一种非接触式磁感应成像系统及其成像方法
【专利摘要】本发明涉及一种非接触式磁感应成像系统及其成像方法，成像系统包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像显示模块；控制模块控制信号发生模块产生单频率的射频信号，射频信号以交变电流的形式施加在信号发射模块中，交变电流产生交变磁场，信号接收模块对交变磁场进行接收，并将接收到的信号通过控制模块传输至信号处理模块，信号处理模块对接收到的信号进行重构得到目标生物体的二维重构图像，二维重构图像传输至图像显示模块进行显示。成像方法包括电磁波激励、回波信号测量、目标生物体二维成像处理和二维重构图像显示。
【专利说明】
一种非接触式磁感应成像系统及其成像方法
技术领域
[0001 ]本发明属于磁感应成像技术领域，具体涉及一种非接触式磁感应成像系统及其成 像方法。
【背景技术】
[0002] 目前，利用X-CT、MRI等成像手段可以对脑出血、缺血造成的脑水肿进行成像，但是 X-CT由于存在放射性不易多次使用，而且X-CT和MRI都属于大型设备，无法在病床旁连续使 用，无法对脑水肿的发展过程进行连续、实时监测。非接触磁感应成像方法是针对脑部等生 物体部位的电导率分布变化的监测方法，其能够用于脑部疾病的检测。非接触式无创伤检 测方法是医学领域的新方法。对于任意形状生物体的映射磁感应成像方法是目前国内外都 没有报道的新方法。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种能够适用于任意形状生物 体检测的非接触式磁感应成像系统及其成像方法。
[0004] 为实现以上目的，本发明所采用的技术方案为:一种非接触式磁感应成像系统包 括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像显示模块； 所述信号发生模块包括射频信号发生器和多通道控制开关电路板，所述信号发射模块、信 号接收模块、控制模块和多通道控制开关电路板分别与所述射频信号发生器连接，所述多 通道控制开关电路板与信号接收模块连接；
[0005] 所述控制模块控制所述信号发生模块产生单频率的射频信号，射频信号以交变电 流的形式施加在所述信号发射模块中，交变电流产生交变磁场，所述信号接收模块对交变 磁场进行接收，并将接收到的信号通过所述控制模块传输至所述信号处理模块，所述信号 处理模块对接收到的信号进行重构得到目标生物体的二维重构图像，二维重构图像传输至 所述图像显示模块进行显示。
[0006] 进一步地，所述信号发射模块和信号接收模块均由射频线圈实现;所述信号发射 模块采用作为激励线圈的射频线圈，作为激励线圈的射频线圈数量为Ντ，Ντ为自然数且Ντ多 1;所述信号接收模块采用作为测量线圈的射频线圈，作为测量线圈的射频线圈数量为Nr，Nr 为自然数且Nr彡3。
[0007] 更进一步地，所述射频线圈采用螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、贴片射频天线或开口 波导天线。
[0008] 更进一步地，所述射频线圈的数量为16个，以目标生物体为中心，16个所述射频线 圈围绕着目标生物体均匀排列成正方形;每个射频线圈既作为激励线圈产生磁场，又作为 测量线圈检测目标生物体内部及其周围的磁场变化以及电导率的分布状态。
[0009] 更进一步地，目标生物体与所述射频线圈之间以及各所述射频线圈之间的间隙内 都充满媒介。
[0010] 更进一步地，所述作为激励线圈的射频线圈与作为测量线圈的射频线圈之间的位 置关系为:均位于目标生物体的同侧，位于相同高度或不同高度;或相互平行;或相互重合； 或均与目标生物体成一定的角度。
