電磁層析成像技術在醫療領域的應用

磁感應斷層成像(Magnetic induction tomography, MIT)，也被稱為(wei) 電磁層析成像、渦流成像等，是一種非接觸的電阻抗斷層成像技術。盡管MIT與(yu) 電阻抗斷層成像技術類似，都是以重建被測區域內(nei) 部電導率分布為(wei) 目標，但MIT的不同點在於(yu) 其向被測區域施加的是磁場激勵而非電場激勵。因MIT的非接觸特性，較電阻抗斷層成像而言更具有優(you) 勢。目前MIT已廣泛用於(yu) 金屬成分檢測、液態金屬雜質檢測、二相流可視化等工業(ye) 領域。鑒於(yu) 磁場激勵較激勵的優(you) 勢，MIT在生物醫學領域也具有廣泛應用前景。

2 MIT的基本原理

MIT檢測的基本原理是法拉第電磁感應理論，其基本檢測過程如圖1所示。首先，向檢測區域施加一個(ge) 交變磁場 ；然後，在感應區內(nei) 存在具有電磁特性的物質時，會(hui) 形成感應渦流，從(cong) 而產(chan) 生二次磁場 ；最後，利用排列在檢測區域外部的磁場探測器采集MIT數據，對數據完成後處理之後，利用圖像重建算法即可得到MIT圖像。

在生物醫學應用中，通常假定生物體(ti) 內(nei) 部是無源且不導磁的，且生物體(ti) 內(nei) 各組織的電磁特性均為(wei) 線性和各項同性的。在生物醫學研究中MIT的控製方程可寫(xie) 為(wei) ：

1𝜇∇×∇×𝐴+(𝑖𝜔𝜎−𝜔2𝜀)𝐴=𝐽𝑠

其中， 𝜇 是磁導率， 𝜀 是介電常數， 𝜎 是電導率， 𝐴 為(wei) 矢量磁勢， 𝑖=−1 ， 𝜔 是角頻率， 𝐽𝑠 是源電流密度。生物組織的磁導率和真空磁導率接近，因此通常假定 𝜇=𝜇0 。

檢測線圈中的感應電壓可通過矢量磁勢的切向分量沿線圈的線積分得到。如此，便得到檢測電壓與(yu) 被測生物體(ti) 內(nei) 電導率分布的關(guan) 係，通過圖像重建算法便可得到生物體(ti) 內(nei) 的電導率分布。目前常用的重建算法有直接投影算法、濾波反投影算法及其改進算法、靈敏度矩陣和牛頓類算法等。

3 麵向生物醫學的MIT研究

目前主要有腦部、腹部、心髒等部位疾病的研究。

3.1 腦部成像研究

由於(yu) 腦部結構的複雜性，現有MIT腦部模型無法為(wei) MIT靜態算法研究提供更精確的腦部先驗信息，這使得腦部靜態MIT成像十分困難。多頻MIT是利用生物組織的阻抗頻譜特性差異進行成像，無需基線參考數據即可實現病灶的快速檢測，可能是未來腦部MIT研究的熱點方向。利用更準確的顱腦先驗信息以優(you) 化MIT成像算法，開展猴等大動物腦部MIT活體(ti) 成像實驗及人體(ti) 臨(lin) 床試驗研究，將會(hui) 在未來進一步推動腦部MIT研究。

3.2 腹部出血監護成像

MIT腹部出血實時監測實驗是MIT在生物醫學領域報道的活體(ti) 動物實時成像實驗研究，其實驗結果有效驗證了MIT進行活體(ti) 成像監測的可行性，為(wei) 下一步的臨(lin) 床研究奠定了基礎。

然而，目前用於(yu) 動物實驗的MIT硬件係統尺寸較小，為(wei) 進一步開展臨(lin) 床應用研究還需研究建立適配人體(ti) 尺寸的MIT硬件係統。

3.3 肺部、心髒功能監測、膀胱體積無創監測、腎結石快速檢測等應用

考慮到MIT受到高電阻率物質的影響較小，且MIT的非接觸特性不會(hui) 存在接觸阻抗的問題，從(cong) 而使其受胸廓呼吸影響較小，因此肺部MIT研究也具有較好的臨(lin) 床應用前景。Scharfetter課題組提出利用5 x 5平麵線圈矩陣進行數據采集並對胸部電導率變化進行成像，該方法可以將數據采集線圈方便地安裝在病床上，解決(jue) 現階段接觸式監護方法麵臨(lin) 的問題，其結果如圖4所示。

盡管目前適用於(yu) 上述臨(lin) 床研究方向的MIT硬件係統還不是很成熟，但上述部位成像的應用研究通過仿真驗證了其可行性，這為(wei) 拓展MIT的臨(lin) 床應用方向提供了有益的思路。此外，MIT和其他技術結合，為(wei) 未來MIT技術的研究提供了新思路。