CN117547242B - 磁感应断层成像设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种磁感应断层成像设备，其中，发射线圈模块，包括第一发射线圈组和第二发射线圈组；激励模块，用于激励发射线圈模块生成施加到成像目标的主激励场；测量线圈模块，用于基于成像目标的次级磁场，生成测量信号；次级磁场为成像目标基于主激励场生成；处理电路，用于将测量信号传输至成像模块；成像模块，用于根据测量信号，生成成像目标的磁感应断层图像。采用本申请的磁感应断层成像设备对成像目标进行测量成像。由于主激励场平行于测量线圈所在平面，很大程度上削弱了主激励场对次级磁场的测量产生影响，从而提高了测量和成像的准确性。

Description

磁感应断层成像设备

技术领域

本申请涉及医学图像技术领域，特别是涉及一种磁感应断层成像设备。

背景技术

磁感应断层成像(Magnetic induction tomography, MIT)为非侵入式无接触成像技术，其应用于工业成像和医疗成像中。与其它电成像技术不同， MIT 并不需要传感器直接接触相关物体来成像。它不使用电极，通过交变磁场作为媒介，利用激励线圈和测量线圈，在不接触被测目标的情况下，检测目标的电导率分布或其变化，并以图像显示。

现有技术中，通过分布在被测目标周围的多个线圈进行磁感应断层成像，多个线圈包含激励线圈和测量线圈。通过切换激励线圈方式，在各个方位上施加磁场激励，然后在剩余方位用测量线圈检测目标物因电磁感应而引起的磁通量的变化（检测信号），通过重建算法，就可以重建出被测物电导率分布的断面图像。

然而，由于测量线圈测量的磁通量同时包含激励线圈产生的主磁场和目标物感应出的次级磁场，且感应磁场强度要远弱于主磁场。因此，采用现有技术的线圈排布方式时测量精度较低，存在成像准确性差的问题。

另外，现有技术能够获得的测量数据个数，是由激励线圈个数×测量线圈个数确定的，如果要增加必须改变系统的结构。所以不方便灵活调节测量数据个数。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高成像准确性的磁感应断层成像设备。

本申请提供了一种磁感应断层成像设备，包括发射线圈模块、与发射线圈模块相连的激励模块、测量线圈模块、与所述测量线圈模块相连的处理电路以及成像模块；其中，

所述发射线圈模块，包括第一发射线圈组和第二发射线圈组；

所述激励模块，用于激励所述发射线圈模块生成施加到成像目标的主激励场；

所述测量线圈模块，包括预设数量个测量线圈；各测量线圈处于同一预设平面，所述预设平面垂直于所述第一发射线圈中心所处的平面和所述第一发射线圈中心所处的平面；用于基于所述成像目标的次级磁场，生成测量信号；所述次级磁场为所述成像目标基于所述主激励场生成；

所述处理电路，用于将所述测量信号传输至所述成像模块；

所述成像模块，用于根据所述测量信号，生成所述成像目标的磁感应断层图像。

在其中一个实施例中，所述第一发射线圈组包括第一发射线圈以及第二发射线圈；

所述第一发射线圈的法向量与所述第二发射线圈的法向量相互平行。

在其中一个实施例中，所述第二发射线圈组包括第三发射线圈以及第四发射线圈；

所述第三发射线圈的法向量与所述第四发射线圈的法向量相互平行。

在其中一个实施例中，所述第一发射线圈所在平面与所述第三发射线圈所在平面相互垂直；

所述第二发射线圈所在平面与所述第四发射线圈所在平面相互垂直。

在其中一个实施例中，所述第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈以及第四发射线圈的尺寸相同。

