CN107850646B - 用于磁感应断层成像的手持式装置 - Google Patents

用于磁感应断层成像的手持式装置 Download PDF

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Abstract

提供用于使用手持式装置进行磁感应断层成像的设备、系统和方法。更具体地讲，磁感应断层成像系统可以包括手持式磁感应断层成像装置，其具有外壳和至少一个感测单元。所述手持式装置的所述外壳可以具有形状因数，使得当所述手持式装置在操作时，手抓握所述外壳的位置与所述感测单元隔开。所述手持式磁感应成像断层成像装置可以包括一个或多个电部件，所述电部件在所述外壳中与所述至少一个感测单元隔开(例如，被屏障隔开)，以减少所述至少一个感测单元与所述一个或多个电部件之间的电磁干扰。涉及被包括在所述手持式装置的内部和/或外部的部件的定位系统可以用来确定所述手持式装置的位置数据。

Description

用于磁感应断层成像的手持式装置
相关申请案
本申请要求2015年8月26日提交的美国临时申请序列号62/209,933的优先权，该临时申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及磁感应断层成像领域，并且更具体地讲，涉及用于磁感应断层成像的手持式装置。
背景技术
磁感应断层成像可以用来使组织内的电磁性质分布(例如，电导率或电容率)成像。更具体地讲，磁感应断层成像技术可以基于由邻近组织放置的感应线圈在组织中感应的涡电流提供对组织的电磁性质的低成本、无接触测量。
由于由脂肪、骨骼、肌肉和各种器官形成的自然对比，诸如电导率和电容率的电磁性质在组织中在空间上变化。结果，使用磁感应断层成像技术获得的电导率或电容率分布可用来对身体的各种区域成像，包括肺部和腹部区域、脑组织和身体的其他区域，该区域可能难以或可能不难使用诸如超声波的其他低成本生物医学成像技术来成像。这样，磁感应断层成像可用于例如伤口、溃疡、脑外伤和其他异常组织状态的生物医学成像。
用于磁感应断层成像的现有技术通常涉及在样本附近放置大量线圈(例如，线圈阵列)和基于在标本附近放置的大量线圈内的线圈对的测量互感构建图像。例如，源线圈的阵列和检测线圈的阵列可邻近标本放置。源线圈中的一者或多者可利用射频能量激励，并且响应可在检测线圈处被测量。标本的电导率分布(或电容率分布)可从检测线圈的响应确定。
磁感应断层成像可以使用与单个线圈相关联的测量来执行。然而，使用手持式装置用于收集线圈测量值的这些技术的实施可带来一些挑战。例如，如果装置没有被正确的握持，那么使用装置的技术人员的手可在扫描期间造成干扰。此外，电源、电子器件、电线以及其他元件可对单个线圈造成干扰，导致线圈测量值不太准确。此外，为了获得准确的磁感应断层成像，优选高度准确地了解与每个线圈测量值相关联的位置。这个精确度可难以实现，因为在利用手持式装置进行扫描期间手持式装置由技术人员从一个位置物理地移动到另一位置。
发明内容
本公开的实施方案的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从该描述中了解，或者可以通过实施方案的实践来了解。
本公开的一个示例性方面涉及一种手持式磁感应断层成像装置。该手持式磁感应断层成像装置包括外壳和至少一个感测单元。每个感测单元包括单个线圈。该手持式磁感应断层成像装置被配置成当单个线圈邻近标本放置时利用感测单元来获得线圈测量值。系统还包括定位系统，其被配置成确定与每个线圈测量值相关联的手持式磁感应断层成像装置的位置。系统还包括图生成系统，其被配置成至少部分基于线圈测量值来生成标本的至少一部分的电磁性质图。
本公开的另一个示例性方面涉及一种手持式磁感应断层成像装置。该手持式磁感应断层成像装置可以包括外壳和至少一个感测单元，该外壳具有有利于用手握持的形状因数。每个感测单元包括单个线圈。该手持式磁感应断层成像装置还包括一个或多个电部件，其与至少一个感测单元隔开足够的距离，以减少一个或多个电部件与至少一个感测单元之间的电磁干扰。该手持式磁感应断层成像装置可以被配置成当单个线圈邻近标本放置时利用感测单元来获得线圈测量值。
本公开的又一个示例性方面涉及一种用于磁感应断层成像的方法。该方法包括访问使用手持式磁感应断层成像装置的单个线圈为标本获得的多个线圈性质测量值。线圈性质测量值中的每个可以利用单个线圈在相对于标本的多个离散位置中的一个处获得。该方法包括将线圈位置数据与多个线圈性质测量值中的每个相关联。线圈位置数据可以指示对于每个线圈测量值而言单个线圈相对于标本的位置和取向。线圈位置可以使用定位系统来获得，该定位系统被配置成确定手持式磁感应断层成像装置的位置。该方法还包括：访问限定由单个线圈获得的线圈性质测量值与标本的电磁性质之间的关系的模型；以及使用该模型至少部分基于多个线圈性质测量值和与每个线圈测量值相关联的线圈位置数据来生成标本的三维电磁性质图。
可以对本公开的这些示例性方面做出变型和修改。
参考下面的描述和所附的权利要求，各种实施方案的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并组成其一部分的附图示出了本公开的实施方案，并且与描述一起用来说明相关的原理。
附图说明
本说明书参考附图阐述了提供给本领域的普通技术人员的实施方案的详细讨论，在附图中：
图1描绘根据本公开的示例性实施方案的用于使用手持式装置进行磁感应断层成像的示例性系统；
图2描绘根据本公开的示例性实施方案的示例性手持式装置的透视图；
图3描绘根据本公开的示例性实施方案的示例性手持式装置的侧视图；
图4到图5描绘根据本公开的示例性实施方案生成的示例性电导率图；
图6描绘根据本公开的示例性实施方案的用于磁感应断层成像的示例性线圈；
图7描绘根据本公开的示例性实施方案的用于磁感应断层成像的线圈的示例性连接迹线；
图8描绘根据本公开的示例性实施方案的用于提供磁感应断层成像用线圈的示例性方法的工艺流程图；
