СИСТЕМЫ МАГНИТНО-ИНДУКЦИОННОЙ ТОМОГРАФИИ С КАТУШЕЧНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ
MAGNETIC INDUCTION TOMOGRAPHY SYSTEMS OF COIL CONFIGURATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системе магнитно-импедансной томографии (MIT) с катушечной системой возбуждения и катушечной системой измерения. Катушки возбуждения и измерительные катушки размещаются вокруг исследуемого объема (VOI). В общем случае, когда катушки возбуждения активированы, в проводящем объекте в VOI-объеме генерируются вихревые токи. С помощью измерительных катушек измеряется магнитное поле, сгенерированное этими вихревыми токами. По собранным измерительным данным могут быть реконструированы характеристики проводимости объекта (например, в виде изображений).
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подобная система магнитно-импедансной томографии упомянута в патентной заявке США 2008/0246472 в качестве системы для индуктивного измерения биоимпеданса проводящей ткани.
В известной системе магнитно-импедансной томографии обеспечивается генерирующая катушка для генерирования первичного магнитного поля, которое проходит через проводящий материал (например, ткань). Данный поток индуцирует в ткани вихревые токи. Единственная сенсорная катушка измеряет вторичное магнитное поле, сгенерированное наведенными вихревыми токами. Генерирующая катушка и сенсорная катушка ориентированы перпендикулярно. Таким образом, результирующий поток, проходящий из генерирующей катушки через сенсорную катушку, отсутствует. Известная система магнитно-импедансной томографии включает в себя дополнительную регулирующую катушку, чтобы «погасить» первичное магнитное поле в сенсорной катушке. В результате сенсорная катушка детектирует только вторичное магнитное поле.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в создании системы магнитно-импедансной томографии, обеспечивающей повышенное качество изображения, в особенности для объемных объектов.
Данная задача решается с помощью системы магнитно-импедансной томографии по изобретению, содержащей:
систему возбуждения, имеющую несколько катушек возбуждения для генерирования магнитного поля возбуждения с целью наведения вихревых токов в исследуемом объеме,
измерительную систему, имеющую несколько измерительных катушек для измерения полей, сгенерированных наведенными вихревыми токами,
при этом измерительные катушки расположены по объемной (3D) геометрической схеме, и
отдельные измерительные катушки ориентированы по существу поперечно силовым линиям магнитного поля возбуждения катушек возбуждения, и
устройство для реконструкции, предназначенное для приема измерительных данных из измерительной системы и реконструкции изображения объекта в исследуемом объеме по измерительным данным.
Измерительные катушки расположены по 3D-объемной компоновке, так что измерительные катушки окружают или частично охватывают объемную исследуемую область. Таким образом, объемный объект, такой как голова пациента, которую требуется обследовать, может быть помещен в объемную область, и вихревые токи, индуцированные в объекте, могут быть измерены. Измерения для соответствующих измерительных катушек могут выполняться одновременно, т.е. параллельно, так что для получения данных от объемного объекта в VOI-объеме требуется лишь короткий отрезок времени измерения, равный нескольким секундам или менее. В альтернативном варианте может осуществляться последовательное управление катушками, так что активируются объемы (например, пары) катушек, расположенных в различных, например, противоположных положениях вокруг исследуемого объема. Когда выполняется большое число измерений, содержащих независимую информацию, качество реконструированного изображения повышается в силу более высокого содержания общей измерительной информации, а значит, также в силу снижения уровня помех и содержания артефактов.
Помимо этого, катушки возбуждения расположены так, чтобы окружать исследуемый объем. Отдельные измерительные катушки ориентированы по существу поперечно силовым линиям магнитного поля, сгенерированного катушками возбуждения. Например, если катушки возбуждения генерируют однородное магнитное поле, в котором силовые линии поля проходят параллельно, измерительные катушки расположены поперечно катушкам возбуждения. Таким образом, измерительные катушки практически или совсем не захватывают поток магнитного поля возбуждения, генерируемого катушками возбуждения. При этом однородное магнитное поле возбуждения генерируется катушками возбуждения в исследуемом объеме. Следовательно, динамический диапазон сигналов, принимаемых измерительными катушками, существенно снижен по сравнению с сигналами, порождаемыми магнитным полем возбуждения, при этом чувствительность к индуцированному магнитному полю, вызванному вихревыми токами, повышается. Помимо этого, малый динамический диапазон позволяет использовать в измерительной системе сверхмалошумные усилители с постоянным коэффициентом усиления.
Измерительные данные с измерительных катушек подаются в устройство для реконструкции, которое реконструирует изображение, а именно объемное изображение объекта в исследуемом объеме.