在其中一个实施例中，所述第一发射线圈和第二发射线圈构成的第一发射线圈组、第三发射线圈和第四发射线圈构成的第二发射线圈组，分别构成赫姆霍兹线圈。

在其中一个实施例中，所述第一发射线圈与所述第二发射线圈之间的距离，等于发射线圈的半径；

所述第三发射线圈与所述第四发射线圈之间的距离，等于发射线圈的半径。

在其中一个实施例中，所述激励模块分别与所述第一发射线圈组和第二发射线圈组连接；

所述激励模块向所述第一发射线圈组输入第一激励电流；

所述激励模块向所述第二发射线圈组输入第二激励电流；

通过调整第一激励电流以及第二激励电流，调整主激励场的磁场矢量方向。

在其中一个实施例中，预设数量个所述测量线圈在所述预设平面等间距的围成圆形。

在其中一个实施例中，所述预设数量为16个。

上述磁感应断层成像设备，包括发射线圈模块、与发射线圈模块相连的激励模块、测量线圈模块以及与测量线圈模块相连的处理电路；其中，发射线圈模块，包括第一发射线圈组和第二发射线圈组；激励模块，用于激励发射线圈模块生成施加到成像目标的主激励场；测量线圈模块，包括预设数量个测量线圈；各测量线圈处于同一预设平面，预设平面垂直于两个激励线圈组，因其分别构成两个正交的赫姆霍兹线圈，使主激励磁场近似与测量线圈所在平面平行，故主磁场在测量信号中占比很小；基于成像目标的次级磁场，因目标的不规则形状（内部电导率分布也不规则）而在三维方向都有分量，故测量线圈可以获得非平行的磁场分量引起的磁通量变化，生成测量信号；次级磁场为成像目标基于主激励场生成；处理电路，用于根据测量信号，生成成像目标的磁感应断层图像。采用本申请的磁感应断层成像设备对成像目标进行测量成像。由于主激励场平行于测量线圈所在平面，很大程度上削弱了主激励场对次级磁场的测量产生影响，从而提高了测量和成像的准确性。

而且，通过更改激励电流的角度，可以增大激励的个数，即使不改变测量线圈的数量，也能灵活增大总的测量数据个数。这有利于获得更好的重建图像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中磁感应断层成像设备的磁通密度仿真图；

图2为一个实施例中磁感应断层成像设备的结构框图；

图3为一个实施例中发射线圈模块中发射线圈的位置关系示意图；

图4为一个实施例中赫姆霍兹线圈产生标准磁场的示意图；

图5为一个实施例中发射线圈模块产生磁矢量方向为0°的主激励场的示意图；

图6为一个实施例中发射线圈模块产生磁矢量方向为45°的主激励场的示意图；

图7为一个实施例中测量线圈模块中测量线圈的位置关系示意图；

图8为一个实施例中发射线圈模块和测量线圈模块的示意图；

图9为现有技术中磁感应断层成像设备中各测量线圈接收到的测量信号随电导率变化的趋势图；

图10为一个实施例中本申请的磁感应断层成像设备的测量线圈模块中，各测量线圈接收到的测量信号随电导率变化的趋势图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

磁感应断层成像(Magnetic induction tomography, MIT)，也被称为电磁层析成像、涡流成像等，是一种非接触的电阻抗断层成像技术。尽管磁感应断层成像与电阻抗断层成像技术类似，都是以重建被测区域内部电导率分布为目标，但磁感应断层成像的不同点在于其向被测区域施加的是磁场激励而非电场激励。因磁感应断层成像的非接触特性，较电阻抗断层成像而言具有独特的优势。目前磁感应断层成像已广泛用于金属成分检测、液态金属杂质检测、二相流可视化等工业领域。鉴于磁场激励较电场激励的独特优势，磁感应断层成像在生物医学领域也具有广泛应用前景。

磁感应断层成像检测的基本原理是法拉第电磁感应理论。首先，向检测区域施加一个交变磁场；然后，在感应区内存在具有电磁特性的物质时，会形成感应涡流，从而产生二次磁场；最后，利用排列在检测区域外部的磁场探测器采集磁感应断层成像数据，对数据完成处理之后，利用图像重建算法即可得到磁感应断层成像图像。磁感应断层成像作为一种新型的电磁成像技术，在生物医学成像领域具有广阔应用前景。

