電磁層析成像技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

更新時間：2024-10-17

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磁感應(yīng)斷層成像(Magnetic induction tomography, MIT)，也被稱為電磁層析成像、渦流成像等，是一種非接觸的電阻抗斷層成像技術(shù)。盡管MIT與電阻抗斷層成像技術(shù)類似，都是以重建被測區(qū)域內(nèi)部電導率分布為目標，但MIT的不同點在于其向被測區(qū)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(yōu)勢。目前MIT已廣泛用于金屬成分檢測、液態(tài)金屬雜質(zhì)檢測、二相流可視化等工業(yè)領(lǐng)域。鑒于磁場激勵較激勵的優(yōu)勢，MIT在生物醫(yī)學領(lǐng)域也具有廣泛應(yīng)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(yīng)理論，其基本檢測過程如圖1所示。首先，向檢測區(qū)域施加一個交變磁場；然后，在感應(yīng)區(qū)內(nèi)存在具有電磁特性的物質(zhì)時，會形成感應(yīng)渦流，從而產(chǎn)生二次磁場；最后，利用排列在檢測區(qū)域外部的磁場探測器采集MIT數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)完成后處理之后，利用圖像重建算法即可得到MIT圖像。

在生物醫(yī)學應(yīng)用中，通常假定生物體內(nèi)部是無源且不導磁的，且生物體內(nèi)各組織的電磁特性均為線性和各項同性的。在生物醫(yī)學研究中MIT的控制方程可寫為：

$\frac{1}{??} ? \times ? \times ?? + (?? ?? ?? ? {??}^{2} ??) ?? = {??}_{??}$

其中， $??$ 是磁導率， $??$ 是介電常數(shù)， $??$ 是電導率， $??$ 為矢量磁勢， $?? = \sqrt{? 1}$ ， $??$ 是角頻率， ${??}_{??}$ 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 $?? = {??}_{0}$ 。

檢測線圈中的感應(yīng)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，便得到檢測電壓與被測生物體內(nèi)電導率分布的關(guān)系，通過圖像重建算法便可得到生物體內(nèi)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 面向生物醫(yī)學的MIT研究

目前主要有腦部、腹部、心臟等部位疾病的研究。

3.1 腦部成像研究

由于腦部結(jié)構(gòu)的復雜性，現(xiàn)有MIT腦部模型無法為MIT靜態(tài)算法研究提供更精確的腦部先驗信息，這使得腦部靜態(tài)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(shù)據(jù)即可實現(xiàn)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(yōu)化MIT成像算法，開展猴等大動物腦部MIT活體成像實驗及人體臨床試驗研究，將會在未來進一步推動腦部MIT研究。

3.2 腹部出血監(jiān)護成像

MIT腹部出血實時監(jiān)測實驗是MIT在生物醫(yī)學領(lǐng)域報道的活體動物實時成像實驗研究，其實驗結(jié)果有效驗證了MIT進行活體成像監(jiān)測的可行性，為下一步的臨床研究奠定了基礎(chǔ)。

然而，目前用于動物實驗的MIT硬件系統(tǒng)尺寸較小，為進一步開展臨床應(yīng)用研究還需研究建立適配人體尺寸的MIT硬件系統(tǒng)。

3.3 肺部、心臟功能監(jiān)測、膀胱體積無創(chuàng)監(jiān)測、腎結(jié)石快速檢測等應(yīng)用

考慮到MIT受到高電阻率物質(zhì)的影響較小，且MIT的非接觸特性不會存在接觸阻抗的問題，從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床應(yīng)用前景。Scharfetter課題組提出利用5 x 5平面線圈矩陣進行數(shù)據(jù)采集并對胸部電導率變化進行成像，該方法可以將數(shù)據(jù)采集線圈方便地安裝在病床上，解決現(xiàn)階段接觸式監(jiān)護方法面臨的問題，其結(jié)果如圖4所示。

盡管目前適用于上述臨床研究方向的MIT硬件系統(tǒng)還不是很成熟，但上述部位成像的應(yīng)用研究通過仿真驗證了其可行性，這為拓展MIT的臨床應(yīng)用方向提供了有益的思路。此外，MIT和其他技術(shù)結(jié)合，為未來MIT技術(shù)的研究提供了新思路。