專利名稱：一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組及其布置方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學工程中的成像技術領域，涉及非接觸方式獲得電阻抗斷層成像的磁感應斷層成像的方法，具體涉及一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組及其布置方法。
背景技術：
電阻抗斷層成像是一種不同于傳統(tǒng)的CT、MRI等的醫(yī)學成像方法，它通過一組貼附在被測對象(如人體)某一斷層表面的電極注入電流/電壓然后測量響應電壓/電流， 應用成像算法重建電極所在斷層內(nèi)部的電阻抗分布圖像。磁感應斷層成像是一種非接觸式的電阻抗斷層成像方法，它通過與被測對象不接觸的線圈施加交變電流激勵，并測量感應渦流所引起的磁場變化，經(jīng)成像算法重建線圈所處斷層內(nèi)部的電阻抗分布圖像。與電阻抗斷層成像相比，磁感應斷層成像同樣是為了獲得被測對象某一斷層內(nèi)的電阻抗分布，但是采用了非接觸的傳感器，即線圈，因而在應用上更為便捷。根據(jù)申請人所進行的資料檢索，與本申請接近的技術有2項。一項為申請人2005 年申請的“非接觸磁感應腦水腫監(jiān)護方法”(非接觸磁感應腦部電導率分布變化的監(jiān)測方法)，該方法提出了幾種利用磁感應原理監(jiān)測腦部電導率分布變化的方法，其中包括一種磁感應斷層成像方法，它采用的線圈系統(tǒng)為“數(shù)量等同的激勵線圈和測量線圈呈圓形、等間隔排列在監(jiān)測目標周圍”，也即在同一個位置處包含兩個線圈，一個為激勵線圈，一個為測量線圈。另一項為重慶大學2007年申請的“一種高靈敏度的開放式磁感應成像測量裝置”，該裝置所用的線圈排列方式為呈圓弧形包圍在被測對象外周，同一個位置包含3個線圈，中間一個為激勵線圈，上下兩個為差動測量線圈。以上兩項申請中均不涉及線圈系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有的磁感應斷層成像中所應用的線圈系統(tǒng)在同一個位置處有2或3個線圈，既包含激勵線圈也包含測量線圈，這導致系統(tǒng)中的線圈數(shù)量較多，相互之間的耦合關系復雜， 在一定程度上影響了整個磁感應斷層成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對磁感應斷層成像中線圈個數(shù)多的問題，本發(fā)明的目的在于，提出一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，在每一個位置僅設置一個線圈，所有線圈中僅有一個為激勵線圈，其余均為測量線圈，通過旋轉(zhuǎn)線圈組，獲得與傳統(tǒng)磁感應斷層成像相同或更多的測量數(shù)據(jù)，以便于實現(xiàn)斷層內(nèi)的電阻抗圖像重建。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術解決方案予以實現(xiàn)第一種技術方案一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，托盤上安裝有齒輪，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上。
第二種技術方案一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，支架上安裝有齒輪，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上。第三種技術方案一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，支架和托盤上分別安裝有齒輪，齒輪通過各自的同步帶分別連接到各自的步進電機上。