在一个示例性的实施例中，如图1所示，图1为现有技术中磁感应断层成像设备的磁通密度仿真图。

图1中的16个线圈中，选取任意1个线圈作为发射线圈，其余15个线圈作为测量线圈。在发射线圈中供应交流电流以便生成初级磁场，即主激励场。初级磁场在成像目标中感应出涡流；由成像目标中的涡流而生成次级磁场，并由测量线圈测量次级磁场，生成测量信号。通过切换发射线圈的方式，在各个方位上施加初级磁场，然后在剩余方位用测量线圈测量成像目标引起的次级磁场。根据测量线圈测量信号变化，就可以得到二维平面上的电导率分布信息。然后通过重建算法，就可以重建出成像目标电导率分布的断面图像。

然而，现有技术中多个线圈分布在成像目标的周围的线圈排列方式，导致主激励场信号量B远大于次级磁场信号量ΔB，次级磁场的强度要远弱于主激励场，在大小上数量级差异在10e-6 数量级，动态范围很大，精确检测难度很大。

有鉴于此，本申请的一个实施例中提供了一种磁感应断层成像设备200，如图2所示，该磁感应断层成像设备200包括发射线圈模块201、与发射线圈模块201相连的激励模块202、测量线圈模块203、与测量线圈模块203相连的处理电路204以及成像模块205。

其中，发射线圈模块201，包括第一发射线圈组和第二发射线圈组。第一发射线圈组和第二发射线圈组，分别由若干个发射线圈组成。

激励模块202，用于激励发射线圈模块201生成施加到成像目标的主激励场。激励模块202供应交流电流给发射线圈以生成施加到成像目标的主激励场，且控制发射线圈以根据预先限定的信号强度和信号周期来运作。

其中，成像目标可以为生物医学领域的需要进行测量成像的对象，例如人体的脑部、腹部、心脏等器官和组织。

测量线圈模块203，包括预设数量个测量线圈。各测量线圈处于同一预设平面，预设平面与发射线圈模块201产生的主激励场所在的平面平行。测量线圈模块203用于基于成像目标的次级磁场，生成测量信号。次级磁场为成像目标基于主激励场产生涡流而生成的次生磁场。

处理电路204，用于将测量信号传输至所述成像模块205。

成像模块205，用于根据测量信号，生成成像目标的磁感应断层图像。具体地， 成像模块205用于根据测量信号获取成像目标的电导率分布信息。然后通过重建算法，重建出成像目标电导率分布的断面图像。

本实施例中，提供了一种磁感应断层成像设备，该设备包括发射线圈模块、与发射线圈模块相连的激励模块、测量线圈模块、与测量线圈模块相连的处理电路以及成像模块。其中，发射线圈模块，包括第一发射线圈组和第二发射线圈组；激励模块，用于激励发射线圈模块生成施加到成像目标的主激励场；测量线圈模块，包括预设数量个测量线圈。各测量线圈处于同一预设平面，预设平面与发射线圈模块产生的主激励场所在的平面平行；用于基于成像目标的次级磁场，生成测量信号。次级磁场为成像目标基于主激励场生成。处理电路，用于将测量信号传输至所述成像模块。成像模块，用于根据测量信号，生成成像目标的磁感应断层图像。采用本申请的磁感应断层成像设备对成像目标进行测量成像。由于主激励场平行于测量线圈所在平面，很大程度上削弱了主激励场对次级磁场的测量产生影响，从而提高了测量和成像的准确性。而且，通过更改激励电流的角度，可以增大激励的个数，即使不改变测量线圈的数量，也能灵活增大总的测量数据个数。这有利于获得更好的重建图像质量。

在一个示例性的实施例中，发射线圈模块中包括4个发射线圈，其位置关系如图3所示。

其中，第一发射线圈组包括第一发射线圈301以及第二发射线圈302；第一发射线圈301的法向量与第二发射线圈302的法向量相互平行。第二发射线圈组包括第三发射线圈以及第四发射线圈；第三发射线圈303的法向量与第四发射线圈304的法向量相互平行。

第一发射线圈301所在平面与第三发射线圈303所在平面相互垂直；第二发射线圈302所在平面与第四发射线圈304所在平面相互垂直。第一发射线圈301、第二发射线圈302、第三发射线圈303以及第四发射线圈304的尺寸相同。第一发射线圈301与第二发射线圈302之间的距离，等于发射线圈的半径。第三发射线圈303与第四发射线圈304之间的距离，也等于发射线圈的半径。

