专利名称：张量生物磁感应成像的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于无损测量生物组织电导率分布的电磁成像方法，涉及一种张量生物磁感应成像的方法和装置。
背景技术：
生物医学工程领域中的电磁成像技术有接触式和非接触式两类。现有的接触式电磁成像技术，包括注入电流电阻抗成像(Applied CurrentElectrical Impedance Tomography，简称ACEIT)和感应电流电阻抗成像(Induced Current Electrical Impedance Tomography，简称ICEIT)。前者如美国发明专利US5919142，采用电极作为激励器和测量器。后者如土耳其中东技术大学电气与电子工程学院Gencer小组报导的六线圈感应电流电阻抗成像系统(参见文献Gencer NG，Inder YZ，Willamson SJ.Electricalimpedance TomographyInduced-current imaging achieved with a miltiple coilsystem[J].IEEE Trans BME，1996，43(2)139-149.)，采用线圈作为激励器，电极作为接收器。这两种成像方法共同存在的局限是必须通过贴在体表的电极来测量电压。
非接触方式测量电导率分布的磁感应成像方法(Magnetic InductionTomography，简称MIT)，如俄罗斯发明专利RU2129406，与上述两种方法(ACEIT和ICEIT)相比，MIT的主要优势在于激励测量系统与生物体表间无物理接触，电流通过电磁感应深入生物组织内部，无高阻屏蔽层的影响；独立测量数据量可以通过移动激励、测量阵列得到有效地增加，从而改善成像的质量。
然而，上述两类电磁成像方法都是假定生物组织的电导率是分区均匀且各向同性的，而事实上大多数生物组织的电学特性都是各向异性的，特别是头部颅骨以及骨骼肌和心肌等组织，各向异性程度更为严重。依据各向同性组织模型得到的断层图像必然偏离真实情况，从而大大限制了该技术的临床应用范围。因此，若要更真实地全面反映生物组织的结构和功能，必须突破各向同性的假设，解决三维各向异性条件下信号的驱动检测问题，实现张量断层成像，研究开发测量各向异性生物组织的张量电导率分布的电磁成像方法和装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种非接触式的、准确测量各向异性生物组织电导率分布、据此进行图像重构的张量生物磁感应成像(Tensor MagneticInduction Tomography，简称TMIT)方法及其装置。
本发明张量生物磁感应成像方法，是将激励器产生频率f的交变磁场B0作用于被检测的生物组织，在生物组织内部产生涡流，由该涡流感生出的感生磁场ΔB改变了原磁场的强弱，感生磁场ΔB和交变磁场B0在接收器上感应出感生电流ΔI和交变电流I0，以及相应的感生电压ΔU和交变电压U0。在弱扰动的情况下，ΔU/U0正比于jωk，ω＝2πf为交变磁场B0的角频率，π为圆周率，j为虚单位，j2＝-1，复电导率k＝σ+jωε，ε为介电常数，σ为电导率，二者均为实数，则有jωk＝-ω2ε+jωσ，这样，电导率σ反映在ΔU/U0的虚部中，从而获得生物组织的电导率信息。本发明激励器和测量器与生物组织不接触，由于认定生物组织的电导率是各向异性的，生物组织的阻抗是张量，因其阻抗不同而涡流强度和分布不同，致使接收线圈中的电压和感抗也发生变化，测得的感生电压ΔU也是张量。通过感生电压ΔU张量反映生物组织的阻抗分布，据此进行图像重构，图像重构算法采用滤波反投影法。