一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組的布置方法，其特征在于，將一組激勵線圈和測量線圈呈圓環(huán)形圍繞被測對象排列，其中心在一個平面內(nèi)，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈，在激勵線圈中通以交變電流，所產(chǎn)生的交變磁場可在被測對象內(nèi)部感應出交變渦流，該渦流與被測對象內(nèi)部的電阻抗分布相關，通過不同位置的測量線圈可以檢測渦流引起的磁場的變化，應用磁感應斷層成像算法可以重建被測對象內(nèi)部的電阻抗分布圖像，為獲得圖像重建所需的測量數(shù)據(jù)，在保持線圈組內(nèi)所有線圈相對位置不變的條件下，通過旋轉(zhuǎn)的方式獲得不同角度的測量數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)的方式有以下三種A 激勵線圈和測量線圈不動，被測對象旋轉(zhuǎn)；B 被測對象不動，激勵線圈和測量線圈旋轉(zhuǎn)；C 激勵線圈和測量線圈和被測對象各自旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，將一組激勵線圈和測量線圈環(huán)繞被測對象排列，激勵線圈和測量線圈組中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈，相較傳統(tǒng)的磁感應斷層系統(tǒng)所用的線圈排列方式減少了一半以上的數(shù)量，為保證斷層電阻抗圖像的重建，通過旋轉(zhuǎn)的方式獲得足夠的測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明的主要優(yōu)點有兩個1)同一個位置僅有一種線圈，或者為激勵線圈或者為測量線圈，減少了一半的線圈個數(shù)，從而簡化了線圈之間的耦合關系，有利于抑制整個磁感應斷層成像硬件系統(tǒng)的噪聲，提升系統(tǒng)測量精度和穩(wěn)定性，最終改善成像質(zhì)量。2)通過旋轉(zhuǎn)的方式，既可以獲得與傳統(tǒng)的磁感應斷層成像線圈系統(tǒng)相同的測量數(shù)據(jù)，也可以控制旋轉(zhuǎn)的角度從而獲得更多的測量數(shù)據(jù)，配合成像算法的改進，有望獲得更好的成像質(zhì)量。


圖1為被測對象旋轉(zhuǎn)方式示意圖，其中步進電機通過同步帶帶動托盤旋轉(zhuǎn)，被測對象置于托盤上。圖2為激勵線圈和測量線圈旋轉(zhuǎn)方式示意圖，其中步進電機通過同步帶帶動線圈支架旋轉(zhuǎn)。圖3為雙旋轉(zhuǎn)方式示意圖，其中步進電機1通過同步帶1帶動線圈支架旋轉(zhuǎn)，步進電機2通過同步帶2帶動托盤旋轉(zhuǎn)，被測對象置于托盤上。圖4為激勵線圈和測量線圈圓形排列方式示意圖，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈，測量線圈的數(shù)量可任意選取，一般為成像需要大于等于5。圖5為激勵線圈和測量線圈扇形排列方式示意圖，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈，測量線圈的數(shù)量可任意選取，一般為成像需要大于等于5。圖6為對象旋轉(zhuǎn)方式、圓形排列方式合成示意圖。圖7為對象旋轉(zhuǎn)方式、扇形排列方式合成示意圖。圖6和圖7為三種激勵線圈和測量線圈旋轉(zhuǎn)方式和兩種激勵線圈和測量線圈排列方式6種組合中的兩種，其他4種組合可以類似于圖6和圖7構(gòu)建。以下結(jié)合附圖和實施對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
具體實施例方式本實施例給出三種激勵線圈和測量線圈(以下簡稱線圈組)以及旋轉(zhuǎn)方式和兩種激勵線圈和測量線圈排列方式，通過組合可以獲得6種旋轉(zhuǎn)式線圈組。第一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，托盤上安裝有齒輪，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上。第二種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，支架上安裝有齒輪，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上。第三種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，支架和托盤上分別安裝有齒輪，齒輪通過各自的同步帶分別連接到各自的步進電機上。