一种非接触磁感应电阻抗扫描成像装置及成像方法

摘要

本发明公开一种非接触磁感应电阻抗扫描成像装置及成像方法，涉及生物医学成像领域，该装置主要用于检测人体疾病病灶的位置信息、病理信息及外观信息。该装置主要由信号激励模块、信号处理系统、控制系统和显示模块四部分组成。本发明主要的工作过程及效果是向被测组织一侧的激励线圈中施加正弦交变激励电流，使被测组织周围产生交变磁场，从而使被测组织因电磁感应产生交变涡流。通过覆盖被测组织另一侧的线圈阵列来进行检测，从而获得被测组织每一个断层内的信息，然后将所有的检测信息传入控制单元，从而实现对被测组织的三维检测。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学成像领域，特别涉及一种非接触磁感应电阻抗成像的扫描装置。

背景技术

磁感应电阻抗成像(Magnetic Induction Tomography,MIT)是一种新型电阻抗成像技术，是电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)技术的一个重要分支。与传统电阻抗技术相比，具有非接触，操作便捷，中心灵敏度高等优点。磁感应电阻抗成像根据涡流检测原理，获取组织电阻率(电导率)分布的成像，其主要原理是：将激励线圈通入交变电流，交变电流产生交变磁场，交变磁场在被测生物组织中感应涡流，此涡流电场将被测物周围产生极弱的二次磁场，再根据涡流密度和电导率的电磁关系，计算出生物组织中电导率的分布情况。

发明内容

本发明旨在提供一种适合应用于人体结对患者友好，能够应用于人体脑部疾病检测的非接触磁感应电阻抗成像扫描装置。

所述电阻抗成像扫描装置包括：线圈传感器阵列、信号处理与控制系统三部分组成。

一种非接触磁感应电阻抗成像方法，采用多通道检测，具体步骤包括：

(1)让患者平躺，然后将此扫描装置置于患者脑组织正上方；

(2)让置于患者脑组织下方的激励线圈通入正弦交变电流，患者脑组织上方的检测线圈阵列采集信息；

(3)将检测线圈阵列采集的信息传入计算机中，进行图像重建。

步骤(1)中采用通入正弦交流电的激励线圈产生激励磁场，所述线圈采用的盘状螺旋同轴多匝线圈。步骤(3)中主要利用检测线圈采集到的感应电压或相位信息实现图像重建。

作为另一种方案，本发明中的激励源也可以是多频激励源。

步骤(2)中具体采集数据的步骤：

(I)在空场的情况下，采集一组数据(Data0)；

(II)患者躺入扫描架之后，采集数据(Data1)；

(III)通过数据再处理，得到(Data1-Data0)；

(IIII)对数据进行滤波，重建。

本发明的技术效果是：具有无辐射、便携性强、中心灵敏度高、非接触、多参数、能够反映人体代谢信息、便于一些疾病的早期诊断等。该装置可实现人体任何被测组织的扫描成像，在针对人体脑组织作为检测的主要目标时，其装置阵列(轨道)尺寸和人体头部尺寸大小相近，具有很强的便携性。

