康筱鋒,門首強(qiáng),周 俊

西安工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,陜西 西安 710021

磁感應(yīng)斷層成像（Magnetic induction tomography MIT）是一種利用渦流效應(yīng)成像物體的電磁特性的成像技術(shù)。它也被稱為電磁感應(yīng)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(shè)中的無損檢測和地球物理，也被用來產(chǎn)生被動(dòng)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(dòng)可視化技術(shù)、金屬加工工藝等方面有所應(yīng)用。

1 磁感應(yīng)斷層成像的構(gòu)成要素

1.1 磁通密度

磁通密度稱為磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)滲透率是重要的，因?yàn)椴煌牟牧媳憩F(xiàn)出相對(duì)滲透率。勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場可以用下面的方程來計(jì)算：

1.2 磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度可以利用安培環(huán)路定律描述：H對(duì)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(qiáng)度，這是由電流I產(chǎn)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(guān)合成場強(qiáng)度的重要信息。

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

磁化強(qiáng)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(gè)磁場磁化進(jìn)行相同的單位：安培/米。

此外，當(dāng)測量工業(yè)金屬電導(dǎo)率時(shí)，會(huì)發(fā)生不同的現(xiàn)象。幾乎所有的金屬顯示出高導(dǎo)電性，這些標(biāo)準(zhǔn)允許區(qū)分過程工業(yè)中的金屬物體。例如，已經(jīng)開發(fā)了在100 kHz的較高頻率下操作的磁感應(yīng)斷層成像系統(tǒng)，以將信號(hào)的符號(hào)差異從鐵氧體物體（低電導(dǎo)率，高磁導(dǎo)率）分離出金屬物體（高導(dǎo)電性，低磁導(dǎo)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(jìn)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(diào)查的部分相應(yīng)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(dāng)使用EIT時(shí)。

然而事實(shí)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(duì)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(shí)的準(zhǔn)確性。由于身體表面幾何形狀的可變性，這個(gè)要求很難實(shí)現(xiàn)。由于高電阻率，應(yīng)用也很難在成人身上完成。因此，當(dāng)受試者或樣品具有PEP特性時(shí)，EIT不太適合用作成像工具。

1.3 線圈傳感器與電導(dǎo)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(duì)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(dòng)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(nèi)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(gè)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(duì)于周圍空氣具有高磁導(dǎo)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(jí)磁場線。鐵氧體磁芯的存在，使得這種設(shè)計(jì)與其他不同，可以使線圈的磁場增加幾千倍，而不用磁芯。

勵(lì)磁線圈有一個(gè)導(dǎo)電屏蔽，以保護(hù)主磁場從周圍和外部散射。許多研究人員提出的幾種技術(shù)可以將接收線圈外圍端的初級(jí)場的影響降到最低。這些技術(shù)中有：帶退卷的簡易勵(lì)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(lì)磁線圈軸向梯度夾層；平面梯度儀（PGRAD）印制電路板的差動(dòng)線圈；零流線圈（ZFC）與軸垂直于初級(jí)線圈；零流平面梯度儀（ZFPGRAD）；其軸線垂直于初級(jí)線圈平面梯度儀。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由一個(gè)勵(lì)磁線圈和15個(gè)測量線圈組成。通過旋轉(zhuǎn)，放置在一個(gè)圓形物體的導(dǎo)電性擾動(dòng)，得到測量數(shù)據(jù)點(diǎn)。Newton Raphson算法和特征值閾值的正則化方法應(yīng)用于重建電導(dǎo)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(dǎo)率差。

對(duì)于高電導(dǎo)率測量，開發(fā)了一種用于檢測金屬板中導(dǎo)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(gè)圓柱形線圈，它們被分配形成一個(gè)圓形陣列，所有軸都垂直于被檢查的板?；跀?shù)值正演分析技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了靈敏度分析，得到了雅可比矩陣。對(duì)Newton Raphson法進(jìn)行了一些修正，以測量薄金屬非均勻性的電導(dǎo)率分布，結(jié)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(jìn)行了可行性研究，其中包括人腦模型和16個(gè)勵(lì)磁線圈和32個(gè)接收線圈的陣列。逆問題是由一個(gè)單步算法求解四正則化方法，結(jié)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(gè)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(shù)。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(hào)源和一個(gè)新的同步12通道24位MOTU HD 196 kHz的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）用于執(zhí)行過程信號(hào)下變頻。這種技術(shù)提供了常用的鎖定放大器的替代品，并使所有16個(gè)接收通道并行處理。