三種線圈組旋轉(zhuǎn)方式分別為1)線圈組不動而被測對象旋轉(zhuǎn)，以下簡稱“對象旋轉(zhuǎn)方式”；2)被測對象不動而線圈組旋轉(zhuǎn)，以下簡稱“線圈旋轉(zhuǎn)方式”；3)線圈組和被測對象各自旋轉(zhuǎn)，以下簡稱“雙旋轉(zhuǎn)方式”。兩種線圈組排列方式分別為1)線圈組以中心等間隔方式排列在一個圓形上，激勵線圈個數(shù)為1，其余為測量線圈，以下簡稱“圓形排列方式”；2)測量線圈以中心等間隔方式排列在一段圓弧上，激勵線圈中心位于正對圓弧的中心的同一圓形上，激勵線圈和測量線圈組形成一個扇形，以下簡稱“扇形排列方式”。所有測量線圈具有相同的參數(shù)，而激勵線圈的參數(shù)可以與測量線圈不同也可以相同。1、以下分別對3種線圈組旋轉(zhuǎn)方式進行說明。1)對象旋轉(zhuǎn)方式線圈組不動而被測對象旋轉(zhuǎn)，參見圖1。其工作原理為線圈組附著在支架上，在測量過程中保持靜止不動；被測對象置于托盤上，托盤下面與一個齒輪相連，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上；由計算機控制步進電機轉(zhuǎn)動，從而帶動托盤旋轉(zhuǎn)；托盤每次旋轉(zhuǎn)的角度由計算機程控。對于圓形排列方式，若托盤每次旋轉(zhuǎn)的角度為360° /(全部線圈組個數(shù))，則旋轉(zhuǎn)一周需要(全部線圈組個數(shù))次旋轉(zhuǎn)；若增加測量數(shù)據(jù)個數(shù)，支架每次旋轉(zhuǎn)的角度可為 360° /(全部線圈組個數(shù)*k，k = 2，3，…，n，n為自然數(shù))，則旋轉(zhuǎn)一周需要(全部線圈組個數(shù)乘以k，k = 2，3，…，η，η為自然數(shù))次旋轉(zhuǎn)；后一種所得測量數(shù)據(jù)的個數(shù)為前一種的 k倍。對于扇形排列方式，若托盤每次旋轉(zhuǎn)的角度為兩個測量線圈與圓心所形成的夾角，則旋轉(zhuǎn)一周需要360/(兩個測量線圈與圓心所形成的夾角全部線圈組個數(shù))次旋轉(zhuǎn)；若增加測量數(shù)據(jù)個數(shù)，支架每次旋轉(zhuǎn)的角度可為兩個測量線圈與圓心所形成的夾角/k，k = 2,3,…，η，η為自然數(shù)，則旋轉(zhuǎn)一周需要360/(兩個測量線圈與圓心所形成的夾角全部線圈組個數(shù)*k，k = 2，3，…，η，η為自然數(shù))次旋轉(zhuǎn)；后一種所得測量數(shù)據(jù)的個數(shù)為前一種的k倍。2)線圈旋轉(zhuǎn)方式被測對象不動而線圈組旋轉(zhuǎn)，參見圖2。其工作原理為線圈組環(huán)繞附著在支架上，該支架上有托盤，支架下面與一個齒輪相連，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上；由計算機控制步進電機轉(zhuǎn)動，從而帶動支架旋轉(zhuǎn)；支架每次旋轉(zhuǎn)的角度由計算機程控；被測對象置于托盤上，在測量過程中保持靜止不動。旋轉(zhuǎn)角度和測量數(shù)據(jù)個數(shù)計算同上。3)雙旋轉(zhuǎn)方式線圈組和被測對象各自旋轉(zhuǎn)，參見圖3。其工作原理為線圈組環(huán)繞附著在支架上，該支架下面與一個齒輪相連，齒輪通過同步帶1連接到一個步進電機1上；由計算機控制步進電機1轉(zhuǎn)動，從而帶動支架旋轉(zhuǎn)；支架每次旋轉(zhuǎn)的角度由計算機程控；被測對象置于支架上的托盤上，托盤下面與一個齒輪相連，齒輪通過同步帶2連接到一個步進電機2上；由計算機控制步進電機2轉(zhuǎn)動，從而帶動托盤旋轉(zhuǎn)；托盤每次旋轉(zhuǎn)的角度由計算機程控。旋轉(zhuǎn)角度和測量數(shù)據(jù)個數(shù)計算同上。2、以下給出兩種線圈組排列方式，分別為1)圓形排列方式線圈組以中心等間隔方式排列在一個圓形上，激勵線圈個數(shù)為 1，其余為測量線圈，參見圖4，測量線圈的個數(shù)可任意選擇，為保證圖像重建一般選擇個數(shù)大于5。其工作原理為在激勵線圈中通以交變正弦波電流，于是在激勵線圈周圍形成同頻率交變磁場，處于線圈組包繞的被測對象內(nèi)部將形成同頻率交變渦流，該交變渦流又會形成次生交變磁場，激勵磁場和次生磁場可以通過不同位置處的測量線圈檢測；在保持線圈組靜止不動時，該方式僅能獲得一幀數(shù)據(jù)中的一部分；通過上述的旋轉(zhuǎn)方式，改變激勵線圈的位置，分別激勵和測量多次，最終合成完整的一幀測量數(shù)據(jù)，可用于斷層內(nèi)電阻抗圖像的重建計算。