附图说明

图1为磁感应电阻抗成像的原理示意图。

图2为磁感应电阻抗成像的检测系统结构图。

图3为线圈阵列扫描方式示意图。

图4为单线圈轨道阵列扫描方式示意图。

图5为单线圈轨道方式中设置一个检测线圈的示意图。

图6为单线圈轨道方式中设置多个检测线圈的示意图。

图中：1、显示模块；2、信号处理系统；3、控制系统；4、激励模块；5、激励线圈；6、检测线圈；7、骨架；8、检测线圈滑轨；9、骨架滑轨。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以脑组织为例并结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明基于磁感应电阻抗成像的原理提出，附图1示出了该成像原理的示意图，该原理已在背景技术中做出说明。附图2示出了MIT检测系统组成图，其中主要由显示模块1、信号处理系统2、控制系统3、激励模块4、线圈装置五部分组成，线圈包括激励线圈和检测线圈，本系统通过激励模块4给激励线圈提供激励信号，使其产生激励磁场，通过检测线圈连接信号处理系统2，对检测的信号进行处理，进而通过计算机显示模块1将按照一定算法处理之后的信号(图像)显示出来。控制系统3是针对不同的扫描系统按照预设方式进行控制从而实现不同位置方向的数据采集。基于上述原理，本发明提供一种能方便的对脑组织进行扫描，并实现图像重建的非接触式磁感应电阻抗成像装置。主要的工作过程是向脑组织底部的激励线圈中施加正弦交变激励电流，使脑组织周围产生交变磁场，从而使脑组织因电磁感应产生交变涡流。通过两种方式将检测线圈覆盖于脑组织上方的进行检测，从而获得脑组织的生理信息，然后将检测信息传入信号处理系统2，从而实现对脑组织的三维检测。

该装置主要实现方式：如图3，4所示，包括激励线圈和检测线圈，分别设置在患者脑组织的正下方和正上方，设有正弦激励模块，与激励线圈相连接，向激励线圈通入交变电流。包括感应信号检测模块，与检测线圈相连接，接收检测线圈收到的感应信号。包括AD转换模块，与感应信号检测模块相连接，用于将感应信号检测模块的感应信号转换为数字信号。包括控制单元，与AD转换模块和正弦激励模块相连接，接收AD转换模块的数字信号并实现对正弦激励模块的控制。包括显示模块，与控制单元相连接，用于显示重建图像。其中，重建图像一方面基于脑组织在高频磁场中感应出磁场的幅值大小来进行病理信息检测，另一方面基于脑组织检测信号相对于激励信号的相位差信息来进行图像的重建。显示模块既可以以相位作为检测目标参数，也可以幅值作为检测目标参数。相位测量方法是基于矢量三角形，通过检测感应磁场相对于初级磁场的偏移角度来对病理信息进行检测，是对磁场虚部信息的表达，即Im(ΔB/B)，反映了目标组织(导体)的电导率的信息；幅值测量方法是基于矢量三角形，通过直接检测二次磁场的大小来对目标组织(导体)进行检测。相较于相位，由于二次磁场的大小相比于初级磁场小很多，因此通过幅值的检测往往对系统本身的灵敏度、抗噪性等参数要求更高。

本发明通过控制单元实现对成像装置的整体控制，并通过接收检测线圈采集的信息，利用检测线圈采集到的幅值和相位信息实现图像重建。本发明采用通入正弦交流电的激励线圈产生激励磁场，激励线圈采用螺旋状同轴多匝线圈。本发明中的激励源可以为电压源或电流源。进一步的，可采用单一频率或多个频率的电压源，或单一频率或多个频率的电流源。激励线圈可以为任意的激励形态，复合线圈、双激励、外置磁场放大装置均可。为了实现对脑组织多参数的信息采集，本发明设有多个检测线圈，形成检测线圈阵列或单线圈轨道，线圈阵列为m*n，线圈轨道为m*1，其中m，n为自然数，且m≥1，n≥2。其可以沿被测组织的不同方位沿任意轮廓进行曲面排布。相应的，本发明检测线圈阵列和感应信号检测模块通过多路开关或运动控制装置进行控制，实现对检测线圈阵列的多路信号采集。其中采用多路开关电路对检测线圈阵列进行依次检测可以是串行结构，也可以通过多个检测通道同时检测的并行结构。检测线圈阵列的固定方式主要是固定于一个曲面内侧或通过类似铁轨的轨道进行固定，这个骨架采用硬度高，对人体无害，且耐用的有机玻璃或者树脂材料进行制作。检测线圈的数量和线圈自身参数(线圈的线径，缠绕半径，材料等)可以通过电磁和传感器仿真来进行设计，一方面考虑检测线圈自身的感应电压灵敏度和相位灵敏度、激励线圈的谐振频率等，另一方面要考虑线圈所采集的数据量是否能够满足图像的重建需求。