图9描绘根据本公开的示例性实施方案的与用于磁感应断层成像的线圈相关联的示例性电路的框图；以及
图10描绘根据本公开的示例性实施方案的用于磁感应断层成像的示例性方法的工艺流程图。
具体实施方式
现在将详细参考实施方案，其一个或多个实例在附图中示出。每个实例都以解释实施方案而不是限制本发明的方式提供。事实上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可以对实施方案做出各种修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分而说明或描述的特征可以用于另一个实施方案以产生又一个实施方案。因此，本发明旨在涵盖这样的修改和变化。
概述
一般来讲，本公开的示例性方面涉及使用与单个线圈相关联的测量值对标本(诸如组织标本)进行磁感应断层成像的手持式装置。更具体地讲，可以使用手持式装置而使用单个线圈在相对于标本的多个不同的离散位置处获得多个线圈性质测量值。可以从多个线圈性质测量值中生成诸如三维电导率图或三维电容率图的三维电磁性质图。这样，可以使用通过手持式装置得到的无接触线圈性质测量值来提供对组织进行成像的简单而经济有效的方式。
更具体地讲，磁感应断层成像系统可以包括手持式磁感应断层成像装置，其具有外壳和至少一个感测单元。至少一个感测单元可以包括单个线圈。在一些实施方案中，外壳可以具有有利于用手(诸如技术人员的手)握持手持式装置的形状因数。例如，外壳可以具有有利于用手握持手持式装置的尺寸、形状和几何形状。提供用于磁感应断层成像的便携手持式装置可以增加在磁感应断层成像系统中对标本执行线圈测量的易用性和灵活性。
在一些实施方案中，手持式装置的外壳可以具有形状因数，使得当手持式装置在操作时，手抓握或以其他方式握持外壳的位置与感测单元隔开(例如，隔开阈值距离)。例如，手持式装置的抓握部分可以位于远离感测单元的阈值距离处。这样，在线圈测量值的获取期间可以减少由技术人员的手放在至少一个感测单元的单个线圈附近引起的干扰。
手持式装置的外壳可以容纳具有单个线圈的至少一个感测单元。在一些实施方案中，线圈可包括多个同心导电圆环，这些圆环具有足够的环间间距，或足够不同的半径，以减小与标本的电容耦合。导电环可与连接迹线串联连接，而不允许连接迹线使多个同心导电圆环产生的场失真。多个同心导电环可布置在多个平面中(例如，在多层印刷电路板上)作为双层叠堆。所述平面之间的间距或平面分隔距离可被选择成使得在数学上多个导电环可被视作位于共同平面中，以用于定量分析模型的目的。例如，平面分隔距离可以在约0.2mm至约0.7mm的范围内，诸如，约0.5mm。如本文所用，参考尺寸或其他特性而使用的术语“约”旨在表示在该指定尺寸或其他特性的30％以内。
在一些实施方案中，手持式磁感应断层成像装置可以包括外壳，该外壳可以容纳不同尺寸的感测单元。例如，外壳可以容纳可以在手持式装置上彼此互换(例如，使用Velcro紧固件或其他合适的紧固件或附接机构以有利于感测单元的快速互换)的模块化感测单元(例如，盒)。每个感测单元可以具有相对于其他感测单元而具有不同线圈尺寸的线圈，以由手持式磁感应断层成像装置提供不同深度的测量。在一些实施方案中，手持式磁感应断层成像装置可以容纳多个感测单元。每个感测单元可以包括用于执行线圈测量的单个线圈。在特定实施形式中，多个感测单元中的每个可以包括具有不同线圈尺寸的线圈，以便手持式磁感应断层成像装置可以支持不同深度处的测量，而不必使手持式磁感应断层成像装置上的感测单元互换。
在一些实施方案中，手持式磁成像断层成像装置可以包括一个或多个电部件和/或机械部件，其可以用来支持手持式磁成像断层成像装置的操作。例如，手持式装置可以包括一个或多个电部件，诸如，电源(例如，一个或多个电池)、RF能量源(例如，振荡器电路)、用于驱动感测单元并获得线圈测量值的测量电路、用于控制手持式装置的各种方面的一个或多个处理器(例如，微处理器)、用于存储线圈测量值的一个或多个存储器装置、一个或多个定位装置(例如，用于确定手持式装置的位置和/或取向的光学传感器、电磁传感器或其他运动传感器)，以及一个或多个通信装置。
在一些实施方案中，一个或多个电部件可以设置在手持式装置的外壳内，诸如，手持式装置的外壳内的一个或多个印刷电路板。一个或多个电部件和/或机械部件可以在外壳中与至少一个感测单元隔开，以减少至少一个感测单元与一个或多个电部件和/或机械部件之间的电磁干扰。在特定实施形式中，手持式装置可以包括用于将至少一个感测单元与手持式装置的一个或多个电部件和/或机械部件隔开的屏障。
在一些实施方案中，用于支持手持式装置的操作的一个或多个电部件和/或机械部件可以位于远程站处。例如，上述电部件中的一个或多个可以位于远程站处，以减少与至少一个感测单元的干扰。手持式装置可以使用合适的通信接口(诸如，任何合适的有线或无线通信接口或其组合)与位于远程站处的一个或多个电部件通信。在特定实施形式中，远程站可以位于可移动推车或其他可移动设备上，以有利于当手持式装置对标本执行测量时将远程站放置在手持式装置附近。
根据本发明的特定方面，磁感应断层成像系统还可以包括定位系统，其被配置成针对由手持式装置执行的每个线圈测量来获得定位数据。定位系统可以被配置成确定指示用于生成标本的电磁性质图的每个线圈测量的位置和/或取向的数据。
在一个实施方案中，定位系统可以包括光学定位系统。光学定位系统可以使用红外传感器、激光器和/或一个或多个相机或其他图像捕获装置中的一个或多个，以当执行线圈测量时确定手持式装置的位置。例如，在一个实施形式中，定位系统包括至少一个相机，其被配置成在测量的执行期间捕获手持式装置的图像。图像可以被处理以识别图像中的手持式装置的位置。例如，可以使用图案识别技术基于位于手持式装置上的图案或反射元件来确定图像中的手持式装置的位置。基于图像中的手持式装置的位置，定位系统可以计算手持式装置的位置和/或取向，以及执行用于生成标本的电磁性质图的线圈测量的单个线圈的位置和/或取向。
