CN104730477B - 一种基于磁共振技术的动电成像方法 - Google Patents
一种基于磁共振技术的动电成像方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于磁共振技术的动电成像方法，通过对放置在磁共振静磁场中的物体实施振动激励，使物体中的振动离子受到洛伦兹力，发生电荷分离现象，在物体内部形成电场及电流，通过核磁共振系统检测该电流的磁场分量，利用安培定律求解物体内部的电导率分布。本发明首先在不加入振动激励的情况下，采用磁共振系统采集成像物体的磁共振图像，提取磁共振图像的相位信息作为背景相位；然后对成像物体施加振动激励，通过磁共振系统采集成像物体被振动激励影响产生的磁共振成像图像相位；将采集的磁共振图像相位与背景相位比较，得到相位差，由相位差得到成像物体中的磁场分布信息；利用背景相位和成像物体的磁场分布信息，重建成像物体内部的电导率分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种医学电阻抗成像方法，特别涉及一种基于磁共振技术的动电成像方法。
背景技术
电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,简称EIT)是根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电阻/电导率的原理，采用各种方法给人体施加小的安全驱动电流/电压，通过驱动电流/电压在人体的测量响应信息，重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像的技术。电组抗成像技术由于其可以对人体组织实现功能成像，因而在某些癌症等疾病的早期检查诊断时，具有独特的优势，但其空间分辨率较低的缺点限制了电阻抗成像技术的在医疗领域的进一步应用。
为了充分发挥电阻抗成像技术可实现癌症等疾病早期诊断的优势，国内外学者采用EIT与其他检测技术相结合的手段，尽可能使激励的物理场覆盖整个成像区，并获取成像区域内的物理场信息，以提高灵敏度，增大有效信息，提高分辨率。比较典型的做法主要有以下两种：
一是EIT与超声技术的结合，如磁声成像(Magneto Acoustic Tomography,MAT)和磁声电成像(Magneto-Acoustic-Electrical Tomography,MAET)方法。这种方法是利用向放置在静磁场中的研究物体施加电流或超声，通过检测产生的超声或电流信号来获得物体的电导率分布。近些年该方法取得了一些研究成果，但总体而言，EIT与超声技术的结合为两个物理场的耦合，理论、算法以及信号检测和提取等方面还需进一步的深入探索，目前仍处于实验室阶段，距离实际应用还有一定距离。
二是EIT与磁共振技术的结合，如磁共振电阻抗成像(Magnetic ResonanceElectrical Impedance Tomography，MREIT)方法。它通过向放置在磁共振静磁场中的研究物体施加电流，采用磁共振设备测量注入电流产生的磁场在静磁场方向的分量，进而求解研究物体内部的电导率分布。MREIT方法引入了成熟的磁共振设备，直接获得成像物体内部的磁场，可极大的克服EIT技术逆问题重建病态性严重、分辨率低等问题。但磁共振设备的引入也带来了新的问题：如电流注入电极在强磁场环境下出现的射频屏蔽效应，电极注入点处会出现伪影，影响信号测量精度和成像质量，成像算法抗噪性能差等，再加上MREIT技术尚未完全解决EIT技术的问题，如：注入电流在物体内三维发散问题，成像物体内部电导率敏感度低问题，表面电极接触阻抗问题，颅骨等组织的屏蔽问题等，这些都对MREIT技术走向实用提出了挑战。
动电成像方法在石油测井领域应用较多，国内外研究成果也大多集中在这一领域。目前，动电成像在测井中主要通过发射地震声波，使地层在动电效应下产生电流，通过线圈和电极进行接收，通过采集的电信号反映地下的介质属性。这种方法单纯靠震动产生电流，信号较小，探测精度较低，且由于其为低频信号，在测井等大尺度领域可以应用，不能直接应用于生物组织探测成像。
发明内容
本发明的目的是克服上述几种现有的医学电阻抗成像技术的缺点，提出一种基于磁共振技术的动电成像方法来检测生物组织的电导率。
本发明基于磁共振技术的动电成像方法的基本原理是：将一束振动波注入放置在磁共振静磁场中的物体，物体中的离子将会随着振动波的传播而振动。在静磁场的作用下，运动的离子受到洛伦兹力发生电荷分离现象，在物体内部形成电场及电流。通过核磁共振系统，可以得到该电流在静磁场方向的磁场分量，进而利用安培定律可以求解物体内部产生电流的电流密度分量和电导率分布。