第一发射线圈组（第一发射线圈301和第二发射线圈302）和第二发射线圈组（第三发射线圈303和第四发射线圈304）均为赫姆霍兹线圈。

赫姆霍兹线圈(Helmholtz coil)是针对电气和电子产品的磁场抗扰度试验的特点和要求而专门设计的高可靠性测试线圈，它由两个结构、大小完全相同且彼此平行的共轴圆形线圈组成，两个线圈内电流方向一致、大小相同，两线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径。赫姆霍兹线圈的磁场分布特点为：两线圈中间是近似均匀磁场，通电电流越大，磁场强度也越大，两端磁场方向往外发散开，如图4所示。赫姆霍兹线圈可以用于产生标准磁场。

本实施例中，通过对发射线圈模块中发射线圈的位置关系、尺寸以及种类的设置，使得发射线圈模块中的线圈可以产生出磁感应断层成像所需的主激励场，从而能够进行后续的测量和成像。

在一个示例性的实施例中，激励模块分别与发射线圈模块中的多个发射线圈组连接。发射线圈模块中发射线圈组的个数和测量线圈模块中测量线圈的个数，可以根据需要获取的测量信号的个数确定。

示例性地，激励模块分别与第一发射线圈组和第二发射线圈组连接。激励模块向第一发射线圈组输入第一激励电流，激励模块向第二发射线圈组输入第二激励电流，通过调整第一激励电流以及第二激励电流，调整主激励场的磁场矢量方向。

示例性地，调整磁场矢量方向的方法如下：

首先定义0°方向为第二发射线圈组的法向。方向由第三发射线圈指向第四发射线圈。

如公式（1）所示，激励模块向第一发射线圈组输入第一激励电流：

I₀=I×sin(DEG_C/180×π)× cos(ωt) （1）

其中，I为激励模块输入电流的最大模值，ω为激励电流的频率，DEG_C为主激励场的磁矢量方向。

如公式（2）所示，激励模块向第二发射线圈组输入第二激励电流：

I₁=I×cos(DEG_C/180×π) × cos(ωt) （2）

其中，I为激励模块输入电流的最大模值，ω为激励电流的频率，DEG_C为主激励场的磁矢量方向。

如图5所示，若需要磁矢量方向为0°时，即DEG_C=0°，则向第一发射线圈组输入的第一激励电流I₀=0; 向第二发射线圈组输入的第二激励电流I₁=I × cos(ωt)。此时，磁矢量方向为0°。

如图6所示，若需要磁矢量方向为45°时，即DEG_C=45°，则向第一发射线圈组输入的第一激励电流I₀= I×sin(45/180×π)× cos(ωt); 向第二发射线圈组输入的第二激励电流I₁= I×cos(45/180×π) × cos(ωt)。此时，磁矢量方向为45°。

主激励场的磁矢量方向DEG_C的取值为0°-360°范围内的任意值。通过选取不同的取值间隔，可以得到多个施加到成像目标的主激励场。

本实施例中，激励模块分别与第一发射线圈组和第二发射线圈组连接；激励模块向第一发射线圈组输入第一激励电流；激励模块向第二发射线圈组输入第二激励电流；通过调整第一激励电流以及第二激励电流，调整主激励场的磁场矢量方向。采用这种方式，便于得到磁感应断层成像所需的，各种磁场矢量方向的主激励场。

在一个示例性的实施例中，如图7所示，测量线圈模块的预设数量个测量线圈在预设平面等间距的围成圆形。

从图7可以看出，测量线圈的预设数量可以为16个。实际应用中，也可以根据测量成像的需求在预设平面布置更多或更少测量线圈。测量线圈所处的预设平面，与发射线圈模块产生的主激励场所在的平面平行。