在一些实施方案中，定位系统可以包括电磁定位系统。例如，定位系统可以包括低频(Pohemus)定位系统和/或雷达(UHF)定位系统。在一些实施方案中，定位系统可以包括声学定位系统，诸如，声纳定位系统。在其他实施方案中，来自手持式装置本身上的一个或多个传感器(例如，运动传感器、惯性传感器、激光器、深度传感器、相机等)的信号可以用来确定手持式装置相对于标本的位置和/或取向。
系统还可以包括图生成系统，其被配置成至少部分基于线圈性质测量值来生成标本的至少一部分的电磁性质图(例如，电导率图)。图生成系统可以位于手持式装置上或位于与手持式装置通信的远程站处。
根据特定实施方案，可以至少部分基于限定线圈测量值与标本的电磁性质分布之间的关系的模型来执行磁感应断层成像。在一个实施形式中，该模型为定量分析模型，描述了具有多个同心导电环的单个平面多环线圈的阻抗变化的实部(例如，欧姆损耗)，该变化由当用RF能量激励并且放置在具有任意的三维电导率分布的任意形状的物体附近时感应的涡电流导致。
利用该模型，可以使用多个线圈性质测量值为组织生成三维电磁性质图。例如，可以访问针对标本获得的多个线圈损耗测量值。每个线圈性质测量值可与相对于标本的多个离散位置中的一个相关联。位置数据可以与每个线圈性质测量值相关联。位置数据可以指示当执行测量时单个线圈的位置和取向。
一旦获得多个线圈性质测量值和相关联的位置数据，即可以使用模型来执行所得线圈性质测量值的反演，以获得三维电磁性质图，该图指示导致多个所得测量值的标本的电磁性质分布(例如，电导率分布)。在一个特定实施形式中，可以通过将标本离散化到有限元网格中来执行反演。非线性或约束最小二乘求解程序可以确定用于有限元网格的最可能导致多个所得线圈性质测量值的电磁性质分布。解出的电导率分布可以作为标本的三维电导率图输出。
用于磁感应断层成像的示例性系统
图1描绘用于对诸如人体组织或动物组织标本的标本110进行磁感应断层成像的示例性系统100。根据本公开的示例性方面，系统100包括手持式装置120，其具有至少一个感测单元125，以用于为磁感应断层成像获得线圈性质测量值。感测单元125可以包括单个线圈，其具有设置在印刷电路板上的一个或多个平面中的多个同心导电环。下文将参考图6和图7更详细地讨论根据本公开的示例性方面的用于磁感应断层成像的一个示例性线圈设计。
将参考具有一个感测单元的手持式装置120来讨论本公开的示例性方面，以用于说明和讨论目的。利用本文提供的公开内容，本领域的普通技术人员将理解，手持式装置120可以包括多个感测单元。每个感测单元可以包括单个线圈。与每个单个线圈相关联的独立测量值可以用于生成电磁性质图，如下文将更详细地讨论，而不依赖来自与其他感测单元相关联的线圈的测量值。
图1的手持式装置120可包括RF能量源(例如，振荡器电路)，其被配置成当感测单元125邻近标本110放置时利用在激励频率(例如，12.5MHz)下的RF能量激励感测单元125的线圈。感测单元125的被激励线圈可以生成磁场，这可以在标本110中感应涡电流。标本中的这些感应的涡电流可以导致感测单元125的线圈的线圈损耗(例如，阻抗变化)。手持式装置120可以包括电路和电部件(例如，测量电路)，以用于确定在相对于标本110的特定位置处的线圈性质测量期间与感测单元125的线圈相关联的线圈损耗。
在手持式装置120相对于标本110放置在多种不同位置和取向的同时，可以使用感测单元125的单个线圈来获得线圈性质测量值。收集的线圈性质测量值可以提供到图生成系统140(例如，被编程为从线圈测量值中生成电磁性质图的计算系统)，其中线圈性质测量值可以被分析以生成标本110的三维电磁性质图，例如，标本110的三维电导率图或三维电容率图。
根据本公开的特定方面，手持式装置120可以被手动地放置在多个离散位置处，以执行线圈性质测量。例如，医疗专业人员可以相对于标本110手动地放置手持式线圈装置120，以在相对于标本110的多个离散位置处获得线圈性质测量值。
图2描绘根据本公开的示例性实施方案的用于磁感应断层成像的手持式装置120的一个示例性实施方案的透视图。如图所示，手持式装置120包括外壳122，其用于储存和保护支持使用感测单元125获取线圈测量值的手持式装置120的各种部件(例如，电部件)。
图2的示例性手持式装置120包括形状因数，以有利于在线圈测量值的获取期间用手握持手持式装置120。例如，手持式装置120包括抓握部分124。如图2所示，抓握部分124可以包括一个或多个凹槽或沟道，以有利于用手抓握或握持手持式装置120。手持式装置120还包括形状因数，使得在操作时手抓握外壳的位置与感测单元125的单个线圈隔开阈值距离。例如，抓握部分124可以位于远离感测单元125的约0.5英寸到约6英寸的范围内，诸如远离感测单元约2英寸到4英寸，诸如远离感测单元约3英寸。这样，在利用手持式装置120执行测量的同时，技术人员的手与感测单元125之间的干扰可以减少。
根据本公开的示例性实施方案，手持式装置120描绘一个示例性形状因数，以有利于用手握持装置。利用本文中提供的公开内容，本领域的普通技术人员应理解，预期其他形状因数。例如，手持式装置120可以具有外壳，该外壳具有：第一部分，其具有适于贴合感测单元125的第一形状；和第二部分，其为在操作期间适于用手握持的不同形状(例如，圆柱形状)。
如图3所示，手持式装置120可以包括一个或多个电部件，以支持手持式装置120的操作。一个或多个电部件可以包括诸如电池的电源(未示出)、RF能量源410、处理器420、存储器装置422、测量电路430、通信装置450以及定位装置460。下文将参考图9更详细地讨论所选择的上述电部件的操作。