[0011] 更进一步地，所述非接触式磁感应成像系统的工作频率范围为IMHz-lOMHz。
[0012] -种基于所述成像系统的非接触式磁感应成像方法，其包括以下步骤：
[0013] S1、设置一包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理 模块和图像显示模块的非接触式磁感应成像系统;信号发生模块包括射频信号发生器和和 多通道控制开关电路板;信号发射模块采用作为激励线圈的射频线圈，信号接收模块采用 作为测量线圈的射频线圈；
[0014] S2、电磁波激励；
[0015] 控制模块控制信号发射模块中至少一个激励线圈向目标生物体施加正弦交变电 流;所述正弦交变电流在目标生物体周围产生激励磁场，激励磁场使目标生物体产生涡流， 涡流产生感应磁场和/或散场磁场；
[0016] S3、回波信号测量；
[0017]控制模块控制信号接收模块中至少三个离目标生物体垂直距离相同的测量线圈 检测来自目标生物体的感应磁场和/或散场磁场;检测到的感应磁场和/或散场磁场传输至 信号处理模块；
[0018] S4、信号处理模块对接收到的感应磁场和/或散场磁场进行二维成像处理，得到目 标生物体的二维图像数据；
[0019] S5、目标生物体的二维图像传输至图像显示模块进行显示。
[0020]进一步地，所述步骤S4中，信号处理模块对接收到的感应磁场和/或散场磁场进行 二维成像处理的具体过程为：
[0021] S41、对目标生物体进行建模；
[0022] 建立目标生物体的电磁属性和散射回波之间的非线性观测模型，基于测量线圈的 分布排列建立描述目标生物体内部结构的表征模型；
[0023] 非线性观测模型包括内部场效应模型和目标外部场效应模型；
[0024]内部场效应模型描述为：
[0025]
[0026] 式(3)中，Hinc为入射磁场，ω = 2Jif为工作角频率，f为信号的发射频率，μ〇为自由 空间的磁导率，G为格林函数，Ρ为从场源点到散射磁场的位置矢量，F为从场源点到目标生 物体内一点的位置矢量，k〇为自由空间的波数，J m为磁电流密度，Jm = j ω μ〇 (μΓ-1)Η，μΓ为目 标生物体的磁导率，Js为感应电流密度，J s = j ω ε〇(εr-1)Ε，ε〇为自由空间的介电常数，^为 目标生物体的介电常数，，er = ε 'r-jo/ ω ε〇，σ为目标生物体的电导率，ε \为目标生物体相 对介电常数的实部，Ε为总电场，Ε =入射电场+散射电场；
[0027]外部场效应模型描述为：
[0028]
[0029] 式⑷中为从场源点到场域内任一点的单位向1
R为从场源点到散射场内任意一点的距离；
[0030] S42、计算成像；
[0031]对至少三个测量线圈所接收到的感应磁场和/或散场磁场进行如下分析：
[0032] 依次对所有测量线圈中的任意两个测量线圈所接收到的感应磁场和/或散场磁场 进行两两对比；
[0033] 依次根据两两比对得到的差异获得能够反映目标生物体电磁属性分布的幅值和 相位的信息；
[0034] 根据连续检测到的电磁属性分布信息，利用MATLAB平台或其他计算机语言从建立 的非线性观测模型和描述目标生物体内部结构的表征模型中提取出相应的变化数值和曲 线，并根据变化数值重建目标生物体的二维图像。
[0035]更进一步地，所述步骤S42中，目标生物体二维图像的重建包括以下步骤：
[0036] (1)计算所有测量线圈中任意两个测量线圈(^)的复可见度：
[0037]
[0038] 其中*表示复数共辄，<>表示平均时间，复可见度V包含任意两个测量线圈 (?，C)的相位延迟和/或振幅差异；
[0039] (2)依次计算任意两个测量线圈的复可见度函数，得到所有测量线圈的总可见度， 当测量线圈为Nr个时，Nr为自然数且Nr多3，总可见度为Nr(Nr_1 )个测量线圈的可见度之和；
