个平面内的多个独立测量线圈从而替代传统单个测量线圈，可以独立地计算由关注对象的电导率分布变化造成的次磁场变化。
图3为依照本发明的系统300的实施例的示意图。
系统300包含配置成生成主磁场的发射线圈312、314。主磁场在关注对象301中感应形成涡流电流。关注对象301可以是人的头部或者是一块导电材料。例如，发射线圈312、314被供应交变电流从而生成主磁场。
系统300还包含配置成测量由次磁场感应形成的电信号的至少一个测量线圈装置315、317，该次磁场是由关注对象响应于主磁场而生成的。具体而言，次磁场由关注对象中的涡流电流生成，该涡流电流是由主磁场感应形成的。每个测量线圈装置包含置于一个平面内的多个测量线圈，如图2所示。发射线圈312、314和测量线圈装置315、317可以布置在托架303上。
系统300还包含配置成基于测量的电信号（例如线圈两端感应形成的电压）重构图像的处理器320。将参考图2和图3在下文中解释处理器320的详细实施方式。
如图3所示，该处理器包含控制单元322，其配置成控制所述多个测量线圈中的每一个，从而在关注对象的电导率分布变化之前和之后测量所述测量线圈上的第一和第二电信号。
这意味着每个线圈测量第一电压和第二电信号，例如在测量线圈上感应形成的电压。该第一电压和第二电压之间的差分电压是由关注对象的电导率分布变化引起的。
对于如图2所示测量线圈具有四个测量线圈的情形，存在四组测量结果：
Figure 325140DEST_PATH_IMAGE009
和，
Figure 22018DEST_PATH_IMAGE011
=1,2,3,4，和表示在电导率分布变化之前和之后测量的电压。通常
Figure 735786DEST_PATH_IMAGE012
和为由主磁场和次磁场感应形成的电压的相应总和。
应注意，取决于用于收集测量数据的硬件的配置，测量控制可以是顺序的，即每个线圈一个接一个地测量，或者是并行的，即所有线圈同时测量。
存在不同的方式来选择/识别其上的感应电压对电导率分布变化最敏感的测量线圈。对于每次测量，测量的电压对于电导率分布变化的灵敏度可以定义为：
Figure 264037DEST_PATH_IMAGE014
（4）
其中表示对应于电导率分布变化的电压变化。
由于由次磁场变化生成的电压
Figure 926279DEST_PATH_IMAGE016
与测量的电压
Figure 126447DEST_PATH_IMAGE017
或
Figure 558566DEST_PATH_IMAGE010
相比非常小，灵敏度
Figure 449161DEST_PATH_IMAGE018
可以小至10-7。当每个线圈围成的形状和面积基本相同时，对于不同线圈，
Figure 246216DEST_PATH_IMAGE019
之间的差异可以是非常有限的，且在这种情形中，
Figure 166637DEST_PATH_IMAGE020
可以用于指示灵敏度。
在一个实施例中，该处理器还包含第一选择单元324，其配置成从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有所述线圈两端的第一和第二电压之间的差分电压与该第一电压之间的比率的最大绝对值。这意味着具有
Figure 340129DEST_PATH_IMAGE021
的最大绝对值的测量线圈被选择。
在另一实施例中，该处理器还包含第二选择单元325，其配置成从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有所述线圈两端的该第一电压和第二电压之间的差分电压的最大绝对值。这意味着具有
Figure 350810DEST_PATH_IMAGE022
的最大绝对值的测量线圈被选择。
在又一实施例中，该处理器还包含第一计算器326，其配置成基于对应于所选择的测量线圈的差分电压，计算关注对象的电导率分布变化。
关注对象的电导率分布变化的计算可以遵从已知的图像重构理论，例如在现有技术文件“Image reconstruction approaches for Philips magnetic induction tomograph”, M. Vauhkonen, M. Hamsch和C.H. Igney, ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 468-471, 2007中描述的电导率计算和图像重构的方法。
这组参数可以依照下述方程来计算，例如所提到的现有技术中的方程（8）：
Figure 477215DEST_PATH_IMAGE023
（5）
其中
Figure 188819DEST_PATH_IMAGE024
为加权矩阵，
Figure 54007DEST_PATH_IMAGE025
为正则参数且
Figure 5914DEST_PATH_IMAGE026
为正则矩阵，为复雅可比矩阵的虚部，
Figure 839057DEST_PATH_IMAGE028
为
Figure 886648DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 196406DEST_PATH_IMAGE029
之间的差分电压且对应于电导率分布变化。
在另一实施例中，该处理器还包含第二计算器328，其配置成基于从所述多个第一和第二电压导出的多个加权差分电压，计算关注对象的电导率分布变化。在计算电导率分布变化时，
Figure 267131DEST_PATH_IMAGE030
用于取代方程（5）中的
Figure 635051DEST_PATH_IMAGE031
，其中M为测量线圈装置中测量线圈的数目，例如，当使用图2所示的测量线圈装置时M=4。以此方式，由所述多个测量线圈获得的全部测量结果对电导率分布变化的计算有贡献。加权参数
Figure 474832DEST_PATH_IMAGE032
可以利用该方法来计算。
Figure 955491DEST_PATH_IMAGE033
（6）
雅可比矩阵也用
Figure 310249DEST_PATH_IMAGE034
加权从而得到用于重构的新的雅可比矩阵。
图4为依照本发明的方法的示意性流程图。
依照本发明，该方法包含步骤410：使用至少一个或多个发射线圈312、314生成主磁场，该主磁场在关注对象301中感应形成涡流电流。