参考图3，RF能量源410(例如，振荡器电路)可以被配置成生成RF能量以用于激励感测单元125的线圈。处理器420可以被配置成控制电路400的各个方面并且处理由电路400获得的信息(例如，由测量电路430获得的信息)。处理器420可以包括任何合适的处理装置，诸如，数字信号处理器、微处理器、微控制器、集成电路或其他合适的处理装置。存储器装置422可以被配置成存储由手持式装置120收集的信息和数据。例如，存储器装置422可以被配置成存储由感测单元125获得的线圈测量值。存储器装置422可以包括一个或多个类别的有形非暂时性计算机可读介质的单个或多个部分，包括但不限于RAM、ROM、硬盘驱动器、闪盘驱动器、光学介质、磁介质或其他存储器装置。测量电路430可以被配置成获得感测单元125的单个线圈的线圈测量值。下文参考图9详细地讨论示例性测量电路的细节。
图3的定位装置460可以包括用于支持在执行线圈测量时确定手持式装置120的位置和/或取向的一个或多个传感器的电路。例如，定位装置460可以包括运动传感器(例如，加速计、罗盘、磁强计、陀螺仪等)以及提供指示手持式装置120的取向的信号的其他合适的传感器。此外，手持式装置120可以包括可用于确定手持式装置120到标本的深度或距离的深度传感器(例如，激光传感器、红外传感器、图像捕获装置)。来自定位装置460的信号可以用于确定与每个线圈测量值相关联的位置和/或取向。
通信装置450可以用于将信息从手持式装置120传送到远程位置，诸如，远程计算装置。通信装置可以包括例如发射器、接收器、端口、控制器、天线，或者用于通过有线和/或无线网络从手持式装置120传送信息的其他合适部件。
支持手持式装置120的操作的各种电部件可以设置在手持式装置120的外壳122内的印刷电路板405上。如图3所示，一个或多个电部件可以与感测单元125隔开阈值距离D，以便减少一个或多个电部件与感测单元125之间的干扰。在特定实施方案中，阈值距离D可以在约0.5英寸到约4英寸的范围内，诸如远离约2英寸到3英寸，诸如约2英寸。
如图3所示，手持式装置120还可以包括屏障408。屏障408可以由导电材料或高介电常数无损耗材料制成。屏障408可以将感测单元125与支持手持式装置120的操作的电部件隔开，以进一步减少电部件与感测单元125之间的电磁干扰。穿过屏障408的导电通路412和414可以用于将信号从感测单元125传送到支持手持式装置120的操作的电部件。
支持手持式装置的操作的电部件中的一个或多个以及磁感应断层成像系统的其他部件可以位于远离手持式装置120的位置。例如，如图1所示，图生成系统140位于手持式装置120的远程。图生成系统140可以被配置成基于由手持式装置120获得的测量值来生成一个或多个电磁性质图，如下文将更详细地讨论。图生成系统120可以位于可移动推车170或其他装置上，以使图生成系统120便携。手持式装置120可以被配置成通过通信接口122与图生成系统140通信。通信接口122可以是任何合适的有线或无线接口或者有线和无线链路的组合。
为了生成标本110的准确的三维电磁性质图，需要将位置数据与手持式装置120所获得的线圈性质测量值相关联。位置数据可以指示线圈125的位置(例如，如由x轴、y轴和z轴相对于标本110限定)以及线圈125的取向(例如，相对于标本110的倾角)。根据本公开的示例性实施方案的磁感应断层成像系统100包括定位系统，以确定与手持式装置120所获得的测量值相关联的位置数据。
根据本公开的各方面的一个示例性定位系统包括光学定位系统。例如，定位系统可以包括置于标本110上方的至少一个相机135。相机135可以被配置成在手持式装置120获得标准110的测量值时捕获手持式装置120的图像。相机可以在多种波长或光谱下捕获图像，包括紫外光谱、红外光谱或可见光谱中的一个或多个波长。
由相机135捕获的图像可以被处理以确定手持式装置120和感测单元125的位置。在一些实施方案中，手持式装置120也可以包括位于线圈装置120的表面上的图形。图2中描绘一个示例性图形128。当执行多个线圈性质测量时，图像捕获装置135可以捕获图形128的图像。图像可以被处理以基于图像中的图形的位置来确定手持式装置120的位置。在特定实施形式中，相机135可以包括远心镜头以减小由视差效应导致的误差。其他合适的光学定位系统可以用来确定手持式装置120的位置，诸如，基于红外线的系统、基于激光的系统或者其他合适的系统。
例如，在一个实施方案中，手持式装置120可以包括附接到手持式装置120的外部的反射标记。反射标记可以被配置成反射可见光、紫外光、红外光或其他合适的光。手持式装置120可以具有形状因数，使得在操作期间将反射标记维持在相机135的视线内。例如，反射标记可以位于与感测单元125相对的表面上，以便在利用手持式装置120执行测量时反射标记在相机135的视线内。在一个实施方案中，反射标记设置在与感测单元125的相关联轴线平行的轴线上。反射标记可以设置在距感测单元125最大距离的手持式装置120的表面上。
相机135可以捕获手持式装置120的图像。定位系统可以至少部分基于由相机135捕获的手持式装置120的图像中的反射标记的位置来确定手持式装置的位置。
在一些实施方案中，定位系统可以包括电磁定位系统。例如，定位系统可以包括低频(Pohemus)定位系统和/或雷达(UHF)定位系统。在一些实施方案中，定位系统可以包括声学定位系统，诸如，声纳定位系统。
在一些实施方案中，手持式装置120可以包括一个或多个运动传感器(例如，三轴加速计、陀螺仪和/或其他运动传感器)和/或一个或多个深度传感器。单个线圈125相对于表面的取向可以使用来自运动传感器的信号来确定。例如，来自三轴加速计的信号可以用来确定在线圈性质测量期间感测单元125的取向。深度传感器可以用来确定从单个线圈到标本110的距离(例如，沿着z轴的位置)。深度传感器可以包括被配置成确定感测单元125相对于表面的位置的一个或多个装置。例如，深度传感器可以包括一个或多个激光传感器装置和/或声学位置传感器。在另一个实施形式中，深度传感器可以包括被配置成捕获标本110的图像的一个或多个相机。图像可以被处理以使用例如运动推断结构技术来确定到标本110的深度。
图生成系统140可以将线圈性质测量值与线圈位置和取向数据一起接收，并且可以处理数据以生成标本110的三维电磁性质图。在图1中，图生成系统140被描绘为位于手持式装置120的远程。然而，在其他实施方案中，图生成系统140可以被包括作为手持式装置120的一部分。
