磁感應斷層成像技術的研究進展

康筱鋒,門首強,周 俊

西安工業(yè)大學理學院,陜西 西安 710021

磁感應斷層成像（Magnetic induction tomography MIT）是一種利用渦流效應成像物體的電磁特性的成像技術。它也被稱為電磁感應層析成像，電磁層析成像，渦流成像和渦流檢測[1]。該方法用于工程建設中的無損檢測和地球物理，也被用來產生被動電特性的三維圖像（PEP），在醫(yī)療腦成像、冷凍治療監(jiān)測、金屬流動可視化技術、金屬加工工藝等方面有所應用。

1 磁感應斷層成像的構成要素

1.1 磁通密度

磁通密度稱為磁感應強度，在自由空間中，理論上定義為：B=μ0H

其中B是每平方米韋伯測量，或采用新的國際單位制單位特斯拉（T）。磁通密度表示在自由空間的通透性，單位高斯（G），具有定義的值，亨利每米（H／m）

自由空間的相對滲透率是重要的，因為不同的材料表現(xiàn)出相對滲透率。勵磁線圈產生的磁場可以用下面的方程來計算：

1.2 磁場強度

磁場強度可以利用安培環(huán)路定律描述：H對任何閉合路徑的線積分等于直流電流通過。

其中H是磁場強度，這是由電流I產生的，而DL是沿積分路徑長度的微分單元。在SI單位中，可以用安培（a）來測量，而H是以每米（a/m）的安培匝數(shù)測量。攜帶有關合成場強度的重要信息。

磁場具有幾個特性：磁通密度、磁場強度、總磁通和磁化。導電性是材料傳導電流的能力。在生物組織中，導電性源于電磁波在細胞和分子水平上與環(huán)境的相互作用。但是生物醫(yī)學磁感應斷層成像的主要困難仍然是，生物組織的電導率比金屬物體低得多。因此，要測量的二次場相對較弱。

磁化強度是衡量在何種程度上的物體被磁化。它是物體每單位體積的磁偶極矩的量度。作為一個磁場磁化進行相同的單位：安培/米。

此外，當測量工業(yè)金屬電導率時，會發(fā)生不同的現(xiàn)象。幾乎所有的金屬顯示出高導電性，這些標準允許區(qū)分過程工業(yè)中的金屬物體。例如，已經開發(fā)了在100 kHz的較高頻率下操作的磁感應斷層成像系統(tǒng)，以將信號的符號差異從鐵氧體物體（低電導率，高磁導率）分離出金屬物體（高導電性，低磁導率）。

在系統(tǒng)開發(fā)的早期階段，涉及PEP的測量需要通過電極與患者進行物理連接，以注入弱交流電流并測量傳感電極之間的電位差。診斷信息是從被調查的部分相應的部分提取，也被稱為生物電阻抗方法。可以使用多通道方法獲得具有一定空間分辨率的測量，例如，當使用EIT時。

然而事實狀態(tài)，所有的生物阻抗電極的方法存在的種種弊端，如由于定義不清的電極界面測量誤差的引入，和絕對或靜態(tài)EIT圖像重建方法主要取決于電極的位置的精確知識的準確性。由于身體表面幾何形狀的可變性，這個要求很難實現(xiàn)。由于高電阻率，應用也很難在成人身上完成。因此，當受試者或樣品具有PEP特性時，EIT不太適合用作成像工具。

1.3 線圈傳感器與電導率

線圈是最常用的磁傳感器，也被稱為搜索線圈傳感器，皮卡傳感器和磁性天線。線圈傳感器只對垂直于主軸的磁通敏感。以前的研究解釋了各類傳感器的操作，如Rogowski線圈，梯度線圈傳感器，振動傳感器，切向磁場傳感器和針探針。從根本上講，線圈傳感器主要有兩種：空心磁芯和鐵磁磁芯。通過將鐵磁磁芯作為線圈內的磁通集中器，可以部分克服空氣線圈傳感器的低靈敏度。圖1顯示了一個典型的Rogowski線圈，空芯線圈傳感器。