圓形排列方式可以獲得與傳統(tǒng)磁感應斷層成像相同的激勵和測量數(shù)據(jù)，原有的成像算法可以直接應用；如果減小每次旋轉(zhuǎn)的角度，即加密旋轉(zhuǎn)一周時的次數(shù)，可以獲得更多的測量數(shù)據(jù)，這時需要相應修改原有的成像算法，但是更多的數(shù)據(jù)有利于獲得更好的成像質(zhì)量。2)扇形排列方式測量線圈以中心等間隔方式排列在一段圓弧上，激勵線圈中心位于正對圓弧的中心的同一圓形上，激勵線圈和測量線圈組形成一個扇形，參見圖5，測量線圈的個數(shù)可任意選擇，為保證圖像重建一般選擇個數(shù)大于5。其工作原理為激勵和測量原理同上；由于扇形線圈組排列時，測量組沒有包繞全部的被測對象，因此所得的測量數(shù)據(jù)的個數(shù)將少于圓形排列方式，需要相應修改斷層圖像重建算法；為獲得更多的測量數(shù)據(jù)，可以減少每次旋轉(zhuǎn)的角度，即加密旋轉(zhuǎn)一周時的次數(shù)。扇形排列方式中測量線圈僅包繞了被測對象的部分外周，與相同測量線圈間隔的圓形線圈組相比，其每次獲得的測量數(shù)據(jù)的個數(shù)較少；但是所有測量線圈與激勵線圈的距離較為接近，因此所得的測量信號的動態(tài)范圍較小，更容易提升檢測電路的性能，從而改善檢測精度。3、實際的旋轉(zhuǎn)式線圈系統(tǒng)將3種線圈組旋轉(zhuǎn)方式和2種線圈組排列方式進行組合，就可獲得實際可用的旋轉(zhuǎn)式線圈系統(tǒng)，共有6種組合，以2種組合舉例以下1)對象旋轉(zhuǎn)方式、圓形排列方式合成模式線圈組不動而被測對象旋轉(zhuǎn)，線圈組以中心等間隔方式排列在一個圓形上，參見圖6，其中激勵線圈個數(shù)為1，測量線圈個數(shù)為 15，其個數(shù)可調(diào)整。其工作原理為線圈組環(huán)繞附著在支架上，在測量過程中保持靜止不動；被測對象置于旋轉(zhuǎn)托盤上，托盤下面與一個齒輪相連，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上；在激勵線圈中通以交變正弦波電流，于是在激勵線圈周圍形成同頻率交變磁場，處于線圈組包繞的被測對象內(nèi)部將形成同頻率交變渦流，該交變渦流又會形成次生交變磁場，激勵磁場和次生磁場通過不同位置處的測量線圈進行檢測，獲得一組測量數(shù)據(jù)；計算機控制步進電機轉(zhuǎn)動，帶動旋轉(zhuǎn)托盤旋轉(zhuǎn)，重復上述步驟，再次獲得一組測量數(shù)據(jù)；旋轉(zhuǎn)一周，獲得一幀完整的測量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可用于斷層內(nèi)電阻抗圖像的重建計算。2)對象旋轉(zhuǎn)方式、扇形排列方式合成模式線圈組不動而被測對象旋轉(zhuǎn)，測量線圈以中心等間隔方式排列在一段圓弧上，激勵線圈中心位于正對圓弧的中心的同一圓形上，參見圖7，其中激勵線圈個數(shù)為1，測量線圈個數(shù)為7，其個數(shù)可調(diào)整。其工作原理為激勵和測量原理同上，與相同測量線圈間隔的圓形線圈組相比，其每次獲得的測量數(shù)據(jù)的個數(shù)較少，需要相應修改斷層圖像重建算法。所有的6種組合的旋轉(zhuǎn)式線圈系統(tǒng)均可以通過減小旋轉(zhuǎn)角度的方法獲得更多的測量數(shù)據(jù)，從而有利于獲得更好的磁感應斷層成像的圖像。
權(quán)利要求
1.一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，托盤上安裝有齒輪，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上。
2.一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，支架上安裝有齒輪，齒輪通過同步帶連接到一個步進電機上。
3.一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組，包括激勵線圈和測量線圈，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈環(huán)繞設置在支架上，其中僅有一個激勵線圈，其余為測量線圈；支架上有托盤，支架和托盤上分別安裝有齒輪，齒輪通過各自的同步帶分別連接到各自的步進電機上。