图生成系统140可以包括一个或多个计算装置，诸如，下列一个或多个：台式计算机、膝上型计算机、服务器、移动装置、带有一个或多个处理器的显示器，或者具有一个或多个处理器和一个或多个存储器装置的其他合适的计算装置。图生成系统140可以使用一个或多个联网的计算机(例如，在集群或其他分布式计算系统中)实现。例如，图生成系统140可以与一个或多个远程装置160通信(例如，通过有线或无线连接或网络)。
计算系统140包括一个或多个处理器142和一个或多个存储器装置144。一个或多个处理器142可以包括任何合适的处理装置，诸如，微处理器、微控制器、集成电路或其他合适的处理装置。存储器装置144可以包括一个或多个类别的有形非暂时性计算机可读介质的单个或多个部分，包括但不限于，RAM、ROM、硬盘驱动器、闪盘驱动器、光学介质、磁介质或其他存储器装置。图生成系统140还可以包括一个或多个输入装置162(例如，键盘、鼠标、触摸屏、触摸板、麦克风等)和一个或多个输出装置164(例如，显示器、扬声器等)。
存储器装置144可以存储指令146，所述指令在被一个或多个处理器142执行时导致一个或多个处理器142执行操作。图生成系统140可以适于充当专用机器，其通过访问指令146来提供所需的功能。指令146可以在硬件中或软件中实现。当使用软件时，可以使用任何合适的编程语言、脚本语言或其他类型的语言或语言的组合来实现本文所含的教导。
如图所示，存储器装置144可以存储指令146，所述指令在被一个或多个处理器142执行时导致一个或多个处理器142实现磁感应断层成像(“MIT”)模块148。MIT模块148可以被配置成实现本文所公开的用于使用单个线圈进行的磁感应断层成像的方法中的一个或多个，诸如，图10中公开的方法。
图1的一个或多个存储器装置144也可以存储数据，诸如，线圈性质测量值、位置数据、三维电磁性质图和其他数据。如图所示，一个或多个存储器装置144可以存储与分析模型150相关联的数据。分析模型150可以限定由单个线圈获得的线圈性质测量值与标本110的电磁性质分布之间的关系。下文将更详细地讨论示例性分析模型的特征。
MIT模块148可以被配置成接收来自输入装置162、来自线圈装置120、来自定位系统、来自存储在一个或多个存储器装置144中的数据或其他来源的输入数据。MIT模块148可以接着根据所公开的方法来分析这样的数据，并且经由输出装置164将诸如三维电磁性质图的可用输出提供给使用者。分析或者可以由一个或多个远程装置160实现。
本文所讨论的技术引用了计算系统、服务器、数据库、软件应用程序和其他基于计算机的系统以及所采取的动作和发送至和来自这样的系统的信息。利用本文提供的公开内容，本领域的普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有的灵活性允许部件之间的任务和功能的各种各样的可能配置、组合和分割。例如，本文所讨论的过程可以使用单个计算装置或组合地工作的多个计算装置来实现。数据库和应用程序可以在单个系统上实现或分布在多个系统中。分布式部件可以顺序地或并行地操作。
图4描绘根据本公开的示例性实施方案的可以由系统100使用手持式装置从多个线圈性质测量值中生成的一个示例性电导率图180。电导率图180可以基于手持式装置120所获得的测量值来提供图1的MIT模块148生成的三维电导率图的二维横截面视图。图4的电导率图180可以例如呈现在图1的计算系统140的输出装置164上。
图4的电导率图180提供了横切并露出椎管的患者的脊柱的横断图。电导率图180以厘米为单位沿着x轴、y轴和z轴绘制了电导率分布的图线。电导率图180包括标度182，其指示与单位为S/m的电导率的变化程度相关联的灰度色彩。如图所示，电导率图180示出了脊柱区域中的人体组织的区域的对比电导率，并且可以提供患者的脊柱区域的图像。
图5描绘根据本公开的示例性实施方案的可以由系统100使用单个线圈从多个线圈性质测量值中生成的另一个示例性电导率图190。电导率图190可以是基于手持式装置120所获得的测量值的由图1的MIT模块148生成的三维电导率图的二维横截面视图。图5的电导率图190可以例如呈现在图1的计算系统140的输出装置164上。
图5的电导率图190提供了偏移但平行于脊柱的患者的脊柱区域的矢状图。电导率图190以厘米为单位沿着x轴、y轴和z轴绘制了电导率分布的图线。电导率图190包括标度192，其指示与单位为S/m的电导率的变化程度相关联的灰度色彩。如图所示，电导率图190示出了脊柱区域中的人体组织的区域的对比电导率，并且可以提供患者的脊柱区域的图像。该切片横切并露出与肋骨到椎骨的横突的连接相关联的结构。电导率图180和电导率图190与其他视图一起可以提供患者的脊柱区域的不同图像，以用于诊断和其他目的。
用于单个线圈的示例性定量分析模型
现在将阐述一种用于从由手持式装置获得的多个线圈性质测量值中获得三维电导率图的示例性定量分析模型。定量模型开发用于任意电导率分布，但将电容率和磁导率视为空间上均匀的。定量分析模型开发用于包括多个同心圆环的线圈几何形状，所有圆环位于公共平面内且串联连接，其中瞬态电流被认为在沿着环的所有点处具有相同值。电导率分布被允许在空间上任意变化，同时寻求具有小电导率(＜10S/m)的限制的电场的解。假设保持无电荷状态，由此电场被视为具有零散度。在这些条件下，场仅取决于外部电流和涡电流。
定量分析模型可以将线圈的阻抗的实部(例如，欧姆损耗)的变化与各种参数相关联，这些参数包括标本的电导率分布、单个线圈相对于标本的位置和取向、线圈几何形状(例如，多个同心导电环中的每个的半径)和其他参数。下面提供一个示例性模型：
-Zre为线圈性质测量值(例如，线圈的阻抗损耗的实部)。μ为自由空间中的磁导率。ω为线圈的激励频率。ρk和ρj为每个相互作用的环对j、k的每个导电环j和k的半径。已知函数Q1/2为环函数或环面调和函数，其具有自变量ηj和ηk，如此处所示：