能够实现所述的基于磁共振技术的动电成像方法的系统主要由振动激励模块和磁共振模块两部分构成。振动激励模块主要包括振动激励系统、振动传导棒和振动推片。振动激励系统产生振动激励；振动传导棒用于传导振动，与振动激励模块的输出相连；振动推片用于向成像体施加振动激励，与振动传导棒相连。磁共振模块用于检测磁共振图像，提取电流的磁场分量信息。
所述振动激励模块的振动传导棒和振动推片工作在磁共振系统的检测区域中，为了防止对磁共振系统造成干扰，振动传导棒和振动推片采用非铁磁材料制作。
所述的基于磁共振技术的动电成像方法主要通过以下步骤实现：
1)首先，在不加入振动激励的情况下，采用磁共振系统采集成像物体的磁共振图像，提取磁共振图像的相位信息作为背景相位；
2)对成像物体施加振动激励，采用磁共振系统进行二次测量，采集成像物体受振动激励影响产生的磁共振图像的相位。在磁共振成像的相位编码时，通过振动激励系统产生振动激励信号经振动传导棒传递到振动推片上，由振动推片将此振动信号施加到成像物体上，振动信号在成像物体内引起离子振动，在磁共振系统的主磁场作用下受到洛伦兹力，发生电荷分离，产生库仑电场和电流源。该电流源产生的与磁共振主磁场方向平行的磁场分量会影响磁共振检测图像的相位，成像物体受振动激励影响产生的这种磁共振图像的相位可以通过磁共振系统采集得到；
3)成像物体内的电磁特性的差异影响振动激励产生的电流源的分布，这些电流源分布的差异通过相位编码体现在磁共振的相位图像上。将步骤2)采集的受振动激励影响产生的磁共振相位图像与步骤1)采集的背景相位相比较，得到相位差为△Φ，根据方程：
△Φ＝γBzTc
得到成像物体的磁场分布信息；
式中：γ为旋磁比，Bz为振动激发的电流场产生的磁共振主磁场方向的磁通密度分量，Tc为振动激励施加时间；
4)利用步骤1)测量得到背景相位信息和步骤3)得到的成像物体的磁场分布信息，重建成像物体内部的电导率分布：从电磁场理论出发，建立磁通密度分量Bz与电导率σ之间的方程：由Maxwell方程组可以得到有关磁通密度的双旋度方程，利用矢量恒等式以及标量电位可以得到磁通密度与电导率以及激励场源相关的方程，Bz与σ的关系一般很难用显函数表示，采用变分原理对方程弱形式进行积分，降低方程的阶数，然后再根据方程重建电导率图像或电导率的变化图像。
本发明基于磁共振技术的动电成像方法是磁声电成像、磁共振成像和电阻抗成像三种成像方法的有机结合，它采用振动波进行激励，在磁声电成像的动电效应机理下产生电流，依靠高空间分辨率的磁共振设备进行检测，最终取得电阻抗成像技术想要达到的高分辨率电导率图像进行组织功能的研究或癌症等疾病的早期诊断。该方法具备了MAET、MRI和EIT三种成像方法的性质，不仅秉承了EIT技术检测组织电导率的功能成像特性，吸收了MRI技术检测高灵敏度、高分辨率的优点，同时也克服了上述EIT结合技术存在的一些问题。比如，本发明克服了MREIT技术采用电极激励检测方法对成像物体内部电导率检测敏感度低、电极射频屏蔽、接触阻抗等问题。
本发明基于磁共振技术的动电成像方法中，当向成像体注入振动声波时，成像体中的离子在声波的作用下产生振动，在静磁场中受到洛伦兹力，发生正负电荷分离，产生一个库仑电场和电流源。根据左手螺旋定则，离子所受洛伦兹力的方向是与静磁场方向垂直的，因而产生的库仑电场的方向也是分布在与静磁场方向垂直的平面内，因此基于磁共振技术的动电成像方法产生的电流源是一个二维断面，同时这也是检测的二维断面。激励和检测的二维对应，保证了基于磁共振技术的动电成像方法的合理性，避免了激励三维发散带来的检测精度降低、算法实现困难等问题，提高了信号检测的精度，更贴近于实际应用。
附图说明
图1本发明所基于的动电成像系统结构原理图；
图2本发明成像方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所基于的磁共振技术成像系统主要由振动激励模块和磁共振模块两部分构成。振动激励模块主要包括产生振动激励的振动激励系统、与振动激励模块的输出相连用于传导振动的振动传导棒，以及与振动传导棒相连用于向成像体施加振动激励的振动推片。磁共振模块用于检测磁共振图像，提取电流的磁场分量信息。
所述的振动传导棒和振动推片工作在磁共振系统的检测区域中，为了防止对磁共振系统造成干扰，振动传导棒和振动推片采用非铁磁材料制作。
本发明所述的动电成像方法的基本原理是：将一束振动波注入放置在磁共振静磁场中的物体，物体中的离子将会随着振动波的传播而振动。在静磁场的作用下，运动的离子受到洛伦兹力发生电荷分离现象，在物体内部形成电场及电流。通过核磁共振系统，可以得到该电流在静磁场方向的磁场分量，进而利用安培定律可以求解物体内部产生电流的电流密度分量和电导率分布。
本发明基于磁共振技术的动电成像方法的流程如图2所示：
1)首先，在不加入振动激励的情况下，采用磁共振系统采集成像物体的磁共振图像，提取磁共振图像的相位信息作为背景相位；
