CN1635391A - 一种阻抗成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种阻抗成像方法，利用激励线圈产生交变场，根据电磁感应原理在成像目标中产生感应电流，影响激励交变场的分布，采用磁共振成像技术测量成像目标中的磁场分布。采用上述方法的成像装置包括激励线圈、磁共振成像磁体、射频发射线圈及梯度线圈、磁共振信号接受线圈、磁共振成像系统、激励电流源和计算机。激励线圈为一对亥姆霍兹线圈，安装在开放式磁共振成像系统射频线圈的上下极板处。本发明避免了电极的接触阻抗及摆放位置对成像目标阻抗分布图像的影响，克服了类似绝缘体的组织产生的注入电流难以穿过的缺点，削弱了由场分布求解阻抗分布这一逆问题的病态性以及解决成像分辨率的问题，并可克服接受线圈对成像目标内部反应不敏感的缺陷。

Description

一种阻抗成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种医学成像方法，特别涉及一种利用磁共振成像技术和磁感应原理的阻抗成像方法及装置。

背景技术

磁感应断层成像(简称MIT)是基于不同的生物组织具有不同的电导率、介电常数等电磁特性这一基本原理的一种成像方法。如图1所示，当生物组织被置于由激励线圈1所产生的激励磁场B中时，在其中便感应出不同的涡流，这时由接受线圈2感应到的存在生物组织时的磁场B_R和不存在生物组织时的磁场B与组织的电导率和介电常数的关系为：

$\frac{B_R-B}{B}\∝\mathrm{\ω}({\mathrm{\ω\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r-\mathrm{j\σ})$

这里，ω为激励磁场的角频率，ε₀为真空的介电常数，ε_r为相对介电常数， $j=\sqrt{-1},$ σ为电导率。通过测量得到B_R和B，根据相应的重建算法就可以重建组织的阻抗分布图像。这种成像方法存在的问题是：(1)测量由成像目标内部的感应电流所产生的扰动场是非常困难的。由于检测线圈放在成像目标的周围，因此对于成像目标内部的感应电流产生的扰动场是不敏感的，因此该检测线圈检测到的数据在很大程度上反应的是成像目标表面感应电流产生的扰动场；(2)这种成像方法的重建算法通常采用类似CT成像中的反投影算法，这种近似是非常不精确的；(3)在成像目标周围放置的检测线圈数目是有限的，因此其分辨率的提高也受到很大的限制。

利用磁共振成像技术可以检测成像目标中磁场的分布，其基本原理是施加在成像物体上的电流(稳恒电流或射频电流)产生的与主磁场平行的磁场分量将影响磁共振图像的相位，这种相位差异被相位编码捕获。其检测方法是在一个标准的自旋回波序列中施加一个双极性电流脉冲，这时施加的电流脉冲产生的平行于主磁场方向的磁通密度就被编码在磁共振图像的相位上，此时得到磁共振复图像为：

           M_cB(x，y)＝M_B(x，y)exp[jγB_zT_C+jφ_c]

这里，M_B(x，y)为横向磁化矢量，φ_C是系统本身的固有相位，γ为旋磁比，B_z：为激励线圈在组织中产生磁场的沿主磁场方向的分量，T_C为激励磁场施加时间。同时对于没有激励磁场的情况有

           M_c(x，y)＝M(x，y)exp(jφ_c)

则由激励电流的感应场所引起的磁共振图像的相位变化为

           φ(x，y)＝γB_z(x，y)T_c

比较两次成像过程所得到的图像的相位，就可以得到两次成像的相位变化φ(x，y)，从而就可以从上式中可以求出B_z(x，y)。将成像目标旋转，可以得到另外两个方向上的磁场分布B_x(y，z)，B_y(x，z)，从而得到激励场在成像目标中分布B(x，y)。再由麦克斯韦方程 $\mathrm{\μ}\stackrel{\mathrm{\ρ}}{J}=\▿\×\stackrel{\mathrm{\ρ}}{B}$ 可以得到成像目标中的电流密度分布。这种方法测量电流密度的分辨率可以达到1μA/mm²。这种利用磁共振成像方法测量磁场分布，进而得到电流密度分布的方法被称为磁共振电流密度成像，简称MRCDI。