参照置于同心环的中心处使得环全都位于XY平面内的坐标系，ρ衡量从线圈轴线到标本内的点的径向距离，而z衡量从线圈平面到标本内的相同点的距离。
该模型引入电导率作为位置函数。积分可以使用有限元网格(例如，具有四面体元素)来评价，以生成多个线圈性质测量值的电导率分布，如下文将更详细地讨论。
用于磁感应断层成像的示例性线圈设计
现在将阐述接近于由示例性定量模型构思的线圈的示例性线圈设计。根据本公开的示例性方面的线圈可以包括布置在多层印刷电路板上的两个平面中的多个同心导电环。多个同心导电环可以包括位于第一平面内的多个第一同心导电环和位于第二平面中的多个第二同心导电环。第二平面可以与第一平面间隔开平面分隔距离。平面分隔距离可以被选择成使得线圈接近于在本文所公开的用于磁感应断层成像的示例性定量分析模型中构思的单平面线圈。
此外，多个导电环可以使用多条连接迹线串联连接。多条连接迹线可以布置成使得由连接迹线生成的对场的贡献可减小。这样，根据本公开的示例性方面的线圈可以表现出接近于彼此同心布置且位于相同平面中的多个圆环的行为。
图6描绘根据本公开的示例性方面的用于磁感应断层成像的示例性线圈200。如图所示，线圈200包括十个同心导电环。更具体地讲，线圈200包括设置在第一平面中的五个第一同心导电环210和设置在第二平面中的五个第二同心导电环220。第一同心导电环210和第二同心导电环220可以是在多层印刷电路板上的1mm或0.5mm的铜迹线。在一个示例性实施形式中，在任一平面中的五个同心导电环的半径分别设定为约4mm、8mm、12mm、16mm和20mm。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他合适的尺寸和间距。
如图所示，多个第一同心导电环210中的每个设置成使得它与多个第二同心导电环220中的一个重叠。此外，第一同心导电环210和第二同心导电环220可以间隔开平面分隔距离。平面分隔距离可以被选择成使得线圈200接近于由定量分析模型构思的同心环的单个平面。例如，平面分隔距离可以在约0.2mm至约0.7mm的范围内，诸如，约0.5mm。
多个第一导电环210可以包括第一最内导电环214。第一最内导电环214可以耦合到RF能量源。多个第二导电环220可以包括第二最内导电环224。第二最内导电环224可以耦合到基准节点(例如，接地节点或公共节点)。
线圈还包括多条连接迹线230，其用来串联连接第一同心导电环210和第二同心导电环220。更具体地讲，连接迹线230将多个第一同心导电环210彼此串联耦合，并且可以将多个第二同心导电环220彼此串联耦合。连接迹线230也可以包括连接迹线235，其将最外第一同心导电环212与最外第二同心导电环214串联耦合。
如在图7中更详细地示出，连接迹线230可以布置成使得源自连接迹线的场彼此相反。更具体地讲，连接迹线230可以径向对齐，使得位于第一平面中的多条连接迹线中的一条的电流与位于第二平面中的多条连接迹线中的一条的电流相反。例如，参考图7，布置在第一平面中的连接迹线232可以与第二平面中的连接迹线234几乎径向对齐。在连接迹线232中流动的电流可以与在连接迹线234中流动的电流相反，使得由连接迹线232和234生成的场彼此相反或抵消。
如图7中进一步示出，多个第一导电环210和第二导电环220中的每一个可以包括间隙240，以有利于使用连接迹线230连接导电环。间隙可以在约0.2mm至约0.7mm的范围内，诸如约0.5mm。
间隙240可以彼此偏移以有利于串联连接多个同心导电环210和220。例如，与多个第一同心导电环210中的一个相关联的间隙可以从与多个第一同心导电环210中的另一个相关联的间隙偏移。类似地，与多个第二同心导电环220中的一个相关联的间隙可以从与多个第二同心导电环220中的另一个相关联的间隙偏移。与第一同心导电环210中的一个相关联的间隙也可以从与多个第二同心导电环220中的一个相关联的间隙偏移。偏移的间隙可以不沿着与线圈200相关联的相同轴线。
图6和图7的线圈200可以提供由用于磁感应断层成像的定量分析模型构思的线圈的充分逼近。这样，使用线圈200进行的线圈性质测量可以用来生成感兴趣的标本(例如，人体组织标本)的三维电磁性质图。
图8描绘根据本公开的示例性方面的用于提供磁感应断层成像用线圈的示例性方法(300)的工艺流程图。图8描绘以特定次序执行的步骤以用于说明和讨论目的。利用本文提供的公开内容，本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所公开的方法中的任一者的步骤可以多种方式被修改、省略、重新安排、调整或扩展。
在(302)处，将多个第一同心导电环布置在第一平面中。例如，图6的线圈200的多个第一同心导电环210布置在多层印刷电路板的第一平面上。在图8的(304)处，将多个第二同心导电环布置在第二平面中。例如，图6的多个第二同心导电环220布置在多层印刷电路板的第二平面上。
第一平面和第二平面可以间隔开平面分隔距离。平面分隔距离可以被选择成使得线圈逼近在本文所公开的用于磁感应断层成像的分析模型中的同心导电环的单个平面。例如，平面分隔距离可以被选择成在约0.2mm至约0.7mm的范围内。
在(306)处，使用第一平面中的多条第一连接迹线串联连接多个第一同心导电环。在图8的(308)处，使用第二平面中的多条第二连接迹线串联连接多个第二同心导电环。连接迹线可以径向对齐以使得连接迹线生成的场彼此相反。例如，连接迹线可以被布置成使得多条第一连接迹线和多条第二连接迹线径向对齐以串联连接多个第一同心导电环和多个第二同心导电环，使得多条第一连接迹线中的一条的电流与多条第二连接迹线中的一条的电流相反。
在(308)处，该方法可以包括将位于第一平面中的第一最外导电环与第二平面中的第二最外导电环耦合，使得多个第一同心导电环和多个第二同心导电环串联耦合。例如，参考图6，第一最外导电环212可以与第二最外导电环222串联耦合。
