绝缘性容器壁对磁感应断层成像相位检测的影响研究*

殷悦，刘锐岗

(第四军医大学生物医学工程系医学图像学教研室，710032 西安)

1 引 言

磁感应断层成像(magnetic induction tomography, MIT)是一种非接触的电阻抗断层成像(electrical impedance tomography, EIT)[1]。MIT依据交变磁场的涡流感应原理[2]，通过线圈施加交变电流并测量磁感应响应信号的相位差，然后应用多个激励测量角度的相位差来重建电导率(或其变化量)的分布图像[3]。MIT技术具有非接触、无创、安全的特点，可检测或监测能引起电阻抗分布状态变化的出血、水肿等疾病[4-5]，具有显著的临床应用前景。

为了验证MIT实验系统的性能，通常的选择是对物理模型进行检测并成像。物理模型就是人为设定的模拟两种或以上电阻抗分布的装置，最常见的是盐水槽或琼脂块模型[6-7]。不同电阻抗分布区域需要隔离，否则设定的电阻抗分布状态将很快改变。隔离的材料应该不引起磁感应相位信号，因此多篇文献采用绝缘材料，例如有机玻璃[3，8]。该方法容易实现，也方便模拟不同的电阻抗分布，而且容器中充入不同电导率的扰动目标时可以获得正确反映电阻抗分布变化趋势的图像，因而能够很好地检验MIT实验系统的成像性能。根据涡流感应原理，绝缘材料不产生磁感应信号，似乎不会对MIT的最终成像有影响。已公开的文献也未见绝缘材料对磁感应相位测量影响的研究报道。但是绝缘容器壁放在背景溶液内会占有一部分体积，使得原本导电的空间变成不导电，从而改变了电阻抗的分布，因而有必要深入分析绝缘容器壁是否影响磁感应相位测量。

为了凸显绝缘性容器壁本身对磁感应相位测量的影响，本研究采用有机玻璃制作了两种圆柱形容器，其内充入与背景溶液相同的饱和CaSO4溶液，测量磁感应相位差，分析有机玻璃体积与磁感应相位差的关系；为了获得连续的绝缘性材料体积与磁感应相位差的关系，将一个实心有机玻璃棒逐步浸入背景溶液，分别测量磁感应相位差，并绘制相位差随浸入深度的变化曲线。

2 材料与方法

2.1 MIT实验系统

采用课题组研制的16通道MIT实验系统，线圈阵列等间隔环绕在直径20 cm的圆周上，见图1。激励电流为正弦交流电，频率为10 MHz。线圈按照逆时针方向顺序编号，从0到15。本研究只关注相位差数据的测量，在0号线圈注入激励电流，在8号线圈测量相位响应，该相位是相对于激励电流的相位差。

图1 MIT实验系统

2.2 物理模型

物理模型采用圆柱形盐水槽，槽壁宽0.4 cm，外径20 cm。槽内充入饱和CaSO4溶液，其电导率约为0.23 S/m，用来模拟均匀的电导率分布背景。溶液液面高度没过线圈阵列所在平面1 cm。

位于圆柱体模型外部的四方形外支架的材料为有机玻璃，其电阻率为1014～1015Ω·cm，近似为绝缘材料，用来支撑U形架，外标有刻度，方便记录移动距离。U形架可前后移动并且中间镂空，U形架上的一对螺母可以调节螺丝杆左右上下移动。螺丝杆下端连接扰动目标容器，螺丝杆与U形架配合即可实现移动扰动目标到达盐水槽内任意位置。容器的作用是装入盐溶液以模拟不同电导率的扰动目标[9-11]。

2.3 有机玻璃容器

容器壁的材料也选择为有机玻璃，用于盛放盐溶液。容器为圆柱型，如图2(a)所示，底厚0.5 cm，顶厚0.8 cm，壁厚0.5 cm，顶部中间留有直径1.4 cm的螺纹，可通过带有螺丝的棒连接到有机玻璃支架上。容器的高度和直径有多种规格，加工后的实物如图2(b)所示，本研究采用了其中的两种，具体参数见表1。由于有机玻璃材料加工存在一定的误差，表中所列的内容积为实际可加入溶液的体积，而不是根据尺寸计算所得的体积。