本发明张量生物磁感应成像方法，采用多个激励器和测量器，放置于被测生物组织周围且不与其接触。其中每个激励器由信号发生器、信号放大器和相互正交的三轴激励线圈组成，而每个测量器由相互正交的三轴接收线圈和电压放大器组成。每个激励器和测量器的三轴分线圈互相对应，即三轴激励线圈的各个分线圈TX、TY和TZ与三轴接收线圈的各个分线圈RX、RY和RZ分别对应平行。
本发明张量生物磁感应成像方法，由每个激励器中的三轴激励线圈给生物组织施加一定频率的交变电磁场，用每个测量器中的三轴接收线圈交叉接收，得到生物组织表面的9个分量的感生电压信号，即共轴信号TZRZ，共面信号TXRX、TYRY，正交信号TXRY、TXRZ、TYRX、TYRZ、TZRX、TZRY，从而获得9个分量张量电导率信息。
本发明张量生物磁感应成像方法，激励器有m个，m的数值为2-16；测量器有n个，n的数值为8-200，这样可以获得m×n×9个分量的张量电导率信号，据此进行图像重构。
本发明张量生物磁感应成像装置，激励器组和测量器组各自包括多个激励器和测量器。每个激励器由信号发生器、放大激励信号的信号放大器和激励线圈组成。每个测量器由接收线圈和放大测量信号的电压放大器组成。与测量器顺序相连的是数据采集器、微型计算机、图像重构器和显示器。上述激励器中的激励线圈和测量器中的接收线圈均为正交的三轴线圈，激励线圈的各个分线圈和接收线圈的各个分线圈互相对应而且平行。
激励器和测量器的构造可以是分体式的或整体式的。整体式激励器将信号发生器、信号放大器和激励线圈制成整体，分体式则将激励线圈与其余部分分开。整体式测量器是其接收线圈与电压放大器合为一体，分体式测量器是二者分开。
本发明张量生物磁感应成像装置中，为了消除激励线圈和接收线圈与生物组织可能发生的电场耦合，将激励器和测量器置于静电屏蔽罩中并且屏蔽罩接地，以减小涡流损耗。
本发明张量生物磁感应成像，由于所得生物组织电导率是张量，与现有技术常规磁感应成像系统相比，可以更为精确的获得各向异性生物组织的电导率分布及其图像。
图1张量生物磁感应成像装置的原理2激励器的构成3三轴激励线圈图4测量器的构成5三轴接收线圈图6实施例一和实施例二的激励器与接收器在假想球面和半球面上的布置7实施例三的激励器与接收器在假想圆柱面上的布置图具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明张量生物组织磁感应成像方法及其装置的实施例。
实施例一激励线圈和测量线圈安装在假想球面上本发明张量生物组织磁感应成像方法的具体实施步骤如下(1)设备的固定部件安装将本发明张量生物组织磁感应成像装置的固定部件，即数据采集器60、微型计算机70、图像重构器80、显示器90顺序联接，组成可运行系统；(2)安装激励线圈和接收线圈首先请参见图6，生物组织200(图中未表示)被假想球面100包围且二者保持距离不接触。假想球面100表面按地球仪似地划分经线和纬线。图中表示了0度纬线(赤道)、北纬30度纬线N30、北纬60度纬线N60、南纬30度纬线S30、南纬60度纬线S60共5条纬线；以及0度经线，东经45度经线E45、东经90度经线E90、西经45度经线W45、西经90度经线W90共5条经线。图中还表示了北极NP和南极SP，以及经线与纬线的部分交点，如东经45度经线E45与北纬60度纬线N60的交点是N60E45，与0度纬线的交点是0E45。西经45度经线W45与北纬60度纬线N60的交点是N60W45。依此类推，东经90度经线E90自北而南与各纬线的交点是N60E90、N30E90、0E90、S30E90、S60E90。西经90度经线W90与各纬线的交点是N60W90、N30W90、0W90、S30W90、S60W90。采用分体式的激励器和测量器。将激励器组300中的2个激励器的激励线圈30分别放置在南极SP和北极NP，将测量器组400中的40个测量器的接收线圈40分别放置在上述经线和纬线的交点处，如图6所示；(3)产生激励信号如图2和图3所示，由激励器中的信号发生器10产生频率f为10MHz的正弦交流信号S，正弦交流信号S经过信号放大器20放大后，施加给激励线圈30产生交变磁场B0。激励线圈30是正交的三轴线圈，由X轴分线圈31(TX)、Y轴分线圈33(TY)和Z轴分线圈35(TZ)组成；