在图8的(310)处，该方法可以包括将第一最内导电环耦合到RF能量源。例如，参考图6，多个第一同心导电环210的最内导电环214可以耦合到RF能量源。在图8的(312)处，第二最内导电环可以耦合到基准节点(例如，接地节点或公共节点)。例如，参见图6，多个第二同心导电环220的最内导电环224可以耦合到基准节点。
用于获得线圈性质测量值的示例性电路
图9描绘可以用来使用图6和图7的线圈200获得线圈性质测量值的示例性电路400的示意图。如图所示，图9的电路400包括RF能量源410(例如，振荡器电路)，其被配置成利用RF能量激励线圈200。RF能量源410可以是固定频率晶体振荡器，其被配置成将固定频率的RF能量施加到线圈200。固定频率可以是例如约12.5MHz。在一个示例性实施方案中，RF能量源410可以耦合到线圈200的多个第一同心导电环的最内同心导电环。线圈200的多个第二同心导电环的最内同心导电环可以耦合到基准节点(例如，公共或接地)。
电路400可以包括一个或多个处理器420，以控制电路400的各个方面并且处理由电路400获得的信息(例如，由测量电路430获得的信息)。一个或多个处理器420可以包括任何合适的处理装置，诸如，数字信号处理器、微处理器、微控制器、集成电路或其他合适的处理装置。
一个或多个处理器420可以被配置成控制电路400的各种部件，以便使用线圈200捕获线圈损耗测量值。例如，一个或多个处理器420可以控制与线圈200并联耦合的变抗器415，以便当线圈200邻近标本放置以用于线圈性质测量时驱动线圈200至共振或近共振。一个或多个处理器420也可以控制测量电路430，以便当线圈200邻近标本放置时获得线圈性质测量值。
测量电路430可以被配置成利用线圈200获得线圈性质测量值。线圈性质测量值可以指示由标本中感应的涡电流导致的线圈200的线圈损耗。在一个实施形式中，测量电路430可以被配置成测量线圈200的导纳变化的实部。线圈200的导纳变化的实部可以被转换为线圈200的阻抗变化的实部，作为导纳的倒数，以用于分析模型的目的。
线圈200的导纳可以采用多种方式测量。在一个实施方案中，测量电路430使用相移测量电路432和电压增益测量电路434来测量导纳。例如，测量电路430可包括得自美国模拟器件公司(Analog Devices)的AD8302相位和增益检测器。相移测量电路432可以测量在与线圈200相关联的电流和电压之间的相移。电压增益测量电路434可以测量在线圈200上的电压与和线圈200串联耦合的传感电阻器的电压之间的比率。线圈200的导纳可以基于由测量电路430获得的线圈200的相位和增益而导出(例如，由所述一个或多个处理器420导出)。
一旦已获得线圈性质测量值，一个或多个处理器420即可将线圈性质测量值存储在例如存储器装置中。一个或多个处理器420也可以使用通信装置440将线圈性质测量值通信至一个或多个远程装置以用于处理，从而生成标本的三维电磁性质图。通信装置440可以包括任何合适的接口或装置，以用于通过有线或无线的连接和/或网络将信息传送至远程装置。
用于磁感应断层成像的示例性方法
图10描绘根据本公开的示例性方面的用于磁感应断层成像的示例性方法(500)的工艺流程图。方法(500)可以由一个或多个计算装置实现，诸如，图1中描绘的图生成系统140的一个或多个计算装置。此外，图10描绘以特定次序执行的步骤以用于说明和讨论目的。利用本文提供的公开内容，本领域的普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，本文所公开的方法中的任一者的步骤可以多种方式被修改、省略、重新安排、调整或扩展。
在(502)处，该方法可以包括访问使用手持式装置在相对于标本的多个不同的离散位置处获得的多个线圈性质测量值。例如，多个线圈性质测量值可以从存储器装置访问，或可以接收自具有被配置成获得线圈性质测量值的单个线圈的线圈装置。线圈性质测量值可以是当单个线圈被用RF能量激励并且邻近标本放置在多个离散位置中的一个处时由单个线圈捕获的线圈损耗测量值。
在一个实施形式中，单个线圈可以包括多个同心导电环。例如，单个线圈可以具有布置在第一平面中的多个第一同心导电环和布置在第二平面中的多个第二同心导电环。多个同心导电环可以使用连接迹线进行连接，该连接迹线布置成具有对由线圈形成的场减小的影响。例如，单个线圈可以具有图6和图7中描绘的线圈200的线圈几何形状。
线圈性质测量值可以在相对于标本的多个离散位置处获得。每个线圈性质测量值可以在相对于标本的不同离散位置处获取。较大数目的线圈性质测量值可以导致从线圈性质测量值中生成三维电磁性质图的准确度增加。
在特定实施方案中，线圈性质测量值可以包括线圈性质测量值的多个不同的数据集。数据集中的每个可以通过使用单个线圈进行多个线圈性质测量来构建。单个线圈对于每个数据集可以是不同的。例如，相对于与其他数据集相关联的其他单个线圈中的任一个而言，每个数据集可以与具有不同的总体尺寸和/或外径的单个线圈相关联。可以在不同的时间获得数据集。数据集可以根据本公开的示例性方面被共同地处理，以生成如下文讨论的标本的电性质分布的三维图。
在图10的(504)处，该方法包括将位置数据与多个线圈性质测量值中的每个相关联。用于每次线圈性质测量的位置数据可以指示当线圈性质测量被执行时单个线圈相对于标本的位置和/或取向。位置数据可以在例如计算系统的存储器装置中与每个线圈性质测量值相关联。
可以采用多种方式获得位置数据。在一个实施形中，可以针对每次测量从与定位系统相关联的数据中获得位置数据，该定位系统被配置成在手持式装置用来获得测量值时确定手持式装置的位置和/或取向。此外，来自与手持式装置相关联的一个或多个传感器(例如，一个或多个运动传感器和一个或多个深度传感器)的信号也可以用来确定用于线圈性质测量的位置数据。