[0040] (3)通过对所有测量线圈总复可见度函数进行傅里叶逆变换，得到任意形状目标 生物体的二维图像。
[0041]由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为:本发明非接触式磁感应成像系统 通过设置信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像显示 模块，利用交变电流产生交变磁场，交变磁场经空间传播被信号接收模块接收，因此本发明 非接触、无创伤，无需在目标生物体上粘贴任何电极，根据本发明成像方法可以开发出相应 的医疗仪器，可以显示相应的曲线、图像、数值，能够对多种疾病如肿瘤、糖尿病、乳腺癌等 进行连续监测。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明非接触式磁感应成像系统的原理图；
[0043] 图2是本发明非接触式磁感应成像系统中一对射频线圈的几何排列示意图；
[0044] 图3(a)为三维头颅模型的二维图像;其中，表示背景，B2表示皮肤，B3表示肌肉， B4表不头骨，B5表不脑脊液，B6表不灰质，B7表不白质，B8表不硬脑膜，Bg表不血块；
[0045] 图3(b)是三维头颅模型的二维重构图像的实部；
[0046] 图3(c)是三维头颅模型的二维重构图像的虚部；
[0047] 图4(a)是三维乳房模型的二维图像;其中，Q表示背景，C2表示皮肤，C3表示脂肪， C4表不乳腺，B5表不病灶；
[0048] 图4(b)是三维乳房模型的二维重构图像的实部；
[0049] 图4(c)是三维乳房模型的二维重构图像的虚部。
[0050]图中：1、信号发生模块;2、信号发射模块;3、控制模块;4、信号接收模块;5、信号处 理模块;6、图像显示模块。
【具体实施方式】
[0051] 生物组织的电特性与生理系统的健康状况息息相关，当乳腺癌、白血病等疾病发 生时，生物组织的介电性(常用介电常数表示)发生显著变化。不同类型生物组织的介电性 差异明显，骨骼、肿瘤等含水量高的生物组织的介电常数比脂肪等含水量低的生物组织的 介电常数高，此差异为磁感应生物成像检测活体生物组织的生理病理状态提供了可行的物 理基础。磁感应生物成像通过对激励磁场作用下目标生物体内部和周围电磁场分布的测量 进行图像重构，获取某些生物组织的介电常数分布、电导率分布、温度分布和血液含氧量等 重要特征。过去的二十年，大量的工作都是围绕磁感应技术在生物成像和诊断方面的应用 进行，如脑部成像检测脑卒中和脑水肿、乳房成像检测乳腺癌和骨骼成像检测骨质疏松等。
[0052] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
[0053]如图1所示，本发明提供了一种非接触式磁感应成像系统，其包括信号发生模块1、 信号发射模块2、控制模块3、信号接收模块4、信号处理模块5、图像显示模块6。
[0054]信号发生模块1包括射频信号发生器和多通道控制开关电路板，信号发射模块2、 信号接收模块4、控制模块3和多通道控制开关电路板分别与射频信号发生器连接，多通道 控制开关电路板与信号接收模块4连接。控制模块3控制信号发生模块1产生单频率的射频 信号，射频信号以交变电流的形式施加在信号发射模块2中，交变电流产生交变磁场，信号 接收模块4对交变磁场进行接收，并将接收到的信号通过控制模块3传输至信号处理模块5， 信号处理模块5对接收到的信号进行重构得到目标生物体的二维重构图像，二维重构图像 传输至图像显示模块6进行显示。
