专利名称：一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组及其布置方法
技术领域：
本发明属于生物医学工程中的成像技术领域，涉及非接触方式获得电阻抗断层成像的磁感应断层成像的方法，具体涉及一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组及其布置方法。
背景技术：
电阻抗断层成像是一种不同于传统的CT、MRI等的医学成像方法，它通过一组贴附在被测对象(如人体)某一断层表面的电极注入电流/电压然后测量响应电压/电流， 应用成像算法重建电极所在断层内部的电阻抗分布图像。磁感应断层成像是一种非接触式的电阻抗断层成像方法，它通过与被测对象不接触的线圈施加交变电流激励，并测量感应涡流所引起的磁场变化，经成像算法重建线圈所处断层内部的电阻抗分布图像。与电阻抗断层成像相比，磁感应断层成像同样是为了获得被测对象某一断层内的电阻抗分布，但是采用了非接触的传感器，即线圈，因而在应用上更为便捷。根据申请人所进行的资料检索，与本申请接近的技术有2项。一项为申请人2005 年申请的“非接触磁感应脑水肿监护方法”(非接触磁感应脑部电导率分布变化的监测方法)，该方法提出了几种利用磁感应原理监测脑部电导率分布变化的方法，其中包括一种磁感应断层成像方法，它采用的线圈系统为“数量等同的激励线圈和测量线圈呈圆形、等间隔排列在监测目标周围”，也即在同一个位置处包含两个线圈，一个为激励线圈，一个为测量线圈。另一项为重庆大学2007年申请的“一种高灵敏度的开放式磁感应成像测量装置”，该装置所用的线圈排列方式为呈圆弧形包围在被测对象外周，同一个位置包含3个线圈，中间一个为激励线圈，上下两个为差动测量线圈。以上两项申请中均不涉及线圈系统的旋转。现有的磁感应断层成像中所应用的线圈系统在同一个位置处有2或3个线圈，既包含激励线圈也包含测量线圈，这导致系统中的线圈数量较多，相互之间的耦合关系复杂， 在一定程度上影响了整个磁感应断层成像数据采集系统的性能。
发明内容
针对磁感应断层成像中线圈个数多的问题，本发明的目的在于，提出一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，在每一个位置仅设置一个线圈，所有线圈中仅有一个为激励线圈，其余均为测量线圈，通过旋转线圈组，获得与传统磁感应断层成像相同或更多的测量数据，以便于实现断层内的电阻抗图像重建。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现第一种技术方案一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，托盘上安装有齿轮，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上。
第二种技术方案一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，支架上安装有齿轮，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上。第三种技术方案一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，支架和托盘上分别安装有齿轮，齿轮通过各自的同步带分别连接到各自的步进电机上。一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组的布置方法，其特征在于，将一组激励线圈和测量线圈呈圆环形围绕被测对象排列，其中心在一个平面内，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈，在激励线圈中通以交变电流，所产生的交变磁场可在被测对象内部感应出交变涡流，该涡流与被测对象内部的电阻抗分布相关，通过不同位置的测量线圈可以检测涡流引起的磁场的变化，应用磁感应断层成像算法可以重建被测对象内部的电阻抗分布图像，为获得图像重建所需的测量数据，在保持线圈组内所有线圈相对位置不变的条件下，通过旋转的方式获得不同角度的测量数据，旋转的方式有以下三种A 激励线圈和测量线圈不动，被测对象旋转；B 被测对象不动，激励线圈和测量线圈旋转；C 激励线圈和测量线圈和被测对象各自旋转。