基于这种利用磁共振成像技术测量成像目标中的电流密度分布的方法，专利号为US6,397,095 B1一项美国专利提出了一种MRCDI技术结合阻抗断层成像(EIT)技术的磁共振阻抗断层(MR-EIT)成像方法，成像目标放置在由磁共振成像磁体产生的强磁场B₀中，电缆被固定在成像目标上，并与电流源和电压测量设备连接，用来向成像目标中注入电流和测量成像目标的表面电压。显示设备用来显示获得的图像，磁共振成像系统用来控制磁共振成像序列。这样，利用测得的表面电压和成像目标内部的电流密度分布，应用等电位线反投影方法重建成像目标的阻抗分布图像。这种采用注入电流的方法存在一些问题，主要是：(1)在成像目标表面放置的电极存在接触阻抗，因此，电极的摆放情况在很大程度上影响到阻抗分布图像；(2)如果成像目标内存在电流屏蔽，例如人脑部中的颅骨，则注入电流就很难通过，从而影响成像效果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：(1)、克服MR-EIT的电极与成像目标的接触而导致的接触阻抗及摆放位置对成像目标阻抗分布图像的影响，以及避免出现类似绝缘体的组织产生的注入电流难以穿过的问题；(2)、克服MIT的由场分布求解阻抗分布这一逆问题的病态性以及解决成像分辨率的问题，为此本发明提出一种MRCDI技术和磁感应原理相结合的实现生物组织的阻抗成像方法及其设备。

本发明的技术解决方案是：一种磁共振磁感应阻抗成像方法，其特点在于：它利用感应激励线圈产生交变场，根据电磁感应原理在成像目标中产生感应电流，采用磁共振成像技术测量成像目标中的磁场分布。

上述方法的原理是：

首先用电磁辐射测量仪测量得到感应激励线圈在无成像目标时成像区域的磁场及电场分布，作为系统参数存储。在成像过程中，磁共振成像系统的成像序列通过谱仪系统控制感应激励线圈的电流通断，在进行磁共振成像的相位编码时施加激励磁场，由于电磁感应现象及成像目标中各部分的电磁特性的差异，成像目标中各部分的磁场便产生了差异，这些差异通过相位编码反映在磁共振图像的相位上，与不施加激励磁场时获得的磁共振信号比较，得到两种情况下磁共振信号的相位差异，根据这个相位的差异由方程ΔΦ＝γBT_C可以得到在激励磁场作用下成像目标中的磁场分布H(r)，进而重建成像目标的阻抗分布图像。

重建原理描述如下：

设激励线圈激发的时谐电磁波的角频率是ω，电磁场满足麦克斯韦方程组

         ×E＝iωμH                               (1)

         ×H＝J_s+σ^*E                              (2)

其中σ为电导率，ε为介电常数，μ为磁导率，σ^*＝σ-iωε为复介电常数，E为电场强度，H为磁场强度，J_s为激励源电流密度，将(1)式两端求旋度，并将(2)式代入(1)式有

         ××E-iωμσ^*E＝iωμJ_s                (3)

将(3)式两端减去iωμσ_b ^*E，并整理可得

         ××E-iωμσ_bE＝iωμJ_s+iωμΔσ^*E    (4)

其中

${\mathrm{\Δ\σ}}^{*}={\mathrm{\σ}}^{*}-{\mathrm{\σ}}_b^{*}$

并矢电格林函数满足的方程为

         ××G^e-iωμσ_bG^e＝ Iδ(r-r′)                 (6)

其中

$G^e(r,r^{\′})=[\stackrel{\‾}{I}+\frac{{\▿}^{\′}{\▿}^{\′}}{K^2}]g(r,r^{\′})$

$g(r,r^{\′})=\frac{e^{-k|r-r^{\′}|}}{4\mathrm{\π}|r-r^{\′}|}$

$K^2=\mathrm{i\ω\μ}{\mathrm{\σ}}_b^{*}$

则有

$E=E_b+\mathrm{i\ω\μ}\underset{V}{\∫}{G}^e(r,r^{\′})\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}^{*}E\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}---\left(7\right)$