[0055] 上述实施例中，射频信号发生器采用网络分析仪。信号发射模块2和信号接收模块 4均由射频线圈实现。信号发射模块2采用作为激励线圈的射频线圈，作为激励线圈的射频 线圈数量为Ντ，Ντ为自然数且Ντ多1。作为激励线圈的射频线圈可以排列成任意形状且各射 频线圈距目标生物体的高度均相同。信号接收模块4采用作为测量线圈的射频线圈，作为测 量线圈的射频线圈数量为Nr，Nr为自然数且Nr多3。作为测量线圈的射频线圈可以排列成任 意形状且各射频线圈距目标生物体的距离或高度均相同。
[0056] 上述实施例中，射频线圈的数量为16个，以目标生物体为中心，16个射频线圈围绕 着目标生物体均匀排列成正方形。每个射频线圈既作为激励线圈产生磁场，又作为测量线 圈检测目标生物体内部及其周围的磁场变化以及电导率的分布状态。
[0057]进一步地，为减少信号耦合，提高检测灵敏度，目标生物体与射频线圈之间以及各 射频线圈之间的间隙内都充满盐水等媒介。
[0058]本发明非接触式磁感应成像系统的工作原理为:在某一个激励线圈中施加交变电 流，交变电流产生交变磁场，该交变磁场经空间传播到达其余所有的测量线圈。磁场的传播 受所经过空间的复电导率和复介电常数的影响，两两比较不同测量线圈的散射磁场的幅值 和相位差异，就能够获得空间复电导率或复介电常数或磁导率的信息。依次改变激励线圈， 并利用其余射频线圈分别进行测量，可以获得一组完整的测量数据。这些测量数据传送到 信号处理模块5中，信号处理模块5对接收到的测量数据进行图像重构，从而重建得到二维 或三维断层内电导率或其变化量的分布图像。其中，测量过程中，射频线圈不需要改变位 置。
[0059]上述实施例中，射频信号发生器采用型号为Keysight E5061B的网络分析仪，其可 以产生频率范围为5Hz-3GHz的射频信号。
[0060] 上述实施例中，本发明非接触式磁感应成像系统的工作频率为单频率，其最佳工 作频率范围为IMHz-lOMHz。
[0061] 上述实施例中，射频线圈采用螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、贴片射频天线或开口波 导天线等，射频线圈的匝数受工作频率和线圈大小的限制。
[0062] 上述实施例中，作为激励线圈的射频线圈与作为测量线圈的射频线圈之间的位置 关系为:作为激励线圈的射频线圈与作为测量线圈的射频线圈均位于目标生物体的同侧， 位于相同高度或不同高度;或作为激励线圈的射频线圈与作为测量线圈的射频线圈相互平 行;或作为激励线圈的射频线圈与作为测量线圈的射频线圈阵列重合;或作为激励线圈的 射频线圈与作为测量线圈的射频线圈阵列均与目标生物体成一定的角度。
[0063] 所有作为激励线圈的射频线圈均需在相同高度成螺旋或非均匀任意形状分布，从 而形成平面阵列。所有作为测量线圈的射频线圈均需在相同高度成螺旋或非均匀任意形状 分布，从而形成平面阵列。作为测量线圈的射频线圈的分布可有效提高检测灵敏度、降低图 像数据获取时间和装置成本。
[0064] 基于上述非接触式磁感应成像系统，本发明还提供了一种非接触式磁感应成像方 法，其包括以下步骤：
[0065] S1、设置一包括信号发生模块1、信号发射模块2、控制模块3、信号接收模块4、信号 处理模块5和图像显示模块6的非接触式磁感应成像系统。其中，信号发生模块1包括射频信 号发生器和和多通道控制开关电路板。信号发射模块2采用作为激励线圈的射频线圈，信号 接收模块4采用作为测量线圈的射频线圈。
[0066] S2、电磁波激励；
[0067] 控制模块3控制信号发射模块2中至少一个激励线圈向目标生物体施加正弦交变 电流;该正弦交变电流在目标生物体周围产生激励磁场，在电磁感应的作用下，激励磁场通 过目标生物体时产生涡流，涡流产生感应磁场和/或散场磁场。
[0068] 上述过程进一步包括以下步骤：