本发明的适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，将一组激励线圈和测量线圈环绕被测对象排列，激励线圈和测量线圈组中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈，相较传统的磁感应断层系统所用的线圈排列方式减少了一半以上的数量，为保证断层电阻抗图像的重建，通过旋转的方式获得足够的测量数据。本发明的主要优点有两个1)同一个位置仅有一种线圈，或者为激励线圈或者为测量线圈，减少了一半的线圈个数，从而简化了线圈之间的耦合关系，有利于抑制整个磁感应断层成像硬件系统的噪声，提升系统测量精度和稳定性，最终改善成像质量。2)通过旋转的方式，既可以获得与传统的磁感应断层成像线圈系统相同的测量数据，也可以控制旋转的角度从而获得更多的测量数据，配合成像算法的改进，有望获得更好的成像质量。
图1为被测对象旋转方式示意图，其中步进电机通过同步带带动托盘旋转，被测对象置于托盘上。图2为激励线圈和测量线圈旋转方式示意图，其中步进电机通过同步带带动线圈支架旋转。图3为双旋转方式示意图，其中步进电机1通过同步带1带动线圈支架旋转，步进电机2通过同步带2带动托盘旋转，被测对象置于托盘上。图4为激励线圈和测量线圈圆形排列方式示意图，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈，测量线圈的数量可任意选取，一般为成像需要大于等于5。图5为激励线圈和测量线圈扇形排列方式示意图，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈，测量线圈的数量可任意选取，一般为成像需要大于等于5。图6为对象旋转方式、圆形排列方式合成示意图。图7为对象旋转方式、扇形排列方式合成示意图。图6和图7为三种激励线圈和测量线圈旋转方式和两种激励线圈和测量线圈排列方式6种组合中的两种，其他4种组合可以类似于图6和图7构建。以下结合附图和实施对本发明作进一步的详细描述。
具体实施例方式本实施例给出三种激励线圈和测量线圈(以下简称线圈组)以及旋转方式和两种激励线圈和测量线圈排列方式，通过组合可以获得6种旋转式线圈组。第一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，托盘上安装有齿轮，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上。第二种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，支架上安装有齿轮，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上。第三种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，支架和托盘上分别安装有齿轮，齿轮通过各自的同步带分别连接到各自的步进电机上。三种线圈组旋转方式分别为1)线圈组不动而被测对象旋转，以下简称“对象旋转方式”；2)被测对象不动而线圈组旋转，以下简称“线圈旋转方式”；3)线圈组和被测对象各自旋转，以下简称“双旋转方式”。两种线圈组排列方式分别为1)线圈组以中心等间隔方式排列在一个圆形上，激励线圈个数为1，其余为测量线圈，以下简称“圆形排列方式”；2)测量线圈以中心等间隔方式排列在一段圆弧上，激励线圈中心位于正对圆弧的中心的同一圆形上，激励线圈和测量线圈组形成一个扇形，以下简称“扇形排列方式”。所有测量线圈具有相同的参数，而激励线圈的参数可以与测量线圈不同也可以相同。1、以下分别对3种线圈组旋转方式进行说明。1)对象旋转方式线圈组不动而被测对象旋转，参见图1。其工作原理为线圈组附着在支架上，在测量过程中保持静止不动；被测对象置于托盘上，托盘下面与一个齿轮相连，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上；由计算机控制步进电机转动，从而带动托盘旋转；托盘每次旋转的角度由计算机程控。对于圆形排列方式，若托盘每次旋转的角度为360° /(全部线圈组个数)，则旋转一周需要(全部线圈组个数)次旋转；若增加测量数据个数，支架每次旋转的角度可为 360° /(全部线圈组个数*k，k = 2，3，…，n，n为自然数)，则旋转一周需要(全部线圈组个数乘以k，k = 2，3，…，η，η为自然数)次旋转；后一种所得测量数据的个数为前一种的 k倍。