(4)产生感应电压信号ΔU和交变电压信号U0交变磁场B0作用于被检测的生物组织，在生物组织内部产生涡流，该涡流感生出的感生磁场ΔB改变了原磁场的强弱，感生磁场ΔB和交变磁场B0在接收线圈40上感应出感生电流ΔI和交变电流I0，以及相应的感生电压ΔU和交变电压U0；(5)接收张量感生电压利用接收线圈40接收感生电压ΔU和交变电压U0。如图5所示，接收线圈40也是正交的三轴线圈，由X轴分线圈41(RX)、Y轴分线圈43(RY)和Z轴分线圈45(RZ)组成。经过接收线圈40中的各轴分线圈41、43和45的交叉接收，可以获得生物组织表面的张量感生电压信号ΔU，感生电压ΔU=TXRXTXRYTXRZTYRXTYRYTYRZTZRXTZRYTZRZ,]]>其中TXRX、TXRY和TXRZ是由X轴激励线圈31激励，分别由X轴分线圈41、Y轴分线圈43和Z轴分线圈45接收到的信号，TYRX、TYRY和TYRZ是由Y轴分线圈33激励，分别由X轴分线圈41、Y轴分线圈43和Z轴分线圈45接收到的信号，而TZRX、TZRY和TZRZ是由X轴分线圈35激励，分别由X轴分线圈41、Y轴分线圈43和Z轴分线圈45接收到的信号；(6)数据采集与存储如图4所示，感生电压ΔU和交变电压U0经过电压放大器50放大后，经由数据采集器60将采集到的数据存储于计算机70中。本实施例中有2个激励器和40个测量器，可以获得80(2×40)个感生电压ΔU信号，合计720(2×40×9)个分量；(7)图像重构与显示微型计算机70中采集的数据经过图像重构器80重构获得生物组织的图像，同时在显示器90上显示。图像重构采用滤波反投影法。
实施例二激励线圈和测量线圈安装在假想半球面上本方法实施例的具体步骤如下，其中有些步骤与实施例一相同。
(1)设备的固定部件安装同实施例一的步骤(1)；(2)安装激励线圈和接收线圈首先，设生物组织被半球面包围且二者不接触，如图6中的北半球面。采用分体式的激励器和测量器。将激励器组300的3个激励器中的激励线圈分别放置在北极NP、北纬60度和西经90度的交点N60W90以及北纬60度和东经90度的交点N60E90处，将测量器组400包含的22个测量器中的接收线圈分别放置在北半球(包括赤道)其它经线和纬线的交点处。
步骤(3)、(4)、(5)与实施例一相应的步骤相同。
(6)数据采集与存储本实施例中有3个激励器和22个测量器，可以获得66(3×22)个感生电压ΔU信号，合计594(3×22×9)个分量。
(7)图像重构与显示与实施例一的步骤(7)相同。
实施例三激励线圈和测量线圈安装在假想圆柱面上本方法实施例的具体步骤如下，其中有些步骤与实施例一相同。
(1)设备的固定部件安装同实施例一的步骤(1)；(2)安装激励线圈和接收线圈首先，设生物组织被圆柱面103包围且二者间有距离，选取圆柱面中间圆形截面的中心作为坐标原点O，如图7所示。在中间圆形截面内旋转极轴OR轴360度(俯视图按逆时针旋转)，每旋转45度角选取一个交点，这样可以形成8个交点，在0度或360时交点为01，前半圆上其它交点依次为05、06、07、08，后半圆上的交点图中未表示。在圆柱面上底面内旋转O′R′轴360(俯视图按逆时针旋转)，每旋转45度角选取一个交点，这样上底面上形成的交点依次为11、12、13、14、15、16、17、18。在圆柱面下底面内旋转O″R″轴，采用与上底面同样的处理办法，在下底面前半圆上形成的交点依次为21、25、26、27、28，后半圆上的交点图中未表示。采用分体式的激励器和测量器。将激励器组300的两个激励器中的激励线圈分别放置在交点01和05处，将测量器组400的24个测量器中的接收线圈分别放置在其它22个交点处；步骤(3)、(4)、(5)与实施例一相应的步骤相同。
(6)数据采集与存储本实施例中有2个激励器和24个测量器，可以获得48(2×24)个感生电压ΔU信号，合计432(2×24×9)个分量。
(7)图像重构与显示与实施例一的步骤(7)相同。
实施例四本发明张量生物组织磁感应成像装置的实施例参见图1～图5。
(1)本发明张量生物磁感应成像装置，包括激励器组300和测量器组400；(2)每个激励器由激励信号发生器10、放大激励信号的信号放大器20和激励线圈30组成。激励线圈30由正交的X轴激励分线圈31(TX)、Y轴激励分线圈33(TY)和Z轴激励分线圈35(TZ)组成；(3)每个测量器40由三轴接收线圈40和放大测量信号的电压放大器50组成。接收线圈40的各轴分线圈由X轴接收分线圈41(RX)、Y轴接收分线圈43(RY)和Z轴接收分线圈45(RZ)组成；(4)本实施例中，激励线圈30和接收线圈40的分线圈均为圆形线圈，半径为0.5～10cm，由导线绕成，电感系数为0.3～10μh。使用安装时激励线圈30和接收线圈40中各轴的分线圈互相对应而且平行。激励线圈30和接收线圈40的分线圈也可以设计为矩形的或正方形的，电感系数为0.3～1.0μh；(5)与测量器组400顺序相连的是数据采集器60、微型计算机70、图像重构器80和显示器90；
(6)激励器和测量器置于静电屏蔽罩中(附图中未表示)，屏蔽罩接地，以减小涡流损耗。
权利要求
1.张量生物磁感应成像的方法，将激励器产生频率f的交变磁场B0作用于被检测的生物组织，在生物组织内部产生涡流，由该涡流感生出的感生磁场ΔB改变了原磁场的强弱，感生磁场ΔB和交变磁场B0在测量器上感应出感生电流ΔI和交变电流I0，以及相应的感生电压ΔU和交变电压U0；其特征是激励器和测量器与生物组织不接触，在弱扰动的情况下，ΔU/U0正比于jωk，复电导率k＝σ+jωε其实部σ为电导率，反映在ΔU/U0的虚部中，从而获得生物组织的电导率信息；认定生物组织的电导率是各向异性的，生物组织的阻抗是张量，因其阻抗不同而涡流强度和分布不同，致使接收器中的电压和感抗也发生变化，测得的感生电压ΔU也是张量；通过感生电压ΔU张量反映生物组织的阻抗分布，据此进行图像重构。
2.根据权利要求1的张量生物磁感应成像的方法，其特征是采用多个激励器和测量器放置于被测生物组织周围；其中每个激励器由信号发生器、信号放大器和激励线圈组成，而每个测量器由相互正交的接收线圈和电压放大器组成；每个激励器中的激励线圈和测量器中的接收线圈均为正交的三轴线圈，激励器和测量器的三轴分线圈互相对应平行，即三轴激励线圈的各个分线圈TX、TY和TZ与三轴接收线圈的各个分线圈RX、RY和RZ分别对应平行。
3.根据权利要求1的张量生物磁感应成像的方法，其特征是由每个激励器中的三轴激励线圈给生物组织施加一定频率的交变电磁场，用每个测量器中的三轴接收线圈交叉接收，得到生物组织表面的9个分量的感生电压信号，即共轴信号TZRZ，共面信号TXRX、TYRY，正交信号TXRY、TXRZ、TYRX、TYRZ、TZRX、TZRY，从而获得9个分量张量电导率信息。