[0069] S21、建立目标生物体所在待成像区域的直角坐标系，确定目标生物体与激励线圈 及测量线圈的距离、激励线圈的位置坐标、测量线圈的位置坐标以及图像点数N。
[0070] S22、由至少一个激励线圈向任意形状的目标生物体施加正弦交变电流，该正弦交 变电流在目标生物体周围产生激励磁场，该激励磁场可以视为一个时间谐波电磁场，激励 磁场通过目标生物体时因电磁感应作用产生涡流。
[0071 ]祸流通过计算磁势矢量A获取，
[0072] V Xy_1VA+j ω 〇A = Js (1)
[0073]式（1)中，μ为磁导率，ω为角频率，ω = 2Jif，f为信号的发射频率，〇为电导率，^为 激励线圈的感应电流密度。
[0074] S23、环绕于目标生物体或位于目标生物体一侧或两侧的Ντ个激励线圈依次发射 特定频率段的电磁波，多个测量线圈接收响应磁场Η(η，Γι，ω)，其中ri为激励线圈的位置 坐标，rr为测量线圈的位置坐标。
[0075]进一步地，如果Ντ>1，且激励线圈成任意分布时，依次对每个激励线圈激发入射 场，总入射场为Ντ个激励线圈激发的入射场之和。
[0076] S24、将目标生物体移出被测区域，在发射源不变的前提下测量相同接收位置的入 射磁场Hinc(rr，ri，ω )。
[0077] S25、目标生物体的散射场回波可以通过步骤S23和步骤S24两次的测量数据相减 获得，即：
[0078] Hscat (Ι?,Γ?，W ) - Η0-ι·，Γ?，W ) _Hinc 0-γ，Γ?，w ) ( 2 )
[0079] S3、回波信号测量；
[0080] 控制模块3控制信号接收模块4中至少三个离目标生物体垂直距离相同的测量线 圈检测来自目标生物体的感应磁场和/或散场磁场。检测到的感应磁场和/或散场磁场通过 局域网或串口传输至信号处理模块5。
[0081] S4、信号处理模块5对接收到的感应磁场和/或散场磁场进行二维成像处理，得到 目标生物体的二维图像数据，其具体过程为：
[0082] S41、对目标生物体进行建模；
[0083]建立目标生物体介电常数、导电率和导磁性等电磁属性和散射回波之间的非线性 观测模型，基于测量线圈的分布排列建立描述目标生物体内部结构的表征模型。
[0084]根据电磁波穿透目标生物体表面后，诱发目标生物体内部不同组织间多次散射的 作用机理，得到描述非线性观测模型的内部场效应模型和目标外部场效应模型。
[0085]内部场效应模型描述为：
[0086]
[0087]式(3)中，Hinc为入射磁场，ω = 2Jif为工作角频率，f为信号的发射频率，μ〇为自由 空间的磁导率，G为格林函数，Ρ为从场源点到散射磁场的位置矢量，f为从场源点到目标生 物体内一点的位置矢量，k〇为自由空间的波数，J m为磁电流密度，Jm = j ω μ〇 (μΓ-1)Η，μΓ为目 标生物体的磁导率，Js为感应电流密度，J s = j ω ε〇(εr-1)Ε，ε〇为自由空间的介电常数，^为 目标生物体的介电常数，，er = ε 'r-jo/ ω ε〇，σ为目标生物体的电导率，ε \为目标生物体相 对介电常数的实部，Ε为总电场，Ε =入射电场+散射电场；
[0088]外部场效应模型描述为：
[0089]
[0090] 式⑷中，&为从场源点至畅域内任一点的单位向量，wv-卜营(卜合 R为从场源点到散射场内任意一点的距离。
[0091] 当没有磁性介质或磁性介质可忽略不计的时，S^r=l时，外部场效应模型描述 为：
[0092]
(5)
[0093] 当磁性介质不可忽略时，即如辛1时，外部场效应模型描述为：
[0094]
(6) ' / ^ κ v y ' /
[0095] 结合内部场效应模型和外部场效应模型得到非线性观测模型。
[0096] S42、计算成像；
[0097]对至少三个测量线圈所接收到的感应磁场和/或散场磁场进行如下分析：
[0098] 依次对所有测量线圈中的任意两个测量线圈所接收到的感应磁场和/或散场磁场 进行两两对比。
[0099] 依次根据两两比对得到的差异获得能够反映目标生物体电磁属性分布的幅值和 相位的信息。
[0100] 根据连续检测到的电磁属性分布信息，利用MATLAB平台或其他计算机语言从建立 的非线性观测模型和描述目标生物体内部结构的表征模型中提取出相应的变化数值和曲 线，并根据变化数值重建目标生物体的二维图像。
[0101] 目标生物体二维图像的重建包括以下步骤：
[0102] (1)计算所有测量线圈中任意两个测量线圈(^，厂)的复可见度：
[0103]
(7)
[0104] 式(7)中，*表示复数共辄，<>表示平均时间，复可见度V包含任意两个测量线圈 的相位延迟和/或振幅差异。
[0105] (2)依次计算任意两个测量线圈的复可见度函数，得到所有测量线圈的总可见度， 当测量线圈为Nr个时，Nr为自然数且Nr多3，总可见度为Nr(Nr_1 )个测量线圈的可见度之和。
[0106] (3)通过对所有测量线圈总复可见度函数进行傅里叶逆变换，得到任意形状目标 生物体的二维图像。
[0107]下面结合附图对目标生物体二维图像重建的具体过程进行说明。
[0108] 如图2所示，假设某一点P(x，y，z)位于目标生物体中，该点P(x，y，z)到射频线圈区 域内的任意两个位于ξ和^的测量线圈的散射磁场可见度用式(7)表示。
[0109] 在？位置的目标强度为：
[0110] .........
..... (8)
[0111] 目标生物体的可见度函数的体积分为：
[0112]
[0113]将式(8)代入公式(9)可得：
[0114]
(10) … 7 s
[0115] 式（10)中
h为介质中的波长，￡为球坐标系中单位矢量
[0116]定义新参数(l，m，n):
[0117]
(11)
[0118] dV可由下式获得：
[0119] dV = s2dldmds/n (12)
[0120] 将公式(12)代入(10)，得到：
[0121](13) V
[0122] 基线向量在笛卡尔坐标系中的分量
[0123](14) V S
^[0124] 目标生物体的可见度函数方程变为：
[0128]
(16)
[0125] :..1,5)
[0126]
[0127] 如果所有的射频线圈在同一高度排列，沿径向坐标p的线积分为：
[0129] 利用式（16)得出以下二维积分对变量(1，m)的可见度函数：
[0130]
(17) ' J J ' '
[0131] 可见度函数（17)是二维傅里叶变换，因此，二维图像可以通过傅里叶反变换重建：
[0132]
(18)
[0133] 式（18)表明，一个三维目标物的二维图像可以通过逆傅里叶变换如空间可见度函 数重建获得。
[0134] S5、目标生物体的二维图像传输至图像显示模块6进行显示。
[0135] 上述步骤S2中，采用至少一个激励线圈发送单频射频探测信号，并利用至少三个 测量线圈接收探测信号的感应磁场，其中，至少三个测量线圈与目标生物体的间距是彼此 相同的且所述间距大于探测用电磁波的一个波长。
[0136] 上述步骤S3中，当目标生物体为非磁性、具有导电性时，可以通过式(5)计算目标 生物体在任何一个测量线圈的散射磁场，该方法可用于监测生物体的脑水肿、脑中风、糖尿 病和烧伤等多种生理病理特征。
[0137] 当目标生物体既有磁性又有导电性时，可以通过式(6)计算目标生物体在任何一 个测量线圈的散射磁场，该方法可适用于检测生物体的肿瘤和乳房癌等多种生理病理特 征。