2 磁感應(yīng)斷層成像技術(shù)的研發(fā)

利用在許多工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行電子測量設(shè)計(jì)，增強(qiáng)重建算法從雜交等。自20世紀(jì)20年代引進(jìn)和發(fā)展以來，世界各國的研究者們對(duì)MIT進(jìn)行了更深入的研究和開發(fā)。

2010年，一個(gè)新的MIT直接數(shù)字化信號(hào)測量（DDSM）模塊已經(jīng)得以開發(fā)。測量采用國家儀器儀表（NI）PXI系統(tǒng)進(jìn)行。高技術(shù)系統(tǒng)預(yù)定義的10 MHz的正弦波輸出，被送入一個(gè)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(jié)果表明，通過對(duì)放大器設(shè)計(jì)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(xué)MIT差分檢測放大器。對(duì)梯度線圈傳感器陣列來減少對(duì)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(bào)道，最高的測量精度，可以利用這兩種方法來實(shí)現(xiàn)。

在此之后，巴斯大學(xué)開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，側(cè)重于工業(yè)加工應(yīng)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(chǎn)生正弦信號(hào)和傳感檢測信號(hào)[3]。對(duì)兩個(gè)小尺寸、大尺度的線圈傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)中，傳感器陣列由八個(gè)鐵氧體磁心線圈電感組成，實(shí)驗(yàn)證明它們具有獨(dú)立傳輸/檢測電感信號(hào)的能力。在大規(guī)模實(shí)驗(yàn)中，傳感器陣列被擴(kuò)展，使其更適用于工業(yè)應(yīng)用，包括八個(gè)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(diǎn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以成像簡單的高導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

通過增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的數(shù)量，可以提供更好的圖像質(zhì)量，因此提出了旋轉(zhuǎn)MIT系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，收發(fā)信機(jī)射頻線圈由一個(gè)三匝的線圈組成，線圈的直徑大約為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)圓筒的外面。數(shù)字控制單元采用Altera公司的Cyclone III 3C120實(shí)施的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）開發(fā)板。結(jié)果表明，與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，旋轉(zhuǎn)MIT線圈的磁場分布對(duì)成像區(qū)域中心具有良好的穿透深度。

3 磁感應(yīng)斷層成像的優(yōu)缺點(diǎn)

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

磁感應(yīng)斷層成像對(duì)材料的滲透性也很敏感。因此，它使麻省理工學(xué)院非常適用于工業(yè)用途。在磁強(qiáng)計(jì)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(yùn)動(dòng)。盡管這不是一種成像方式，在生物醫(yī)學(xué)還沒有嘗試過，但該技術(shù)利用了這一領(lǐng)域的對(duì)比增強(qiáng)特性。

磁感應(yīng)斷層成像的下一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)被成像的材料是完全金屬的，因此具有非常高的導(dǎo)電率。在EIT中，反式阻抗實(shí)際上非常小，難以測量。磁感應(yīng)斷層成像也有一定的測量困難和局限性。首先，它由勵(lì)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(jī)。重要的是消除電容耦合，使所得的渦流信號(hào)測量代表實(shí)際的磁感應(yīng)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(jié)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(xué)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(xì)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(yīng)斷層成像反問題集成的最佳方法。此外，以前的實(shí)驗(yàn)工作已經(jīng)形成了幾種方法，采用了不同的重建算法。但是，還需要進(jìn)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(yīng)斷層成像的圖像重建算法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013(6):37-39

[2]李 燁,董秀珍,劉銳崗.磁感應(yīng)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(xué)報(bào),2015(4):84-89

[3]胡曉彥.腦磁感應(yīng)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(xué),2012