4.根据权利要求1所述的张量磁感应成像方法，其特征是激励器有m个，m的数值为2-16；测量器有n个，n的数值为8-200，总共可以获得m×n个9个分量的张量电导率信号。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的张量生物磁感应成像方法，其特征是其具体步骤如下(1)设备安装将本发明张量生物磁感应成像装置，除激励器和测量器外的固定部件联接组成可运行系统；(2)激励器和测量器的安装又分以下三种情况，每次测量成像选用其一a、设定包围被测生物组织的假想球面，假想球面与生物组织间有距离，按类似地球仪在假想球面上划分或标定经线和纬线，将激励器中的激励线圈和测量器的接收线圈分别放置在假想球面的经线和纬线的交点处；b、设定包围被测生物组织的假想半球面，假想半球面与生物组织间有距离，按类似地球仪中的北半球的经线和纬线对假想球面进行划分，将激励器的激励线圈和测量器的接收线圈分别放置在假想半球面的经线和纬线的交点处；c、设定包围被测生物组织的假想圆柱面，假想圆柱面与生物组织间有距离，沿圆柱面轴线按q个等间距做出与上下底面平行的圆形截面，每个圆形截面的圆弧划分2p等份，形成2p个交点，其中p大于或等于3，合计q×2p个交点，将激励器的激励线圈和测量器的接收线圈分别放置在q×2p个交点上；(3)产生激励信号由信号发生器产生频率为f的正弦交流信号S，正弦交流信号S经过信号放大器放大后，施加给激励线圈产生交变磁场B0；(4)产生感生电压信号和交变电压信号交变磁场B0作用于被检测的生物组织，在生物组织内部产生涡流，该涡流感生出感生磁场ΔB；感生磁场ΔB和交变磁场B0在接收线圈上感应出感生电流ΔI和交变电流I0，以及相应的感生电压ΔU和交变电压U0；(5)接收张量感生电压信号接收线圈各分线圈的交叉接收，获得生物组织表面的张量感生电压ΔU信号，每个感生电压ΔU有9个分量，即ΔU=TXRXTXRYTXRZTYRXTYRYTYRZTZRXTZRYTZRZ,]]>由m个激励线圈和n个接收线圈，可以获得m×n个9个分量的感生电压ΔU信号，合计m×n×9个分量；(6)数据采集与存储接收线圈获得的感生电压ΔU和交变电压U0经过电压放大器放大后，由数据采集器将其存储于微型计算机中；(7)图像重构与显示微型计算机中存储的数据经过图像重构器处理生成生物组织的图像，同时在显示器上显示，图像重构采用滤波反投影法。
6.一种张量生物磁感应成像的装置，包括激励器组和测量器组，与测量器组顺序相连的是数据采集器、微型计算机、图像重构器和显示器；其中，激励器组中的每个激励器由顺序相联的信号发生器、放大激励信号的信号放大器和激励线圈组成，测量器组中的每个测量器由顺序相联的接收线圈和放大测量信号的电压放大器组成；其特征是每个激励器中的激励线圈和测量器中的接收线圈均为正交的三轴线圈，激励器和测量器的三轴分线圈互相对应平行，即三轴激励线圈的各个分线圈与三轴接收线圈的各个分线圈分别对应平行。
7.按照权利要求6所述的张量生物磁感应成像的装置，其特征是激励线圈和接收线圈的分线圈为圆形或矩形，电感系数为0.3～10μh；分线圈为圆形时，半径为0.5～10cm。
8.按照权利要求6所述的张量生物磁感应成像的装置，其特征是激励器和测量器置于静电屏蔽罩中，并将屏蔽罩接地。
全文摘要
本发明属于无损测量生物组织电导率分布的电磁成像方法。提供的张量生物磁感应成像方法，其激励器与测量器与生物组织不接触，将激励线圈和接收线圈安装在包围被测生物组织的假想球面、半球面或圆柱面上，认定生物组织的电导率是各向异性的，生物组织的阻抗、测得的感生电压是张量。m个激励线圈和n个接收线圈均为正交的三轴线圈，它们的三轴分线圈互相对应平行。三轴接收线圈交叉接收三轴激励线圈作用于生物组织后产生的m×n个9个分量的生物组织的阻抗数据，据此进行图像重构，获得较现有技术更为精确的各向异性的生物组织的电导率分布及其图像。
文档编号A61B5/05GK1530071SQ0311995
公开日2004年9月22日 申请日期2003年3月10日 优先权日2003年3月10日
发明者刘国强 申请人:中国科学院电工研究所