2)对成像物体施加振动激励，采用磁共振系统进行二次测量，采集成像物体受振动激励影响产生的磁共振图像的相位。在磁共振成像的相位编码时，通过振动激励系统产生振动激励信号经振动传导棒传递到振动推片上，由振动推片将此振动信号施加到成像物体上，振动信号在成像物体内引起离子振动，在磁共振系统的主磁场作用下受到洛伦兹力，发生电荷分离，产生库仑电场和电流源，该电流源产生的与磁共振主磁场方向平行的磁场分量会影响磁共振检测图像的相位，成像物体被振动激励影响产生的这种磁共振图像的相位可以通过磁共振系统采集得到；
3)成像物体内的电磁特性的差异影响振动激励产生的电流源的分布，这些电流源分布的差异通过相位编码体现在磁共振的相位图像上。将步骤2)采集的磁共振相位图像与步骤1)采集的背景相位图像相比较，得到相位差为△Φ，根据方程：
△Φ＝γBzTc
得到成像物体的磁场分布信息；
式中：γ为旋磁比，Bz为振动激发的电流场产生的磁共振主磁场方向的磁通密度分量，Tc为振动激励施加时间；
4)利用步骤1)测量得到背景信息和步骤3)得到的成像物体内部的磁场信息，重建成像物体内部的电导率分布：
从电磁场理论出发，基于磁共振技术的动电成像方法满足的Maxwell方程组为：
式中，E为成像物体内的库伦电场强度，v为离子振动速度，B0为磁共振静磁场的磁通密度，J为等效电流密度，H和B为等效电流产生的磁场强度和磁通密度，D为成像物体内的位移电流。将方程组(1)中第二个公式取旋度，将磁场强度转换成磁通密度，得到有关磁通密度的双旋度方程如下：
利用矢量恒等式以及标量电位定义可以得到磁通密度与电导率以及激励场源相关的方程，如下：
假设磁共振静磁场方向为z向，取z向的磁通密度分量Bz，建立Bz与σ的关系：
Bz与σ的关系一般很难用显函数表示，采用变分原理可以对方程弱形式进行积分，其弱形式函数的选择可根据实际需要选定，降低方程的阶数。
由安培定律结合方程组(1)中第二个公式可知：
引入标量电位u，得：
根据公式(4)和(6)就可以重建电导率图像或电导率的变化图像。
本发明基于磁共振技术的动电成像方法是磁声电成像、磁共振成像和电阻抗成像三种成像方法的有机结合，它采用振动波进行激励，在磁声电成像的动电效应机理下产生电流，依靠高空间分辨率的磁共振设备进行检测，最终取得电阻抗成像技术想要达到的高分辨率电导率图像进行组织功能的研究或癌症等疾病的早期诊断。该方法具备了MAET、MRI和EIT三种成像方法的性质，不仅秉承了EIT技术检测组织电导率的功能成像特性，吸收了MRI技术检测高灵敏度、高分辨率的优点，同时也克服了上述EIT结合技术存在的一些问题。比如，本发明克服了MREIT技术采用电极激励检测方法对成像物体内部电导率检测敏感度低、电极射频屏蔽、接触阻抗等问题。
本发明基于磁共振技术的动电成像方法中，当向成像体注入振动声波时，成像体中的离子在声波的作用下产生振动，在静磁场中受到洛伦兹力，发生正负电荷分离，产生一个库仑电场和电流源。根据左手螺旋定则，离子所受洛伦兹力的方向是与静磁场方向垂直的，因而产生的库仑电场的方向也是分布在与静磁场方向垂直的平面内，因此基于磁共振技术的动电成像方法产生的电流源是一个二维断面，同时这也是检测的二维断面。激励和检测的二维对应，保证了基于磁共振技术的动电成像方法的合理性，避免了激励三维发散带来的检测精度降低、算法实现困难等问题，提高了信号检测的精度，更贴近于实际应用。
Claims (1)
1.一种基于磁共振技术的动电成像方法，其特征在于：所述的动电成像方法的步骤如下：
1)首先，在不加入振动激励的情况下，采用磁共振系统采集成像物体的磁共振图像，提取磁共振图像的相位信息作为背景相位；
2)对成像物体施加振动激励，通过磁共振系统采集成像物体被振动激励影响产生的磁共振成像图像相位；
3)将步骤2)采集的磁共振图像相位与步骤1)采集背景相位比较，得到相位差△Φ，根据方程：
△Φ＝γBzTc
得到成像物体的磁场分布信息；
式中：γ为旋磁比，Bz为振动激发的电流场产生的磁共振主磁场方向的磁通密度分量，Tc为振动激励施加时间；
4)利用步骤1)测量得到背景相位和步骤3)得到的成像物体的磁场分布信息，重建成像物体内部的电导率分布；
首先，从电磁场理论出发，建立磁通密度分量Bz与电导率σ之间的方程：由Maxwell方程组得到有关磁通密度的双旋度方程，利用矢量恒等式以及标量电位得到磁通密度与电导率以及激励场源相关的方程：
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式中，u为标量电位，v为离子振动速度，B0为磁共振静磁场的磁通密度；
然后，采用变分原理对方程(1)弱形式进行积分，降低方程的阶数，然后再根据方程(1)(2)重建电导率图像或电导率的变化图像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |