CN103006185A - 一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置及方法，在激励线圈中通以交变正弦电流产生交变磁场，具有一定导电性的被测对象置于该交变磁场中，被测对象内部因电磁感应而产生同频交变涡流，通过以矩阵形式排列成一个平面的测量线圈阵列分别检测交变涡流引起的磁场信号，根据测量信号与被测对象电阻抗分布的关系分别计算各个测量线圈所对应的被测对象部位的电阻抗分布情况，全部计算结果按照测量线圈位置形成电阻抗平面投影图像。

Description

一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置及方法

技术领域

本发明属于电阻抗成像技术领域，涉及一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置及方法。

背景技术

电阻抗是物质被动电特性的度量。传统的电阻抗测量方法是通过与被测对象相接触的一对电极分别施加激励信号和测量响应信号，从而计算出电阻抗。利用此基本原理，通过多个位置的激励测量数据从而形成电阻抗的分布图像，其典型代表是电阻抗断层成像和电阻抗平面投影成像。电阻抗断层成像通过一组贴附在被测对象（如人体）某一断层表面的电极注入电流/电压然后测量响应电压/电流，应用成像算法重建电极所在断层内部的电阻抗分布图像。电阻抗平面投影成像则采用分布在同一平面内呈矩阵形式排列的电极阵列为测量电极，通过电极阵列的位置反映对应的被测对象内的电阻抗分布信息。上述方法都是接触式的电阻抗成像方法。

根据电磁感应原理，处于交变磁场中的容积导体内部会感应出同频率的交变涡流，而涡流的性质与容积导体的电阻抗分布直接相关。因此，可通过与被测对象非接触的线圈施加激励交变磁场，通过另一个线圈测量感应交变涡流的信号，经计算可得出被测对象的电阻抗。根据上述原理，通过在被测对象外部的不同位置分别进行激励和测量，从而形成磁感应原理的电阻抗成像，其典型代表是磁感应断层成像。磁感应断层成像可认为是一种非接触式的电阻抗断层成像方法，引起采用了非接触的传感器，即线圈，因而在应用上更为便捷。

类似于电极接触式的电阻抗平面投影成像方法，根据电磁感应原理，也可以构建非接触式的电阻抗平面投影成像，称之为磁感应平面投影成像。磁感应平面投影成像采用分布在同一平面内呈矩阵形式排列的线圈阵列为测量线圈，通过线圈阵列的位置反映对应的被测对象内的电阻抗分布信息。这种方法能较好地反映被测对象内不同位置电阻抗分布的差异情况。

申请号为200510042937.6、发明名称为“非接触磁感应脑部电导率分布变化的监测方法”的中国专利，公开了一种磁感应映射成像方法。但是，其激励线圈采用与测量线圈相同的线圈阵列方式，结构较为复杂，多个激励线圈相互之间的干扰也可能影响测量精度。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置及方法，将激励线圈与测量线圈分开设置，能够便于获得更好的平面投影成像。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，包括：

激励线圈：通入正弦交变电流后，在被测对象周围产生正弦交变激励磁场；

控制单元、正弦激励源模块、激励线圈依次相连接，控制正弦交变激励磁场的产生；

呈矩阵排列的测量线圈阵列：检测被测对象内部因电磁感应而产生同频交变涡流引起的磁场信号，

控制单元、AD转换模块、感应信号检测模块、多路开关/测量线圈阵列依次相连接，控制单元接受被多路开关所选通的测量线圈阵列中的测量线圈所检测并被转换得到的信号，遍历选通测量线圈阵列中的每一个测量线圈后，根据测量线圈所检测到的信号与其位置形成电阻抗平面投影图像；

显示器：显示控制单元所生成的电阻抗平面投影图像。

所述的控制单元发出控制指令，使正弦激励源模块产生预定频率、强度的正弦交变信号；

正弦激励源模块将所产生的正弦交变信号施加到激励线圈，使其产生同频的正弦交变激励磁场。

所述位于正弦交变激励磁场中的被测对象，产生与其电阻抗分布相关的正弦交变涡流；

多路开关选通测量线圈阵列中的某一个测量线圈，通过感应信号检测模块测量该测量线圈对应的被测对象内部的正弦交变涡流信号；

感应信号检测模块将所测量到的正弦交变涡流信号发送给AD转换模块，转为数字测量信号后发送给控制单元。

所述通过多路开关遍历选通测量线圈阵列中的每一个测量线圈，进行感应信号检测，并经过AD转换模块转换后送入控制单元后；控制单元根据全部的感应测量信号以及测量线圈阵列的位置关系，应用投影成像算法，计算生成被测对象对应于测量线圈阵列的电阻抗平面投影图像。

所述的激励线圈为单个螺线管线圈，单个螺线管线圈与测量线圈阵列分置于被测对象周围；

或者，所述的激励线圈为亥姆霍兹线圈，被测对象置于亥姆霍兹线圈内部或者中间，测量线圈阵列置于亥姆霍兹线圈内部。

所述的测量线圈阵列中的测量线圈均相同，并以n×m矩阵形式排列，其中n和m为自然数，且n≧2，m≧2。

所述激励线圈和测量线圈阵列在被测对象周围相互平行，或者相互垂直，或者关于被测对象呈一定的角度。

一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像方法，包括以下步骤：

对激励线圈施加正弦交变电流后产生作用于被测对象的正弦交变激励磁场，通过设置在被测对象周围的呈矩阵形式排列的测量线圈阵列，检测被测对象因电磁感应而感应出的正弦交变涡流信号；

测量线圈阵列中的每个测量线圈分别测量被测对象感应出的正弦交变涡流信号并计算相应的电阻抗，根据测量线圈阵列中全部测量线圈的检测结果按照测量线圈位置形成电阻抗平面投影图像。

所述通过计算测量线圈所检测的正弦交变涡流信号相应的电阻抗；其中z为电阻抗，w为权重系数，

为感应测量信号的相位，ω为激励正弦信号的角频率）。

所述根据测量线圈阵列中全部测量线圈的检测结果按照测量线圈位置，通过插值的方法形成电阻抗平面投影图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置及方法，将激励线圈和测量线圈阵列分置在被测对象的周围，激励线圈与测量线圈阵列分布于被测对象外周，其相对位置可任意放置。本发明通过选通测量线圈阵列中的测量线圈所检测并被转换得到的信号，遍历选通测量线圈阵列中的每一个测量线圈后，根据测量线圈所检测到的信号与其位置形成电阻抗平面投影图像。其中，激励线圈或者为单一螺线管线圈（产生发散状的磁场）或者为亥姆霍兹线圈（产生近似匀强的磁场），结构简单，易于实现。而且，亥姆霍兹线圈内部的近似均强磁场便于获得更好的平面投影成像。

本发明提供的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置及方法，利用线圈阵列方式获得被测对象对应线圈位置的电阻抗平面投影图像，可反映被测对象内部电阻抗分布的非均匀性，实现一种类似于X线平片的非接触电阻抗平面投影成像。测量线圈阵列中的单个测量线圈可为任意结构的线圈。

激励线圈和测量线圈阵列的位置关系可以是不变，也可以通过简单增加一个改变两者位置的装置，就可以分别获得不同角度的磁感应电阻抗平面投影成像，从而可以获得更为丰富的被测对象内部电阻抗分布的信息。

附图说明

图1为螺线管激励线圈和测量线圈阵列平行布置方式示意图，被测对象置于两者的中间。

图2为螺线管激励线圈和测量线圈阵列垂直布置方式示意图，被测对象被两者包围。

图3为亥姆霍兹激励线圈和测量线圈阵列平行布置方式示意图，被测对象体积较小，置于亥姆霍兹线圈内部，测量线圈阵列置于亥姆霍兹线圈内部。

图4为亥姆霍兹激励线圈和测量线圈阵列平行布置方式示意图，被测对象体积较大，部分置于亥姆霍兹线圈内部，测量线圈阵列置于亥姆霍兹线圈内部。

图5为亥姆霍兹激励线圈和测量线圈阵列垂直布置方式示意图，被测对象体积较大，部分置于亥姆霍兹线圈内部，测量线圈阵列置于亥姆霍兹线圈内部。

图6为图4所示线圈布置方式的磁感应平面投影成像结构示意图。

其中，1为激励线圈，2为被测对象，3为测量线圈阵列。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1～图6，本发明提供的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，包括：

激励线圈：通入正弦交变电流后，在被测对象周围产生正弦交变激励磁场；

控制单元、正弦激励源模块、激励线圈依次相连接，控制正弦交变激励磁场的产生；

呈矩阵排列的测量线圈阵列：检测被测对象内部因电磁感应而产生同频交变涡流引起的磁场信号，

控制单元、AD转换模块、感应信号检测模块、多路开关/测量线圈阵列依次相连接，控制单元接受被多路开关所选通的测量线圈阵列中的测量线圈所检测并被转换得到的信号，遍历选通测量线圈阵列中的每一个测量线圈后，根据测量线圈所检测到的信号与其位置形成电阻抗平面投影图像；