对(7)式两边求旋度，并考虑(1)式，有

$H=H_b+\underset{V}{\∫}{G}^h(r,r^{\′})\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}^{*}E\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}---\left(8\right)$

         G^h(r，r′)＝×G^e(r，r′)

令

         J(r)＝Δσ^*E(r)                                   (9)

将(9)代入(7)和(8)，可得如下方程

$E\left(r\right)=E_b\left(r\right)+\mathrm{i\ω\μ}\underset{V}{\∫}{G}^e(r,r^{\′})J\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}---\left(10\right)$

$H\left(r\right)=H_b\left(r\right)+\underset{V}{\∫}{G}^h(r,r^{\′})J\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}---\left(11\right)$

由于H(r)可以通过磁共振方法测得，H_b(r)可以在测量之前通过刻度获得，因此由(11)可以求出J(r)，由于E_b(r)也可以在测量之前通过刻度获得(H_b(r)和E_b(r)作为系统参数保存，测量一次后可以重复使用)，将J(r)代入(10)求出E(r)，由(9)获得Δσ^*(r)，进而由(5)得到σ^*(r)，从而可以得到成像目标的阻抗分布图像，亦可得到成像目标的介电常数分布图像。

采用上述方法的磁共振感应成像装置，其特点在于：它由感应激励线圈、磁共振成像磁体、射频发射线圈及梯度线圈、磁共振信号接受线圈、磁共振成像系统、激励电流源和计算机组成，磁共振成像系统包括成像谱仪、射频功放和梯度电源。射频发射线圈一般采用平面线圈，安装在磁共振成像磁体的上下极板上，用来产生激发成像目标中的氢质子而发生共振。梯度线圈一般也安装在磁共振成像磁体的上下极板，用来对成像目标的空间位置进行编码。接受线圈罩在成像目标的外面，用来接受磁共振的回波信号，不同的成像目标可以有不同的接受线圈。磁共振成像磁体、射频发射线圈、梯度线圈及磁共振信号接受线圈放在射频屏蔽室内，磁共振成像系统和激励电流源放在射频屏蔽室外，通过电缆与射频发射线圈、梯度线圈、磁共振信号接受线圈以及感应激励线圈相连接。成像序列通过计算机输入到成像谱仪，成像谱仪根据成像序列控制射频功放和梯度电源从而实现对射频线圈和梯度线圈的控制，并通过控制激励电流源实现对激励线圈控制，磁共振信号接受线圈将接受到的信号传递到成像谱仪，由成像谱仪预处理后传递到计算机进行图像重建。

感应激励线圈为一对亥姆霍兹线圈，安装在开放式磁共振成像系统上下极板的射频线圈上方，用于产生交变激励磁。激励电流源在磁共振成像系统的驱动单元利用磁共振谱仪的一路控制信号经过功率放大实现，它为激励线圈提供电。电源端电压为120V，最大输出电流为80A。设激励线圈间距为400mm，则半径亦为400mm，由Φ5mm的粗铜线绕制，匝数为10匝，激励电流为80安培，则在20cm球的成像区域内可产生约20Gs均匀度为0.3％的磁场，这个磁场足以引起磁共振信号的相位变化。

感应激励线圈在成像兴趣区域产生平行于主磁场方向的均匀交变磁场，目的是使激励线圈在成像兴趣区域产生的磁场在主磁场以外的两个方向上的磁场分量尽可能小到可以忽略，这样在测量感应激励线圈在成像目标中产生的磁场时，可以用沿主磁场方向的磁场分量代替，从而在测量过程中不需要旋转激励线圈和成像目标。

本发明方法的具体操作步骤描述如下：

(1)、感应激励线圈加电，利用电磁辐射测量仪测量得到感应激励线圈在没有成像目标时成像区的磁场分布H_b(r)和电场分布和E_b(r)，将H_b(r)和E_b(r)作为系统参数保存在计算机中。