在(506)处，该方法包括访问分析模型，该模型限定由单个线圈获得的线圈性质测量值与标本的电磁性质之间的关系。例如，可以例如从存储器装置访问分析模型。在一个特定的实施形式中，分析模型将具有多个同心导电环的单个线圈的阻抗变化与标本的电导率分布关联。更具体地讲，分析模型可以将单个线圈的阻抗变化与多种参数关联。该参数可以包括标本的电导率分布、与每个线圈损耗测量值相关联的位置和取向，以及线圈的几何形状(例如，同心导电环中的每一个的半径)。关于示例性定量模型的细节在上文所讨论的用于单个线圈的示例性定量分析模型的讨论中给出。
在(508)处，该方法包括基于多个线圈性质测量值和相关联的位置数据来评价分析模型。更具体地讲，可以使用模型执行反演以确定最接近地导致多个线圈性质测量值的电导率分布。在一个示例性方面，可以通过将标本离散化到有限元网格中来执行反演。有限元网格可以包括多个多边形元素，诸如，四面体元素。有限元网格的形状和分辨率可以针对被分析的标本进行调整。就实用性而言，线圈位置数据可以用来避免将由线圈经过的空间的那些区域网格化，从而提高了效率。一旦为标本生成了有限元网格，便可以使用非线性或有约束的最小二乘求解程序来计算用于有限元网格的电导率分布。
更具体地讲，可为有限元网格计算多个候选的电磁性质分布。这些候选的电磁性质分布中的每一个可以使用诸如均方根误差的成本或目标函数进行评价。成本或目标函数可以至少部分地基于在所获得的线圈性质测量值与使用模型的理论线圈性质测量值之间的差值将成本分配给每个候选的电磁性质分布。具有最低成本的候选电磁性质分布可以被选择为标本的电磁性质分布。利用本文提供的公开内容，本领域的普通技术人员应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，其他合适的技术可以用来使用分析模型确定电磁性质分布。
在(510)处，可以基于使用反演算法识别的电磁性质分布来生成三维电磁性质图。三维性质图可以针对与标本相关联的多个三维点提供电磁性质分布(例如，电导率分布)。沿着三维电磁性质图的横截面的二维视图可以接着被捕获和呈现在例如显示装置上。电磁性质图的三维视图也可以被生成、旋转和呈现在例如显示装置上。
虽然本发明已经就其示例性具体实施方案进行了详细描述，但是将领会的是，本领域技术人员在获得前述内容的理解后可以容易地设想出这些实施方案的替代形式、变型形式和等同方案。因此，本公开的范围以举例方式而不是以限制方式提供，并且本主题公开不排除包括对本主题的此类修改形式、变型形式和/或添加，如对于本领域的普通技术人员将显而易见的。

Claims (15)

1.一种磁感应断层成像系统，其包括：
手持式磁感应断层成像装置，所述手持式磁感应断层成像装置包括外壳和至少一个感测单元，每个感测单元包括单个线圈，所述手持式磁感应断层成像装置被配置成当所述单个线圈被用RF能量激励并且邻近标本放置时获得与所述单个线圈相关联的线圈测量值；
定位系统，其被配置成确定与每个线圈测量值相关联的所述手持式磁感应断层成像装置的位置；以及
图生成系统，其被配置成至少部分基于与所述单个线圈相关联的所述线圈测量值来生成所述标本的至少一部分的电磁性质图；
其中所述外壳具有形状因数，以有利于在获得所述线圈测量值时用手握持，使得在操作时手抓握所述外壳的位置与所述单个线圈隔开阈值距离。
2.根据权利要求1所述的磁感应断层成像系统，其中所述阈值距离在约0.5英寸到约4英寸的范围内。
3.根据权利要求1所述的磁感应断层成像系统，其中所述手持式装置包括设置在所述外壳中的一个或多个电部件或机械部件。
4.根据权利要求3所述的磁感应断层成像系统，其中所述一个或多个电部件或机械部件包括下列一个或多个：所述图生成系统、RF能量源、一个或多个处理器、一个或多个存储器装置、一个或多个定位装置、一个或多个通信装置，或者测量电路。
5.根据权利要求3所述的磁感应断层成像系统，其中所述一个或多个电部件或机械部件与所述至少一个感测单元的所述单个线圈隔开阈值距离。
6.根据权利要求5所述的磁感应断层成像系统，其中所述阈值距离在约0.5英寸到约4英寸的范围内。
7.根据权利要求3所述的磁感应断层成像系统，其中所述手持式磁感应断层成像装置还包括屏障，所述屏障将所述至少一个感测单元的所述单个线圈与所述一个或多个电部件或机械部件隔开。
8.根据权利要求1所述的磁感应断层成像系统，其中所述手持式磁感应断层成像装置通过有线或无线通信接口与所述图生成系统通信。
9.根据权利要求1所述的磁感应断层成像系统，其中所述定位系统包括下列一个或多个：电磁定位系统、光学感测系统，或声学定位系统。
10.根据权利要求1所述的磁感应断层成像系统，其中所述定位系统被配置成确定与每个线圈测量值相关联的所述手持式装置的位置和取向。
11.根据权利要求1所述的磁感应断层成像系统，其中所述定位系统包括所述手持式磁感应断层成像装置上的一个或多个运动传感器或深度传感器。
12.一种手持式磁感应断层成像装置，其包括：
外壳，其具有形状因数以有利于用手握持；
至少一个感测单元，每个感测单元包括单个线圈；
一个或多个电部件，其与所述至少一个感测单元隔开足够的距离，以减少所述一个或多个电部件与所述至少一个感测单元之间的电磁干扰；
其中所述手持式磁感应断层成像装置被配置成当所述单个线圈被用RF能量激励并且邻近标本放置时从所述感测单元中获得线圈测量值。
13.根据权利要求12所述的手持式磁感应断层成像装置，其中所述一个或多个电部件包括下列一个或多个：图生成系统、RF能量源、一个或多个处理器、一个或多个存储器装置、一个或多个定位装置、一个或多个通信装置，或者测量电路。
14.根据权利要求13所述的手持式磁感应断层成像装置，其中所述一个或多个电部件与所述至少一个感测单元的所述单个线圈隔开阈值距离。
15.根据权利要求13所述的手持式磁感应断层成像装置，其中所述手持式磁感应断层成像装置还包括屏障，所述屏障将所述至少一个感测单元的所述单个线圈与所述一个或多个电部件手持式磁感应断层成像装置隔开。
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