4.一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈的布置方法，其特征在于，將一組激勵線圈和測量線圈呈圓環(huán)形圍繞被測對象排列，其中心在一個平面內(nèi)，其中僅有一個激勵線圈， 其余為測量線圈，在激勵線圈中通以交變電流，所產(chǎn)生的交變磁場可在被測對象內(nèi)部感應出交變渦流，該渦流與被測對象內(nèi)部的電阻抗分布相關，通過不同位置的測量線圈可以檢測渦流引起的磁場的變化，應用磁感應斷層成像算法可以重建被測對象內(nèi)部的電阻抗分布圖像，為獲得圖像重建所需的測量數(shù)據(jù)，在保持線圈組內(nèi)所有線圈相對位置不變的條件下， 通過旋轉(zhuǎn)的方式獲得不同角度的測量數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)的方式有以下三種A 激勵線圈和測量線圈不動，被測對象旋轉(zhuǎn)；B 被測對象不動，激勵線圈和測量線圈旋轉(zhuǎn)；C 激勵線圈和測量線圈和被測對象各自旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述的激勵線圈和測量線圈以中心等間隔方式排列在一個圓形上，激勵線圈個數(shù)為1，測量線圈個數(shù)大于等于5個。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，激勵線圈和測量線圈形成一個扇形，激勵線圈為1個，測量線圈個數(shù)大于等于5個，激勵線圈和測量線圈以中心等間隔方式排列在一段圓弧上，激勵線圈中心位于正對圓弧的中心的同一圓形上。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，每次旋轉(zhuǎn)的角度為360°除以全部激勵線圈和測量線圈個數(shù)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，每次旋轉(zhuǎn)的角度為360°除以全部激勵線圈和測量線圈的個數(shù)乘以k，k = 2，3，. . .，η，η為自然數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，每次旋轉(zhuǎn)的角度為兩個測量線圈與圓心所形成的夾角。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，每次旋轉(zhuǎn)的角度為兩個測量線圈與圓心所形成的夾角除以k，k = 2，3，. . η，η為自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于磁感應斷層成像的旋轉(zhuǎn)式線圈組及布置方法，將一組線圈呈圓環(huán)形圍繞被測對象排列，其中一個線圈為激勵線圈，其余線圈為測量線圈，在激勵線圈中通以交變電流，被測對象內(nèi)部因渦流感應而引起的磁場變化可被測量線圈檢測，通過旋轉(zhuǎn)的方式獲得足夠數(shù)量的測量數(shù)據(jù)，用于磁感應斷層成像的需要。線圈組的旋轉(zhuǎn)方式分別為對象旋轉(zhuǎn)方式、線圈旋轉(zhuǎn)方式和雙旋轉(zhuǎn)方式。本發(fā)明減少了一半的線圈個數(shù)，簡化了線圈之間的耦合關系，有利于提升檢測系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性；通過旋轉(zhuǎn)的方式，既可獲得與傳統(tǒng)的磁感應斷層成像線圈系統(tǒng)相同的測量數(shù)據(jù)，也可以控制旋轉(zhuǎn)的角度從而獲得更多的測量數(shù)據(jù)，配合成像算法的改進，有可能獲得更好的成像質(zhì)量。
文檔編號A61B5/053GK102499681SQ20111031490
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者付峰, 劉銳崗, 史學濤, 季振宇, 尤富生, 李燁, 漆家學, 董秀珍 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學