圖1 空芯線圈傳感器和典型Rogowski線圈Fig.1 The sensor with air core coil and typical Rogowski coil

相對于周圍空氣具有高磁導率的鐵氧體磁心位于屏幕的中心，并且能夠集中在磁芯材料中的初級磁場線。鐵氧體磁芯的存在，使得這種設計與其他不同，可以使線圈的磁場增加幾千倍，而不用磁芯。

勵磁線圈有一個導電屏蔽，以保護主磁場從周圍和外部散射。許多研究人員提出的幾種技術可以將接收線圈外圍端的初級場的影響降到最低。這些技術中有：帶退卷的簡易勵磁和接收線圈；由印刷電路板上的電感器陣列組成的平面陣列；在微分線圈勵磁線圈軸向梯度夾層；平面梯度儀（PGRAD）印制電路板的差動線圈；零流線圈（ZFC）與軸垂直于初級線圈；零流平面梯度儀（ZFPGRAD）；其軸線垂直于初級線圈平面梯度儀。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由一個勵磁線圈和15個測量線圈組成。通過旋轉，放置在一個圓形物體的導電性擾動，得到測量數(shù)據(jù)點。Newton Raphson算法和特征值閾值的正則化方法應用于重建電導率分布圖像的差異。重建后的圖像顯示了物體的大小和位置，并確定了0.84 μm／m和1.26 μm之間的電導率差。

對于高電導率測量，開發(fā)了一種用于檢測金屬板中導電不均勻性的新型平面EMT系統(tǒng)。所提出的系統(tǒng)包括六個圓柱形線圈，它們被分配形成一個圓形陣列，所有軸都垂直于被檢查的板。基于數(shù)值正演分析技術，對系統(tǒng)進行了靈敏度分析，得到了雅可比矩陣。對Newton Raphson法進行了一些修正，以測量薄金屬非均勻性的電導率分布，結果表明該系統(tǒng)能夠檢測出缺陷的形狀、方向和位置。

使用三維排列進行了可行性研究，其中包括人腦模型和16個勵磁線圈和32個接收線圈的陣列。逆問題是由一個單步算法求解四正則化方法，結果顯示病理化的變化具有良好的定位檢測的可能性。

采用一個16通道的MIT系統(tǒng)開發(fā)并行讀出接收線圈陣列采用下變頻技術。系統(tǒng)工作頻率為10兆赫。直接數(shù)字合成器（DDS）已被選定作為信號源和一個新的同步12通道24位MOTU HD 196 kHz的模擬-數(shù)字轉換器（ADC）用于執(zhí)行過程信號下變頻。這種技術提供了常用的鎖定放大器的替代品，并使所有16個接收通道并行處理。

2 磁感應斷層成像技術的研發(fā)

利用在許多工業(yè)和醫(yī)療應用的各種實驗設備進行電子測量設計，增強重建算法從雜交等。自20世紀20年代引進和發(fā)展以來，世界各國的研究者們對MIT進行了更深入的研究和開發(fā)。

2010年，一個新的MIT直接數(shù)字化信號測量（DDSM）模塊已經得以開發(fā)。測量采用國家儀器儀表（NI）PXI系統(tǒng)進行。高技術系統(tǒng)預定義的10 MHz的正弦波輸出，被送入一個電阻分壓器，其次是在ADC的一組微分放大器。放大器與ADC之間的增益為3.6[2]。結果表明，通過對放大器設計的優(yōu)化，可以提高系統(tǒng)在相位漂移測量中的低相位噪聲。

一組研究人員開發(fā)了一種高相位穩(wěn)定的生物醫(yī)學MIT差分檢測放大器。對梯度線圈傳感器陣列來減少對原發(fā)性降低相位穩(wěn)定性的要求，探測器線圈靈敏度。相位穩(wěn)定放大器的使用和梯度線圈的定位需要的不是相互排斥的，而據(jù)報道，最高的測量精度，可以利用這兩種方法來實現(xiàn)。