[0138] 上述步骤S4中，基于至少三个测量线圈中的至少两个测量线圈所接收的散射磁场 来形成目标生物体的至少一项电磁属性的时间序列，并计算出至少两个测量线圈探测到的 电磁属性的差异，从而构建目标生物体的二维图像。
[0139] 按照所述至少三个测量线圈与目标生物体的间距保持彼此相同的方法，逐步改变 所述间距并同步计算出至少两个测量线圈探测到的电磁属性的差异，从而构建目标生物体 的三维图像。
[0140] 为验证本发明所提出的非接触式磁感应成像方法，下面通过MATLAB平台建立了三 维仿真模型，用于模拟当疾病发生时不同生物体的电磁场影响。图3(a)为三维头颅模型的 二维图像，图3(b)是三维头颅模型的二维重构图像的实部，图3(c)是三维头颅模型的二维 重构图像的虚部。三维头颅模型重构图像能够清晰地显示脑部的8种不同组织，其中包含出 血性脑卒中。图4(a)是三维乳房模型的二维图像，图4(b)是三维乳房模型的二维重构图像 的实部，图4(c)是三维乳房模型的二维重构图像的虚部。三维乳房模型的重构图像能够清 晰地显示乳房的四种不同组织，其中包含肿瘤细胞。
[0141] 本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出 其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相 近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种非接触式磁感应成像系统，其特征在于：它包括信号发生模块、信号发射模块、 控制模块、信号接收模块、信号处理模块、图像显示模块;所述信号发生模块包括射频信号 发生器和多通道控制开关电路板，所述信号发射模块、信号接收模块、控制模块和多通道控 制开关电路板分别与所述射频信号发生器连接，所述多通道控制开关电路板与信号接收模 块连接； 所述控制模块控制所述信号发生模块产生单频率的射频信号，射频信号以交变电流的 形式施加在所述信号发射模块中，交变电流产生交变磁场，所述信号接收模块对交变磁场 进行接收，并将接收到的信号通过所述控制模块传输至所述信号处理模块，所述信号处理 模块对接收到的信号进行重构得到目标生物体的二维重构图像，二维重构图像传输至所述 图像显示模块进行显示。2. 如权利要求1所述的一种非接触式磁感应成像系统，其特征在于:所述信号发射模块 和信号接收模块均由射频线圈实现;所述信号发射模块采用作为激励线圈的射频线圈，作 为激励线圈的射频线圈数量为Ντ，Ντ为自然数且Nt多1;所述信号接收模块采用作为测量线 圈的射频线圈，作为测量线圈的射频线圈数量为Nr，Nr为自然数且Nr多3。3. 如权利要求2所述的一种非接触式磁感应成像系统，其特征在于:所述射频线圈采用 螺线管线圈、亥姆霍兹线圈、贴片射频天线或开口波导天线。4. 如权利要求2所述的一种非接触式磁感应成像系统，其特征在于:所述射频线圈的数 量为16个，以目标生物体为中心，16个所述射频线圈围绕着目标生物体均匀排列成正方形； 每个射频线圈既作为激励线圈产生磁场，又作为测量线圈检测目标生物体内部及其周围的 磁场变化以及电导率的分布状态。5. 如权利要求2所述的一种非接触式磁感应成像系统，其特征在于：目标生物体与所述 射频线圈之间以及各所述射频线圈之间的间隙内都充满媒介。6. 如权利要求2所述的一种非接触式磁感应成像系统，其特征在于:所述作为激励线圈 的射频线圈与作为测量线圈的射频线圈之间的位置关系为：均位于目标生物体的同侧，位 于相同高度或不同高度;或相互平行;或相互重合;或均与目标生物体成一定的角度。7. 如权利要求1~6任一项所述的一种非接触式磁感应成像系统，其特征在于:所述非 接触式磁感应成像系统的工作频率范围为IMHz-lOMHz。