图2(a).容器设计图；(b).容器实物照片

Fig2(a)Thedesignmapofcontainers;(b)Photo

表1 容器规格参数

3 物理模型相位测量实验

3.1 两种容器的相位测量

设定0号线圈工作在激励模式，与其对向的8号线圈作检测线圈(后面实验都以8号检测线圈的数据为准)。为保证实验的一致性，扰动目标完全浸入背景溶液液面之下，且添加扰动目标后抽取出高于原液面的背景溶液，以保证加入扰动目标前后两种状态的液面高度一致。

实验时，先选取编号2的容器内装满背景溶液饱和CaSO4，放在盐水槽内0号和8号线圈中心连线上，容器中心距离0号线圈4 cm处，测得8号检测线圈的相位数据；再换编号1的容器进行相同的实验。图3为扰动目标放置位置示意图和照片。有机玻璃引起的相位差是盐水槽内没有扰动目标时的相位数据与加入装满背景溶液容器时的相位数据之差。实验数据见表2。

图3扰动目标放置位置
(a)平面示意图；(b)实物照片
Fig3Thepositionofperturbations
(a) Sketch map; (b) Photo

表2两种容器参数及磁感应相位测量数据

Table2TheparametersandMITmeasuredphasedataoftwocontainers

容器编号容器体积/cm3有机玻璃体积/cm3有机玻璃引起相位差/度有机玻璃占容器体积百分比(%)237.526.50.07670.7110.08.00.02280.0

3.2 连续增加有机玻璃体积的相位测量

实验时，将直径为1.8 cm实心圆柱体有机玻璃棒固定在支架上并浸入背景溶液，其位置同3.1，仍然是0号线圈激励、8号线圈测量。从有机玻璃棒刚与背景溶液液面接触起始，逐渐向下移动有机玻璃棒，每下降1 cm测量一次磁感应测量相位，见图4。然后，以有机玻璃棒浸入背景溶液深度为横坐标，以测量所得磁感应相位差为纵坐标，绘制相位差随浸入深度的变化曲线，其中的参考相位均是有机玻璃棒刚接触背景溶液时的相位测量值，见图5。

4 结果

根据表2中数据，两种容器的有机玻璃体积之比为26.5/8.0≈3.31，而测量到的有机玻璃引起的相位差之比为0.076/0.022≈3.45。两者很接近。

由图5的曲线可以看出：有机玻璃对相位检测有影响，并且其引起的相位差随着体积增加近似呈线性增加。根据图5中的数据，利用公式，可计算得出其线性相关系数为0.983[12]。

综合3.1和3.2的实验结果，可以得出：绝缘性的有机玻璃容器壁对于磁感应相位测量有影响，且近似与有机玻璃的体积呈线性关系。

图4有机玻璃棒连续浸入背景溶液实物照片

Fig4Thephotoofplexiglassstickimmerginginbackgroundsolution

图5相位差随浸入深度变化曲线

Fig5Theplotofphaseshiftwithimmergeddepth

5 讨论

由表2可以看出，所选的编号2和编号1的容器中有机玻璃体积占容器体积分别为70.7%和80.0%。本研究这样选择的目的是凸显有机玻璃的作用。由于定做的容器壁厚统一为0.5 cm，所以容器体积越小，有机玻璃部分所占的体积百分比越大。如果选择更大尺寸的容器，这一比例将显著下降。

图5中的曲线，在浸入深度9 cm后，相位差的增加趋缓。其原因可能是因为浸入背景溶液内的有机玻璃棒的前端越来越远离线圈阵列中心所处的平面。由于涡流感应现象实际是在三维区域内作用，远离线圈中心所处平面的部分因远离线圈而导致磁感应相位测量的敏感性下降。

MIT物理模型实验的目的是研究扰动目标的电导率、体积、位置等参数改变对磁感应相位测量或成像的影响。当只改变电导率参数变化时，作为隔离两种电阻抗区域的绝缘性材料(如本研究中所用的有机玻璃)，属于保持不变的部分，因而不会对趋势性的结果产生影响。若只改变体积或位置参数时，当扰动目标体积较大时，隔离材料的影响一般也不影响其趋势。但是，随着MIT测量精度的改善，小体积的扰动目标更多地被采用。根据本研究的实验，此时容器壁所占体积的比例增加，其对磁感应相位的测量结果有较明显影响。为了减轻这种影响，可以在保持原有的易于改变扰动目标的各项参数的情况下，尽可能减小容器壁的厚度，从而减小容器壁的体积。