对于扇形排列方式，若托盘每次旋转的角度为两个测量线圈与圆心所形成的夹角，则旋转一周需要360/(两个测量线圈与圆心所形成的夹角全部线圈组个数)次旋转；若增加测量数据个数，支架每次旋转的角度可为两个测量线圈与圆心所形成的夹角/k，k = 2,3,…，η，η为自然数，则旋转一周需要360/(两个测量线圈与圆心所形成的夹角全部线圈组个数*k，k = 2，3，…，η，η为自然数)次旋转；后一种所得测量数据的个数为前一种的k倍。2)线圈旋转方式被测对象不动而线圈组旋转，参见图2。其工作原理为线圈组环绕附着在支架上，该支架上有托盘，支架下面与一个齿轮相连，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上；由计算机控制步进电机转动，从而带动支架旋转；支架每次旋转的角度由计算机程控；被测对象置于托盘上，在测量过程中保持静止不动。旋转角度和测量数据个数计算同上。3)双旋转方式线圈组和被测对象各自旋转，参见图3。其工作原理为线圈组环绕附着在支架上，该支架下面与一个齿轮相连，齿轮通过同步带1连接到一个步进电机1上；由计算机控制步进电机1转动，从而带动支架旋转；支架每次旋转的角度由计算机程控；被测对象置于支架上的托盘上，托盘下面与一个齿轮相连，齿轮通过同步带2连接到一个步进电机2上；由计算机控制步进电机2转动，从而带动托盘旋转；托盘每次旋转的角度由计算机程控。旋转角度和测量数据个数计算同上。2、以下给出两种线圈组排列方式，分别为1)圆形排列方式线圈组以中心等间隔方式排列在一个圆形上，激励线圈个数为 1，其余为测量线圈，参见图4，测量线圈的个数可任意选择，为保证图像重建一般选择个数大于5。其工作原理为在激励线圈中通以交变正弦波电流，于是在激励线圈周围形成同频率交变磁场，处于线圈组包绕的被测对象内部将形成同频率交变涡流，该交变涡流又会形成次生交变磁场，激励磁场和次生磁场可以通过不同位置处的测量线圈检测；在保持线圈组静止不动时，该方式仅能获得一帧数据中的一部分；通过上述的旋转方式，改变激励线圈的位置，分别激励和测量多次，最终合成完整的一帧测量数据，可用于断层内电阻抗图像的重建计算。圆形排列方式可以获得与传统磁感应断层成像相同的激励和测量数据，原有的成像算法可以直接应用；如果减小每次旋转的角度，即加密旋转一周时的次数，可以获得更多的测量数据，这时需要相应修改原有的成像算法，但是更多的数据有利于获得更好的成像质量。2)扇形排列方式测量线圈以中心等间隔方式排列在一段圆弧上，激励线圈中心位于正对圆弧的中心的同一圆形上，激励线圈和测量线圈组形成一个扇形，参见图5，测量线圈的个数可任意选择，为保证图像重建一般选择个数大于5。其工作原理为激励和测量原理同上；由于扇形线圈组排列时，测量组没有包绕全部的被测对象，因此所得的测量数据的个数将少于圆形排列方式，需要相应修改断层图像重建算法；为获得更多的测量数据，可以减少每次旋转的角度，即加密旋转一周时的次数。扇形排列方式中测量线圈仅包绕了被测对象的部分外周，与相同测量线圈间隔的圆形线圈组相比，其每次获得的测量数据的个数较少；但是所有测量线圈与激励线圈的距离较为接近，因此所得的测量信号的动态范围较小，更容易提升检测电路的性能，从而改善检测精度。3、实际的旋转式线圈系统将3种线圈组旋转方式和2种线圈组排列方式进行组合，就可获得实际可用的旋转式线圈系统，共有6种组合，以2种组合举例以下1)对象旋转方式、圆形排列方式合成模式线圈组不动而被测对象旋转，线圈组以中心等间隔方式排列在一个圆形上，参见图6，其中激励线圈个数为1，测量线圈个数为 15，其个数可调整。其工作原理为线圈组环绕附着在支架上，在测量过程中保持静止不动；被测对象置于旋转托盘上，托盘下面与一个齿轮相连，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上；在激励线圈中通以交变正弦波电流，于是在激励线圈周围形成同频率交变磁场，处于线圈组包绕的被测对象内部将形成同频率交变涡流，该交变涡流又会形成次生交变磁场，激励磁场和次生磁场通过不同位置处的测量线圈进行检测，获得一组测量数据；计算机控制步进电机转动，带动旋转托盘旋转，重复上述步骤，再次获得一组测量数据；旋转一周，获得一帧完整的测量数据，该数据可用于断层内电阻抗图像的重建计算。2)对象旋转方式、扇形排列方式合成模式线圈组不动而被测对象旋转，测量线圈以中心等间隔方式排列在一段圆弧上，激励线圈中心位于正对圆弧的中心的同一圆形上，参见图7，其中激励线圈个数为1，测量线圈个数为7，其个数可调整。其工作原理为激励和测量原理同上，与相同测量线圈间隔的圆形线圈组相比，其每次获得的测量数据的个数较少，需要相应修改断层图像重建算法。所有的6种组合的旋转式线圈系统均可以通过减小旋转角度的方法获得更多的测量数据，从而有利于获得更好的磁感应断层成像的图像。