该方法还包含步骤420：通过使用至少一个测量线圈装置315、317，测量由涡流电流生成的次磁场感应形成的信号用于图像重构，所述至少一个测量线圈装置包含置于平面200内的多个测量线圈201、202、203、204。
有利的是，该方法还包含步骤430：控制所述多个测量线圈中的每一个，从而在关注对象的电导率分布变化之前和之后测量第一和第二电压、
Figure 861633DEST_PATH_IMAGE036
以用于图像重构。
在一个实施例中，该方法还包含步骤440：从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有该第一电压和第二电压之间的差分电压与该第一电压之间的比率的最大绝对值。
在另一实施例中，该方法还包含步骤440'：从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有该第一电压和第二电压之间的差分电压的最大绝对值。可以执行步骤440'以替代步骤440。
该方法还包含步骤450：使用方程（5），基于对应于所选择的测量线圈的差分电压，计算关注对象的电导率分布变化。
在另一实施例中，该方法还包含步骤450'：基于从所述多个第一和第二电压导出的多个加权差分电压，计算关注对象的电导率分布变化。这种情况下，用于取代方程（5）中的
Figure 371560DEST_PATH_IMAGE038
用以计算电导率分布变化，即执行步骤450'从而替代步骤450，且该方法直接从步骤430转到步骤450'。
应注意，测量线圈的选择和/或电导率分布变化的计算可以有利地由计算机程序，和/或与硬件和软件组合来实施。
还应注意，上述实施例说明而非限制本发明且本领域技术人员将能够设计若干可替换实施例而不背离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应解读为限制权利要求。动词“包含”及其变型的使用不排除在权利要求中或在说明书中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前使用不定冠词“一”或“一个”不排除存在多个这种元件。本发明可以借助包含若干不同元件的硬件以及适当编程的计算机来实施。在罗列若干装置的系统权利要求中，这些装置的若干个可以由同一项的硬件或软件来实施。措词第一、第二和第三等的使用不表示任何顺序。这些措词被理解为名称。

Claims (16)

1. 一种用于重构关注对象（301）的图像的系统（300），所述系统包含：
- 至少一个发射线圈（312、314），其配置成生成将应用到该关注对象的主磁场；以及
- 至少一个测量线圈装置（315、317），其配置成测量由次磁场感应形成的电信号，该次磁场是由该关注对象响应于该主磁场而生成的；
其中所述至少一个测量线圈装置（315、317）包含置于基本上同一平面内的多个测量线圈（201、202、203、204）。
2. 如权利要求1所述的系统，还包含用于基于由该次磁场感应形成的测量的电信号重构所述关注对象的图像的处理器（320），该处理器具有配置成控制所述多个测量线圈中的每一个以测量其上的第一和第二电信号的控制单元（322）。
3. 如权利要求2所述的系统，其中该第一和第二电信号为感应电压，且该处理器还包含第一选择单元（324），其配置成从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有所述线圈两端的该第一电压和第二电压之间的差分电压与该第一电压之间的比率的最大绝对值。
4. 如权利要求2所述的系统，其中该第一和第二电信号为感应电压，且该处理器还包含第二选择单元（325），其配置成从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有所述线圈两端的该第一电压和第二电压之间的差分电压的最大绝对值。
5. 如权利要求3或4所述的系统，其中该处理器还包含第一计算器（326），其配置成基于对应于所选择的测量线圈的差分电压计算该关注对象的电导率分布变化。
6. 如权利要求2所述的系统，其中该处理器还包含第二计算器（328），其配置成基于从所述多个第一和第二电压导出的多个加权差分电压计算该关注对象的电导率分布变化。
7. 如权利要求1所述的系统，其中所述多个测量线圈中的每一个为扇形的，且所述多个测量线圈形成圆形平面。
8. 如权利要求1所述的系统，其中所述多个测量线圈中的每一个为方形，且所述多个测量线圈形成方形平面。
9. 如权利要求7或8所述的系统，其中所述多个测量线圈中的每一个围成基本上相同的面积。
10. 一种磁感应断层成像扫描器，包含如权利要求1至9中任意一项所述的系统。
11. 一种重构关注对象的图像的方法，所述方法包含下述步骤：
（a）通过至少一个发射线圈生成（410）将应用到该关注对象的主磁场；以及
（b）通过至少一个测量线圈装置测量（420）由次磁场感应形成的电信号，所述至少一个测量线圈装置包含置于基本上同一平面内的多个测量线圈，该次磁场是由该关注对象响应于该主磁场而生成的。
12. 如权利要求11所述的方法，其中步骤（b）包含步骤（430）：控制所述多个测量线圈中的每一个从而在该关注对象的电导率分布变化之前和之后测量第一和第二电信号。
13. 如权利要求12所述的方法，其中该第一和第二电信号为感应电压，该方法还包含步骤（440）：从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有该第一电压和第二电压之间的差分电压与该第一电压的比率的最大绝对值。
14. 如权利要求12所述的方法，其中该第一和第二电信号为感应电压，该方法还包含步骤（440'）：从所述多个测量线圈选择一个测量线圈，所选择的测量线圈具有该第一电压和第二电压之间的差分电压的最大绝对值。
15. 如权利要求13或14所述的方法，还包含步骤（450）：基于对应于所选择的测量线圈的差分电压，计算该关注对象的电导率分布变化。
16. 如权利要求12所述的方法，还包含步骤（450'）：基于从所述多个第一和第二电压导出的多个加权差分电压，计算该关注对象的电导率分布变化。
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