(2)、放入成像目标，在感应激励线圈不加电的情况下，利用磁共振成像系统和自旋回波成像序列，得到不存在激励场时的磁共振信号，通过傅立叶变换可以得到此情况下成像目标的相位图像Φ₁(x，y)。

(3)、放入成像目标，在感应激励线圈加电的情况下，利用磁共振成像系统和相应的自旋回波成像序列，(与不加电时的成像序列相比，不同之处在于相位编码的同时施加激励磁场)，得到在激励场存在的情况下的磁共振信号，通过傅立叶变换可以得到此种情况下成像目标的相位图像Φ₂(x，y)。

(4)、对两次磁共振图像的相位进行比较，可得到这两种情况下磁共振图像的相位差异ΔΦ(x，y)＝Φ₂(x，y)-Φ₁(x，y)，根据方程ΔΦ(x，y)＝γB(x，y)T_C计算得到成像目标中的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布，根据亥姆霍兹线圈的特性，感应激励线圈产生的激励场可近似由该分量代替。

(5)、根据方程(9)～(11)揭示的电导率和磁场分布的关系，重建成像目标的阻抗分布图像。

本发明具有以下特点：

本发明避免了电极与成像目标的接触，因此可避免电极的接触阻抗及摆放位置对成像目标阻抗分布图像的影响，又可避免出现类似绝缘体的组织产生的注入电流难以穿过的问题。

本发明可以获取更丰富的数据量，在很大程度上削弱了由场分布求解阻抗分布这一逆问题的病态性以及解决成像分辨率的问题，又可以解决接受线圈对成像目标内部反应不敏感的问题。

此外本发明在重建算法上充分考虑到激励场在非均匀介质中的分布问题，在理论上比反投影重建算法更能真实反映客观问题。

附图说明

图1是磁感应成像原理图，1为激励线圈，2为接受线圈，3为成像目标，4为内部组织；

图2是应用本发明方法的磁共振磁感应成像装置的具体实施方式的示意图，其中10为感应激励线圈，20为磁共振成像磁体、射频发射线圈及梯度线圈，30为磁共振信号接受线圈，40为磁共振成像系统，50为激励电流源，60为计算机。

具体实施方式

图2为应用本发明方法的磁共振磁感应成像装置的具体实施例。如图2所示：

一对亥姆霍兹式的感应激励线圈10安装在磁共振成像磁体上下极板射频线圈的上方，两个线圈之间的间距等于线圈的半径，此实施例中半径＝间距＝400mm，由Φ5mm的粗铜线绕制，匝数为10匝，激励电流为80安培，则在20cm球的成像区域内可产生约20Gs均匀度为0.3％的磁场。对磁共振谱仪的一路控制信号进行功率放大作为激励线圈的电流源50，该电流源的端电压为120V，最大输出电流80A。磁共振成像系统40包括成像谱仪、射频功放和梯度电源。

其工作过程为：成像序列通过计算机60输入到成像谱仪，成像谱仪根据成像序列控制射频功放和梯度电源从而实现对射频线圈和梯度线圈的控制，并通过控制激励电流源50实现对激励线圈10控制，磁共振信号接受线圈30将接受到的信号传递到成像谱仪，由成像谱仪预处理后传递到计算机60进行图像重建。激励线圈10在成像兴趣区域产生平行于主磁场方向的均匀交变磁场，激励线圈的工作频率为2KHz。在进行磁共振成像的相位编码时，通过激励线圈施加激励磁场，由于电磁感应现象及成像区域中各部分的电磁特性的差异，成像区域中各部分的磁场便产生了差异，这些差异通过相位编码反映在磁共振图像的相位上，与不施加激励磁场时获得的磁共振信号比较得到在这两种情况下的磁共振信号的相位差异ΔΦ，根据这个相位的差异由方程ΔΦ＝γBT_C可以得到在激励磁场作用下成像目标中的磁场分布H(r)，再根据方程(9)～(11)重建成像目标的阻抗分布图像。