Эти и другие аспекты изобретения дополнительно будут разъяснены со ссылкой на варианты осуществления, определяемые в зависимых пунктах формулы изобретения.
Существуют различные пути конфигурирования катушек возбуждения и измерительных катушек, так, измерительные катушки ориентируются поперечно магнитному полю возбуждения. Простая компоновка заключается в обеспечении пары катушек возбуждения, ориентированных параллельно. Стандартная схема Гельмгольца позволяет получить хорошие результаты для катушек возбуждения. Для пары катушек Гельмгольца требуется только один источник питания. Соленоидная катушка обладает весьма высокой однородностью магнитного поля возбуждения и также требует только один источник питания. Дополнительно, множеством катушечных пар Гельмгольца можно управлять параллельно, в соединении с единственным источником питания, или для соответствующих пар катушек может быть обеспечен отдельный источник питания. В каждой из данных конфигураций измерительные катушки могут быть ориентированы поперечно катушкам возбуждения.
В одном примере осуществления изобретения катушки возбуждения расположены в конфигурации, подобной схеме Гельмгольца, для возбуждения однородного магнитного поля. Однородное поле распространяется в области между катушками каждой отдельной катушечной пары Гельмгольца. Пара катушек Гельмгольца имеет две одинаковые круглые магнитные катушки, расположенные симметрично по одной на каждой стороне исследуемого объема вдоль общей оси, будучи разнесенными на расстояние h, при этом для классических катушек Гельмгольца величина h равна радиусу R катушки. В процессе работы по каждой катушке проходит одинаковый электрический ток, протекающий в одном направлении. Задав h=R, что определяет пару катушек Гельмгольца, можно минимизировать неоднородность поля (B) в центре катушек.
В другом примере катушки возбуждения выполнены в виде соленоида, генерирующего магнитное поле, которое является однородным в центральной области соленоида. Центральная область однородного магнитного поля увеличивается (вдоль продольной оси соленоида) с увеличением длины соленоида.
В одном аспекте изобретения система магнитно-импедансной томографии имеет измерительные катушки, расположенные по геометрической компоновке полусферы. А именно центры измерительных катушек расположены на поверхности полусферы, в то время как область витка катушки ориентирована поперечно силовым линиям магнитного поля, генерируемого катушками возбуждения. При такой компоновке измерительные катушки расположены близко, т.е. на малом расстоянии, от объемного объекта. Расстояние до объекта должно быть как можно меньшим для обеспечения высокой чувствительности, при этом оно лимитируется только практическими ограничениями, такими как пригодность для различных объемов или производственные соображения. Для объектов, подобных голове человека, допустимы расстояния от 1 до 4 см. Помимо этого, чувствительность измерительной системы имеет более равномерное пространственное распределение по сравнению с MIT-системами, в которых катушки возбуждения и измерительные катушки расположены на одном уровне.
В дополнительном аспекте изобретения катушки возбуждения электрически соединены на противоположных концах исследуемого объема. Таким образом, данные катушки возбуждения одновременно активируются, чтобы создать однородное магнитное поле в исследуемом объеме.
В дополнительном аспекте изобретения катушки возбуждения расположены на поверхности металлического или неметаллического цилиндра поперечно продольной оси цилиндра. Металлический цилиндр обеспечивает весьма надежную защиту от электромагнитных возмущений, поступающих извне. Может быть также использован простой неметаллический, например пластиковый, цилиндрический носитель. Таким образом, в исследуемом объеме генерируется однородное магнитное поле. Катушки возбуждения могут активироваться одновременно или последовательно в сочетании с соответствующими частями катушек возбуждения. Например, катушки возбуждения могут активироваться в последовательных парах катушек Гельмгольца.
В еще одном аспекте изобретения измерительные катушки слегка наклонены. Таким образом, могут быть скомпенсированы незначительные неоднородности магнитного поля возбуждения. Система магнитно-импедансной томографии по изобретению, например, имеет датчики магнитного поля, например в виде катушек опорного сигнала, для измерения локального магнитного поля. На основе ориентации измеренного локального поля измерительные катушки могут быть наклонены так, чтобы располагаться строго перпендикулярно локальному направлению магнитного поля возбуждения.
В дополнительном аспекте изобретения измерительные катушки расположены на неметаллическом носителе, таком как пластиковый держатель. Отдельные измерительные катушки на неметаллическом носителе расположены поперечно отдельным катушкам возбуждения, расположенным на цилиндре. Эти и другие аспекты изобретения будут освещены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже, а также со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично изображает систему магнитно-импедансной томографии согласно изобретению.