8. -种基于权利要求1~7任一项所述成像系统的非接触式磁感应成像方法，其包括以 下步骤： 51、 设置一包括信号发生模块、信号发射模块、控制模块、信号接收模块、信号处理模块 和图像显示模块的非接触式磁感应成像系统;信号发生模块包括射频信号发生器和和多通 道控制开关电路板;信号发射模块采用作为激励线圈的射频线圈，信号接收模块采用作为 测量线圈的射频线圈； 52、 电磁波激励； 控制模块控制信号发射模块中至少一个激励线圈向目标生物体施加正弦交变电流;所 述正弦交变电流在目标生物体周围产生激励磁场，激励磁场使目标生物体产生涡流，涡流 产生感应磁场和/或散场磁场； 53、 回波信号测量； 控制模块控制信号接收模块中至少三个离目标生物体垂直距离相同的测量线圈检测 来自目标生物体的感应磁场和/或散场磁场;检测到的感应磁场和/或散场磁场传输至信号 处理模块； 54、 信号处理模块对接收到的感应磁场和/或散场磁场进行二维成像处理，得到目标生 物体的二维图像数据； 55、 目标生物体的二维图像传输至图像显示模块进行显示。9. 如权利要求8所述的一种非接触式磁感应成像方法，其特征在于:所述步骤S4中，信 号处理模块对接收到的感应磁场和/或散场磁场进行二维成像处理的具体过程为： 541、 对目标生物体进行建模； 建立目标生物体的电磁属性和散射回波之间的非线性观测模型，基于测量线圈的分布 排列建立描述目标生物体内部结构的表征模型； 非线性观测模型包括内部场效应模型和目标外部场效应模型； 内部场效应模型描述为：式(3)中，Hin。为入射磁场，ω = 2Jif为工作角频率，f为信号的发射频率，μ〇为自由空间的 磁导率，G为格林函数，P为从场源点到散射磁场的位置矢量，？为从场源点到目标生物体内 一点的位置矢量，ko为自由空间的波数，Jm为磁电流密度，Jm= j ω μ〇(yr-l)H，μΓ为目标生物 体的磁导率，Js为感应电流密度，J s = jw e〇(er-l)E，e()为自由空间的介电常数，目标生 物体的介电常数，，ετ = ε 'r-jo/ ω ε〇，σ为目标生物体的电导率，ε \为目标生物体相对介电 常数的实部，E为总电场，E =入射电场+散射电场； 外部场效应模型描述为：(4)式(4)中，^为从场源点到场域内任一点的单位向量，《 R为从场源点到散射场内任意一点的距离； 542、 计算成像； 对至少三个测量线圈所接收到的感应磁场和/或散场磁场进行如下分析： 依次对所有测量线圈中的任意两个测量线圈所接收到的感应磁场和/或散场磁场进行 两两对比； 依次根据两两比对得到的差异获得能够反映目标生物体电磁属性分布的幅值和相位 的信息； 根据连续检测到的电磁属性分布信息，利用MATLAB平台或其他计算机语言从建立的非 线性观测模型和描述目标生物体内部结构的表征模型中提取出相应的变化数值和曲线，并 根据变化数值重建目标生物体的二维图像。10. 如权利要求9所述的一种非接触式磁感应成像方法，其特征在于:所述步骤S42中， 目标生物体二维图像的重建包括以下步骤： (1)计算所有测量线圈中任意两个测量线圈(^)的复可见度：其中*表示复数共辄，<> 表示平均时间，复可见度V包含任意两个测量线目的 相位延迟和/或振幅差异； (2) 依次计算任意两个测量线圈的复可见度函数，得到所有测量线圈的总可见度，当测 量线圈为Nr个时，Nr为自然数且Nr多3，总可见度为Nr(Nr_1 )个测量线圈的可见度之和； (3) 通过对所有测量线圈总复可见度函数进行傅里叶逆变换，得到任意形状目标生物 体的二维图像。
【文档编号】A61B5/05GK105997070SQ201610436598
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】王露露
【申请人】合肥工业大学