显示器：显示控制单元所生成的电阻抗平面投影图像。

本发明提供的非接触磁感应电阻抗平面投影成像方法，包括以下步骤：

1）对激励线圈施加正弦交变电流后产生作用于被测对象的正弦交变激励磁场，通过设置在被测对象周围的呈矩阵形式排列的测量线圈阵列，检测被测对象因电磁感应而感应出的正弦交变涡流信号；

2）测量线圈阵列中的每个测量线圈分别测量被测对象感应出的正弦交变涡流信号并计算相应的电阻抗，根据测量线圈阵列中全部测量线圈的检测结果按照测量线圈位置形成电阻抗平面投影图像。

具体的，图1和图2分别示出了螺线管激励线圈和测量线圈阵列的平行和垂直布置方式，类似地，可以构建两者呈任意夹角的布置方式。

图1和图2的检测模式中，以一个螺线管线圈作为激励线圈，对其施加正弦交变信号用于产生正弦交变激励磁场，一组相同参数、以矩阵形式排列成一个平面的测量线圈阵列用于检测对象因电磁感应而感应出的交变涡流信号，两者分置于被测对象的周围。

图3示出了被测对象体积较小、可置于亥姆霍兹线圈内部时，亥姆霍兹激励线圈和测量线圈阵列平行布置方式，类似地，可以构建两者呈任意夹角的布置方式。

图4和图5分别示出了被测对象体积较大、部分置于亥姆霍兹线圈内部时，亥姆霍兹激励线圈和测量线圈阵列平行和垂直布置方式，类似地，可以构建两者呈任意夹角的布置方式。

图4和图5中的测量线圈阵列置于亥姆霍兹线圈内部，类似地，可构建测量线圈置于亥姆霍兹线圈外部的布置方式。

图3、图4、图5，所示是以一个亥姆霍兹线圈作为激励线圈，对其施加正弦交变信号用于产生内部近似匀强的正弦交变激励磁场，一组相同参数、以矩阵形式排列成一个平面的测量线圈阵列用于检测对象因电磁感应而感应出的交变涡流信号，根据被测对象体积的大小，被测对象可以全部或拟测量部位部分位于亥姆霍兹线圈内部，测量线圈阵列可置于被测对象的任意方位，可位于亥姆霍兹线圈的内部或外部。

根据述两种激励线圈和测量线圈阵列布置方式，并通过改变激励线圈和测量线圈阵列的位置关系，可以延伸出很多种的非接触磁感应电阻抗平面投影成像系统。

图6以图4的激励线圈和测量线圈布置方式为例，给出了磁感应平面投影成像结构示意图，类似地，可以对图1、图2、图3、图5以及各自改变夹角后的布置方式分别构建整体磁感应平面投影成像系统工作原理方框图。

图1至图6中均以圆形螺线管线圈阵列作为测量线圈阵列，在保证线圈阵列中所有线圈参数一致、呈矩阵形式排列（以n×m矩阵形式排列，其中n和m为自然数，且n≧2，m≧2）的条件下，其中的单个测量线圈可以是任意结构的线圈。

如图6所示的磁感应平面投影成像装置是在图4所示的激励线圈和测量线圈布置方式的基础上进行的，其具体工作步骤如下：

1）控制单元发出控制指令，使正弦激励源模块产生制定频率、强度的正弦交变信号；

2）正弦激励源模块将所产生的正弦交变信号施加到激励线圈，使其产生同频的正弦交变激励磁场；

3）位于正弦交变激励磁场中的被测对象，因其具有的导电性而感应出同频的正弦交变涡流，此涡流与被测对象内部的电阻抗分布直接相关；

4）通过多路开关选通测量线圈阵列中的某一个测量线圈，通过感应信号检测模块测量该测量线圈对应的被测对象内部的交变涡流信号；

5）将感应信号检测模块所测量到的交变涡流信号，通过AD转换模块，转为数字信号；

6）AD转换模块转换后的数字测量信号，送入控制单元；

7）重复4）到6）步，遍历选通测量线圈阵列中的每一个测量线圈，进行感应信号检测，并经过AD转换后送入控制单元；

8）在控制单元中，通过计算测量线圈所检测的正弦交变涡流信号相应的电阻抗；其中z为电阻抗，w为权重系数，

为感应测量信号的相位，ω为激励正弦信号的角频率；

根据全部的感应测量信号以及测量线圈阵列的位置关系，应用投影成像算法（分别用每个测量线圈的数据计算其对应的电阻抗，然后进行插值，形成图像），计算被测对象对应于测量线圈阵列的电阻抗平面投影图像；