Фиг.2 схематично изображает схему Гельмгольца для двух катушек.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 схематично представлена система магнитно-импедансной томографии согласно изобретению. Система 10 возбуждения включает в себя катушки 11 возбуждения и схему 13 возбуждения. Катушки 11 возбуждения расположены на цилиндрической поверхности цилиндра 12. Схема 13 возбуждения предусмотрена для выборочного возбуждения катушек возбуждения. Схема 13 возбуждения включает в себя источники тока катушек возбуждения. Например, схема возбуждения подает электрический ток на пару катушек 11 возбуждения, расположенных по схеме Гельмгольца (см. фиг.2). Схема 13 возбуждения управляется компьютером 30 системы. Компьютер 30 системы может представлять собой универсальный компьютер с соответствующим программным обеспечением. Альтернативно компьютер 30 системы представляет собой специализированный процессор.
Измерительная система 20 содержит измерительные катушки 21 и измерительную схему 22. Центры измерительных катушек 21 расположены на поверхности полусферы. Таким образом, измерительные катушки 21 расположены вокруг исследуемого объема 3. Дополнительно области, охваченные соответствующими витками измерительных катушек 21, ориентированы перпендикулярно области, охваченной катушками 11 возбуждения. А именно области витков измерительных катушек 22 проходят параллельно поверхности цилиндра 12, над которой проходят витки катушек возбуждения. Дополнительно, измерительная схема 22 соединена с измерительными катушками для приема сигналов напряжения, индуцируемых в измерительных катушках посредством вихревых токов в объекте, расположенном в исследуемом объеме 3. Измерительная схема управляется компьютером 30 системы. Например, результаты измерений получают последовательно или одновременно из соответствующих наборов измерительных катушек, находящихся в одном и том же продольном положении вокруг стенки цилиндра, при возбуждении пар катушек Гельмгольца, находящихся рядом с этим продольным положением. По альтернативному варианту несколько пар катушек возбуждения Гельмгольца могут активироваться схемой 13 возбуждения параллельно, при этом измерения выполняются параллельно на нескольких измерительных катушках. Измерительная схема включает в себя один или несколько сверхмалошумных усилителей. Такие усилители имеют сверхнизкий уровень шумов, составляющий менее lnV/√Гц при постоянном коэффициенте усиления 20 дБ или более и, таким образом, в силу ограничений подачи напряжения имеют ограниченный диапазон входного напряжения. Выходные сигналы измерительной схемы поступают в устройство 4 реконструкции, которое реконструирует данные изображений из выходных сигналов. Реконструированные изображения выводятся на дисплей 31. Устройство реконструкции может быть введено в состав, например, программного обеспечения в компьютере 30 системы.
Измерительная схема может также принимать опорные сигналы от датчиков магнитного поля, таких как катушки опорных сигналов, расположенных поблизости от катушек возбуждения, для измерения возбужденного магнитного поля. Одна или несколько катушек опорных сигналов расположены параллельно катушкам возбуждения. Имеется также возможность измерять ток, протекающий в катушках возбуждения, в целях получения опорных данных. Измерительная схема подает эти опорные сигналы в электронную систему, в которой опорные данные используются совместно с данными измерений для расчета данных о фазе для измеренных данных.
Измерительные катушки могут также выстраиваться по магнитному полю возбуждения для компенсации неоднородностей поля. Это достигается путем наклона измерительных катушек так, чтобы измеренная часть магнитного поля возбуждения была как можно меньшей (если отсутствует проводящий объект в VOI-объеме, вихревые токи не образуются).
2
2
2
2
На фиг.2 схематично представлена схема Гельмгольца для двух катушек. Схема Гельмгольца создает однородное магнитное поле возбуждения в области между катушками отдельной катушечной пары схемы Гельмгольца. Пара катушек Гельмгольца имеет две одинаковые круглые магнитные катушки, расположенные симметрично по одной на каждой стороне исследуемого объема вдоль общей оси и при этом разнесенные на расстояние h, равное радиусу R катушки. В процессе работы по каждой катушке проходит одинаковый электрический ток, протекающий в одном направлении. Задав h=R, что определяет пару катушек Гельмгольца, можно минимизировать неоднородность поля (B) в центре катушек по условию dB/dx=0 (где x берется вдоль направления разделения двух катушек), при этом напряженность поля может варьироваться примерно на 6% между центром и плоскостями катушек. Незначительное увеличение h приводит к снижению различия в напряженности поля между центром и плоскостями катушек за счет снижения однородности поля в области, близкой к центру, измеряемой величиной dB/dx. Чем больше катушек возбуждения работают параллельно по схеме Гельмгольца (т.е. параллельные электрические токи протекают по противоположным катушкам, разнесенным на расстояние, равное радиусу катушек), тем выше однородность поля возбуждения.