通过本实施例中的方式布置测量线圈，可以使得测量线圈模块基于成像目标的次级磁场，生成的测量信号更加准确，从而处理电路可以根据测量信号得到更加准确的磁感应断层图像。

在一个示例性的实施例中，如图8所示，图8为一个实施例中发射线圈模块和测量线圈模块的示意图。

本实施例中，测量线圈模块共有16个测量线圈，测量线圈的法向量一致并排列在一个圆上，同时测量线圈法向和两组发射线圈法向垂直（即发射线圈所产生的磁场平行于测量线圈平面）。

在控制测量线圈的法向量一致的情况下，测量线圈数量可以增加，发射线圈的数量也可以根据需求增加。

在一个示例性的实施例中，如图9-图10所示。

图9为现有技术中磁感应断层成像设备中各测量线圈接收到的测量信号随电导率变化的趋势图。图10为本申请的实施例的磁感应断层成像设备的测量线圈模块中，各测量线圈接收到的测量信号随电导率变化的趋势图。

其中，纵轴表示测量线圈得到的测量信号的电相位，横轴表示成像目标的电导率。现有技术中的测量信号中，变化最大的测量信号从0S/m电导率至3S/m电导率变化了-47×10^-6 弧度，即-2.69m°。本申请实施例的测量信号中，变化最大的测量信号从0S/m电导率至3S/m电导率变化了2.25弧度，即128.9°。由此可知，本申请的磁感应断层成像设备，测量信号的变化量远大于现有技术，通过对成像目标的扫描，得到一组电相位随成像目标的电导率变化的数据，应用图像重建算法，可取得更加准确的成像目标内电导率分布的图像。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种磁感应断层成像设备，其特征在于，所述磁感应断层成像设备包括发射线圈模块、与发射线圈模块相连的激励模块、测量线圈模块、与所述测量线圈模块相连的处理电路以及成像模块；其中，

所述发射线圈模块，包括第一发射线圈组和第二发射线圈组；

所述激励模块，用于激励所述发射线圈模块生成施加到成像目标的主激励场；

所述测量线圈模块，包括预设数量个测量线圈；各测量线圈处于同一预设平面，所述预设平面垂直于所述第一发射线圈组的中心所处的平面和所述第二发射线圈组的中心所处的平面；用于基于所述成像目标的次级磁场，生成测量信号；所述次级磁场为所述成像目标基于所述主激励场生成；所述预设平面与所述发射线圈模块产生的主激励场所在的平面平行；所述第一发射线圈组包括第一发射线圈以及第二发射线圈；所述第一发射线圈的法向量与所述第二发射线圈的法向量相互平行；所述第二发射线圈组包括第三发射线圈以及第四发射线圈；所述第三发射线圈的法向量与所述第四发射线圈的法向量相互平行；所述第一发射线圈所在平面与所述第三发射线圈所在平面相互垂直；所述第二发射线圈所在平面与所述第四发射线圈所在平面相互垂直；

所述处理电路，用于将所述测量信号传输至所述成像模块；

所述成像模块，用于根据所述测量信号，生成所述成像目标的磁感应断层图像。

2.根据权利要求1所述的磁感应断层成像设备，其特征在于，

所述第一发射线圈、第二发射线圈、第三发射线圈以及第四发射线圈的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的磁感应断层成像设备，其特征在于，

所述第一发射线圈和第二发射线圈构成的第一发射线圈组、第三发射线圈和第四发射线圈构成的第二发射线圈组，分别构成赫姆霍兹线圈。

4.根据权利要求2所述的磁感应断层成像设备，其特征在于，

所述第一发射线圈与所述第二发射线圈之间的距离，等于发射线圈的半径；

所述第三发射线圈与所述第四发射线圈之间的距离，等于发射线圈的半径。

5.根据权利要求1所述的磁感应断层成像设备，其特征在于，

所述激励模块分别与所述第一发射线圈组和第二发射线圈组连接；

所述激励模块向所述第一发射线圈组输入第一激励电流；

所述激励模块向所述第二发射线圈组输入第二激励电流；

通过调整第一激励电流以及第二激励电流，调整主激励场的磁场矢量方向。

6.根据权利要求1所述的磁感应断层成像设备，其特征在于，

预设数量个所述测量线圈在所述预设平面等间距的围成圆形。