9）控制单元将计算所得的电阻抗平面投影图像显示在屏幕上。

采用类似的方法，可以对图1到图5所示的激励线圈和测量线圈阵列布置方式，以及改变激励线圈和测量线圈阵列位置关系而延伸出的其他布置方式，分别构建出完整的非接触磁感应电阻抗平面投影成像系统。

虽然本实施例中激励线圈和测量线圈阵列的位置关系是以固定不变为例进行描述，但是通过简单增加一个改变位置的装置，就可以分别获得不同角度的磁感应电阻抗平面投影成像，从而可以获得更为丰富的被测对象内部电阻抗分布的信息。

Claims (10)

1.一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，其特征在于，包括：

激励线圈：通入正弦交变电流后，在被测对象周围产生正弦交变激励磁场；

控制单元、正弦激励源模块、激励线圈依次相连接，控制正弦交变激励磁场的产生；

呈矩阵排列的测量线圈阵列：检测被测对象内部因电磁感应而产生同频交变涡流引起的磁场信号，

控制单元、AD转换模块、感应信号检测模块、多路开关/测量线圈阵列依次相连接，控制单元接受被多路开关所选通的测量线圈阵列中的测量线圈所检测并被转换得到的信号，遍历选通测量线圈阵列中的每一个测量线圈后，根据测量线圈所检测到的信号与其位置形成电阻抗平面投影图像；

显示器：显示控制单元所生成的电阻抗平面投影图像。

2.如权利要求1所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，其特征在于，控制单元发出控制指令，使正弦激励源模块产生预定频率、强度的正弦交变信号；

正弦激励源模块将所产生的正弦交变信号施加到激励线圈，使其产生同频的正弦交变激励磁场。

3.如权利要求1所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，其特征在于，位于正弦交变激励磁场中的被测对象，产生与其电阻抗分布相关的正弦交变涡流；

多路开关选通测量线圈阵列中的某一个测量线圈，通过感应信号检测模块测量该测量线圈对应的被测对象内部的正弦交变涡流信号；

感应信号检测模块将所测量到的正弦交变涡流信号发送给AD转换模块，转为数字测量信号后发送给控制单元。

4.如权利要求1所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，其特征在于，通过多路开关遍历选通测量线圈阵列中的每一个测量线圈，进行感应信号检测，并经过AD转换模块转换后送入控制单元后；控制单元根据全部的感应测量信号以及测量线圈阵列的位置关系，应用投影成像算法，计算生成被测对象对应于测量线圈阵列的电阻抗平面投影图像。

5.如权利要求1所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，其特征在于，所述的激励线圈为单个螺线管线圈，单个螺线管线圈与测量线圈阵列分置于被测对象周围；

或者，所述的激励线圈为亥姆霍兹线圈，被测对象置于亥姆霍兹线圈内部或者中间，测量线圈阵列置于亥姆霍兹线圈内部。

6.如权利要求1所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，其特征在于，所述的测量线圈阵列中的测量线圈均相同，并以n×m矩阵形式排列，其中n和m为自然数，且n≧2，m≧2。

7.如权利要求1所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像装置，其特征在于，激励线圈和测量线圈阵列在被测对象周围相互平行，或者相互垂直，或者关于被测对象呈一定的角度。

8.一种非接触磁感应电阻抗平面投影成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对激励线圈施加正弦交变电流后产生作用于被测对象的正弦交变激励磁场，通过设置在被测对象周围的呈矩阵形式排列的测量线圈阵列，检测被测对象因电磁感应而感应出的正弦交变涡流信号；

2）测量线圈阵列中的每个测量线圈分别测量被测对象感应出的正弦交变涡流信号并计算相应的电阻抗，根据测量线圈阵列中全部测量线圈的检测结果按照测量线圈位置形成电阻抗平面投影图像。

9.如权利要求8所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像方法，其特征在于，通过

计算测量线圈所检测的正弦交变涡流信号相应的电阻抗；其中z为电阻抗，w为权重系数，

为感应测量信号的相位，ω为激励正弦信号的角频率。

10.如权利要求8所述的非接触磁感应电阻抗平面投影成像方法，其特征在于，根据测量线圈阵列中全部测量线圈的检测结果按照测量线圈位置，通过插值的方法形成电阻抗平面投影图像。

Images