具体操作步骤描述如下：

1、激励电流源50给感应激励线圈10加电，用电磁辐射测量仪测量在没有成像目标时的成像区域的电场和磁场分布，并保存在计算机60中。

2、将成像目标放入成像区域内，施加自旋回波成像序列，得到激励磁场不存在时的磁共振图像。

3、将成像目标放入成像区域内，感应激励线圈10加电，施加自旋回波成像序列，得到激励磁场存在时的磁共振图像。

4、比较两次磁共振图像的相位，得到激励磁场在成像目标中的分布。

5、根据方程(11)计算得到成像目标中的电流密度分布。

6、根据方程(10)计算得到成像目标中的电场分布。

7、根据方程(9)计算得到成像目标和空气的复电导率之差。

8、根据方程(5)计算得到成像目标的复电导率。从而得到成像目标的阻抗分布图像。

本发明方法采用感应激励的方式有效避免了成像目标中绝缘物质的屏蔽效应，利用磁共振成像的方式测量磁场在成像目标中的分布，可以有效解决外部测量对成像目标内部反映不均匀的问题，同时测量得到的数据量丰富，在得到磁场分布的同时还可以得到成像目标的结构信息，有效提高了重建图像的精度，使成像质量向前迈了一大步。

Claims (3)

1、一种阻抗成像方法，其特征在于首先用电磁辐射测量仪测量得到感应激励线圈在无成像目标时成像区域的磁场及电场分布，作为系统参数存储；在成像过程中，磁共振成像系统的成像序列通过磁共振谱仪系统控制感应激励线圈的电流通断，在进行磁共振成像的相位编码时施加激励磁场，由于电磁感应现象及成像目标中各部分的电磁特性的差异，成像目标中各部分的磁场便产生了差异，这些差异通过相位编码反映在磁共振图像的相位上，与不施加激励磁场时获得的磁共振信号比较，得到两种情况下磁共振信号的相位差异，根据这个相位的差异由方程ΔΦ＝γBTC可以得到在激励磁场作用下成像目标中的磁场分布H(r)，进而重建成像目标的阻抗分布图像。

2、按照权利要求1所说的阻抗成像方法，其特征在于此方法的操作步骤为：

(1)、感应激励线圈加电，利用电磁辐射测量仪测量得到感应激励线圈在没有成像目标时成像区的磁场分布H_b(r)和电场分布和E_b(r)，将将H_b(r)和E_b(r)作为系统参数保存在计算机中；

(2)、放入成像目标，在感应激励线圈不加电的情况下，利用磁共振成像系统和自旋回波成像序列，得到不存在激励场时的磁共振信号，通过傅立叶变换可以得到此情况下成像目标的相位图像Φ1(x，y)；

(3)、放入成像目标，在感应激励线圈加电的情况下，利用磁共振成像系统和相应的自旋回波成像序列，得到在激励场存在的情况下的磁共振信号，通过傅立叶变换可以得到此种情况下成像目标的相位图像Φ2(x，y)；

(4)、对两次磁共振图像的相位进行比较，可得到这两种情况下磁共振图像的相位差异ΔΦ(x，y)＝Φ2(x，y)-Φ1(x，y)，根据方程ΔΦ(x，y)＝γB(x，y)TC计算得到成像目标中的激励磁场在主磁场方向的磁场分量分布，根据亥姆霍兹线圈的特性，感应激励线圈产生的激励场可近似由该分量代替；

(5)、根据方程(9)～(11)揭示的电导率和磁场分布的关系，重建成像目标的阻抗分布图像。

3、应用权利要求1或2所说的阻抗成像方法的装置，包括磁共振成像磁体、射频线圈及梯度线圈、磁共振信号接受线圈(30)、磁共振成像系统(40)和计算机(60)，其特征在于它还包括感应激励线圈(10)、激励电流源(50)；感应激励线圈(10)为一对亥姆霍兹线圈，安装在开放式磁共振成像系统上下极板的射频线圈上方；激励电流源(50)用磁共振谱仪的一路控制信号进行功率放大实现。

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