权利要求
1.一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，托盘上安装有齿轮，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上。
2.一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，支架上安装有齿轮，齿轮通过同步带连接到一个步进电机上。
3.一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组，包括激励线圈和测量线圈，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈环绕设置在支架上，其中仅有一个激励线圈，其余为测量线圈；支架上有托盘，支架和托盘上分别安装有齿轮，齿轮通过各自的同步带分别连接到各自的步进电机上。
4.一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈的布置方法，其特征在于，将一组激励线圈和测量线圈呈圆环形围绕被测对象排列，其中心在一个平面内，其中仅有一个激励线圈， 其余为测量线圈，在激励线圈中通以交变电流，所产生的交变磁场可在被测对象内部感应出交变涡流，该涡流与被测对象内部的电阻抗分布相关，通过不同位置的测量线圈可以检测涡流引起的磁场的变化，应用磁感应断层成像算法可以重建被测对象内部的电阻抗分布图像，为获得图像重建所需的测量数据，在保持线圈组内所有线圈相对位置不变的条件下， 通过旋转的方式获得不同角度的测量数据，旋转的方式有以下三种A 激励线圈和测量线圈不动，被测对象旋转；B 被测对象不动，激励线圈和测量线圈旋转；C 激励线圈和测量线圈和被测对象各自旋转。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的激励线圈和测量线圈以中心等间隔方式排列在一个圆形上，激励线圈个数为1，测量线圈个数大于等于5个。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，激励线圈和测量线圈形成一个扇形，激励线圈为1个，测量线圈个数大于等于5个，激励线圈和测量线圈以中心等间隔方式排列在一段圆弧上，激励线圈中心位于正对圆弧的中心的同一圆形上。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，每次旋转的角度为360°除以全部激励线圈和测量线圈个数。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，每次旋转的角度为360°除以全部激励线圈和测量线圈的个数乘以k，k = 2，3，. . .，η，η为自然数。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，每次旋转的角度为两个测量线圈与圆心所形成的夹角。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，每次旋转的角度为两个测量线圈与圆心所形成的夹角除以k，k = 2，3，. . η，η为自然数。
全文摘要
本发明公开了一种适用于磁感应断层成像的旋转式线圈组及布置方法，将一组线圈呈圆环形围绕被测对象排列，其中一个线圈为激励线圈，其余线圈为测量线圈，在激励线圈中通以交变电流，被测对象内部因涡流感应而引起的磁场变化可被测量线圈检测，通过旋转的方式获得足够数量的测量数据，用于磁感应断层成像的需要。线圈组的旋转方式分别为对象旋转方式、线圈旋转方式和双旋转方式。本发明减少了一半的线圈个数，简化了线圈之间的耦合关系，有利于提升检测系统的测量精度和稳定性；通过旋转的方式，既可获得与传统的磁感应断层成像线圈系统相同的测量数据，也可以控制旋转的角度从而获得更多的测量数据，配合成像算法的改进，有可能获得更好的成像质量。
文档编号A61B5/053GK102499681SQ20111031490
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者付峰, 刘锐岗, 史学涛, 季振宇, 尤富生, 李烨, 漆家学, 董秀珍 申请人:中国人民解放军第四军医大学