需要进一步说明的是，本发明单线圈轨道中检测线圈6采用两种方式设置，其中一种设置方式是将多个检测线圈成一定间隔二维分布在骨架7内部环面，所有检测线圈6同时接收激励线圈5的信号，得到所有检测线圈6所在二维平面的扫描信息。当骨架7在骨架滑轨9上移动时，即可实现移动区域的三维扫描。具体参见附图5。该扫描方式是在某一个断层内，通过嵌入轨道内部的检测线圈6在运用运动控制装置的作用下，沿检测线圈滑轨8的轨迹进行运动，从而得到某一断面内的不同检测点的信息。

而作为更进一步的改进，参加附图6，在骨架7内部环面只设有一个检测线圈6，同时在骨架7的内部环面设有沿骨架7的环面设置的检测线圈滑轨8，检测线圈6设置在该检测线圈滑轨8内，并经驱动可在检测线圈滑轨8内滑动。对被测组织进行检测时，检测线圈6被驱动在检测线圈滑轨8内移动，来实现二维平面的扫描，同时通过骨架7在骨架滑轨9上移动时，即可实现移动区域的三维扫描。该扫描方式和线圈阵列方式均是通过继电器等开关电路来实现对检测点通路的控制，这个控制即可沿上述扫描轨迹以此导通检测点的串联结构，也可以同时导通所有检测点的并行结构进行扫描。

由于扫描装置自身对被测电磁场测量会产生影响，在该部分主要采取金属屏蔽盒的方式来进行电磁屏蔽。该装置主要运行方式如下：首先通入激励源，采集空场信息；然后将人体脑组织置入扫描系统中。然后检测线圈进行扫描，得到相位或者幅值信息。通过上位机将两组数据做差，进行图像重建。具体采集数据的步骤：(I)在空场的情况下，采集一组数据(Data0)；(II)患者躺入扫描架之后，采集数据(Data1)；(III)通过数据再处理，得到(Data1-Data0)；(IIII)对数据进行滤波，重建。在对所述成像体进行重建时，线圈阵列扫描方式仅通过开关电路控制采集的数据即可三维检测所需数据量，单线圈轨道扫描方式需要单线圈轨道通过沿其所在平面法向量方向进行移动，从而满足三维检测所需数据量。整个扫描采集的过程可以是串行扫描(检测线圈采集的数据按照一定次序依次传入计算机)，也可以是并行扫描(检测线圈采集的数据一次传入计算机)。本发明设有运动控制装置，用于控制激励线圈沿任意特定轨迹进行移动，以增加检测线圈获得的数据量，该运动控制装置可以为：计算机在运动控制卡(单片机)控制下，对步进电机或其他机械结构对单线圈轨道进行控制，主要是控制其移动速度和移动方向，以此实现不同组织(导体)三维重建对数据采集量的不同要求。

作为本发明中不同的实施方式，线圈阵列扫描方式控制结构简单，仅需要通过开关电路和计算机软件的编程即能够实现，并且扫描时间远远优于单线圈轨道，且没有任运动控制装置，较为便携。但是线圈阵列扫描方式中线圈与线圈间的相互影响和检测点个数的限制对检测具有影响。单线圈轨道扫描方式相比于线圈阵列具有检测点个数可以通过运动模块进行控制，然后通过检测点的增加从而在一定程度上改善图像重建所带来的病态性问题；另外由于线圈个数的减少，线圈与线圈之间产生的电磁干扰能够明显减少。但是，该种装置在实际应用中伴随着三维运动控制装置较为笨重，因此对装置本身的便携性有一定影响；另一方面在电磁场检测中，随着时间的不同，获得的检测数据的精度也不同，而此种扫描方式并不能通过后续控制电路的改进进而实现检测通道的同步检测。