在此之后，巴斯大學開發(fā)了一個系統(tǒng)，側重于工業(yè)加工應用。該系統(tǒng)采用基于行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（鎳USB-6259）能夠從線圈傳感器產生正弦信號和傳感檢測信號[3]。對兩個小尺寸、大尺度的線圈傳感器進行了實驗。在小規(guī)模實驗中，傳感器陣列由八個鐵氧體磁心線圈電感組成，實驗證明它們具有獨立傳輸/檢測電感信號的能力。在大規(guī)模實驗中，傳感器陣列被擴展，使其更適用于工業(yè)應用，包括八個空心線圈。用吉洪諾夫正則化方法的線性算法具有操作簡單和成本較低的優(yōu)點。結果表明，該系統(tǒng)可以成像簡單的高導電結構。

通過增加發(fā)射機和接收機的數(shù)量，可以提供更好的圖像質量，因此提出了旋轉MIT系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，收發(fā)信機射頻線圈由一個三匝的線圈組成，線圈的直徑大約為旋轉丙烯圓柱體的四分之一。線圈是用粘銅膠帶制成的，牢固地粘在旋轉圓筒的外面。數(shù)字控制單元采用Altera公司的Cyclone III 3C120實施的數(shù)字信號處理（DSP）現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）開發(fā)板。結果表明，與常規(guī)設計相比，旋轉MIT線圈的磁場分布對成像區(qū)域中心具有良好的穿透深度。

3 磁感應斷層成像的優(yōu)缺點

磁感應斷層成像比其他類型的層析成像方法具有許多優(yōu)點。最著名的優(yōu)點是，不需要與樣品、物體或材料進行直接接觸。這在醫(yī)學成像中很有用，因為許多電極平面的附著，特別是在進行三維成像時，不方便。此外，磁感應斷層成像有大量的線圈傳感器可以內置到陣列，這可以提出一個解決方案，便于應用到病人。

磁感應斷層成像對材料的滲透性也很敏感。因此，它使麻省理工學院非常適用于工業(yè)用途。在磁強計檢測系統(tǒng)中，鐵磁示蹤劑已被用于固體膳食中觀察胃腸運動。盡管這不是一種成像方式，在生物醫(yī)學還沒有嘗試過，但該技術利用了這一領域的對比增強特性。

磁感應斷層成像的下一個優(yōu)點是當被成像的材料是完全金屬的，因此具有非常高的導電率。在EIT中，反式阻抗實際上非常小，難以測量。磁感應斷層成像也有一定的測量困難和局限性。首先，它由勵磁線圈和接收線圈之間的電容耦合，污染的測量值在接收機。重要的是消除電容耦合，使所得的渦流信號測量代表實際的磁感應值。可以通過物理篩選、差分放大或相敏檢波來減少這些誤差。

4 結語

毫無疑問，MIT是一種理想的層析成像方法，可用于工業(yè)過程和生物醫(yī)學層析成像，食品加工中的異物檢測，無損檢測，多相流，肺和腦成像，癌細胞檢測等。人們相信，通過集中算法的發(fā)展，它可以是與磁感應斷層成像反問題集成的最佳方法。此外，以前的實驗工作已經形成了幾種方法，采用了不同的重建算法。但是，還需要進一步研究以改善其缺陷。

[1]王 聰,劉銳崗,李 燁.一種用于磁感應斷層成像的圖像重建算法[J].儀器儀表學報,2013(6):37-39

[2]李 燁,董秀珍,劉銳崗.磁感應斷層成像中的一種高精度同步相位測量方法[J].儀器儀表學報,2015(4):84-89

[3]胡曉彥.腦磁感應斷層成像系統(tǒng)中軟件鑒相方法的研究[D].西安:第四軍醫(yī)大學,2012