絕緣性容器壁對磁感應斷層成像相位檢測的影響研究*

殷悅，劉銳崗

(第四軍醫大學生物醫學工程系醫學圖像學教研室，710032 西安)

1 引 言

磁感應斷層成像(magnetic induction tomography, MIT)是一種非接觸的電阻抗斷層成像(electrical impedance tomography, EIT)[1]。MIT依據交變磁場的渦流感應原理[2]，通過線圈施加交變電流并測量磁感應響應信號的相位差，然后應用多個激勵測量角度的相位差來重建電導率(或其變化量)的分布圖像[3]。MIT技術具有非接觸、無創、安全的特點，可檢測或監測能引起電阻抗分布狀態變化的出血、水腫等疾病[4-5]，具有顯著的臨床應用前景。

為了驗證MIT實驗系統的性能，通常的選擇是對物理模型進行檢測并成像。物理模型就是人為設定的模擬兩種或以上電阻抗分布的裝置，最常見的是鹽水槽或瓊脂塊模型[6-7]。不同電阻抗分布區域需要隔離，否則設定的電阻抗分布狀態將很快改變。隔離的材料應該不引起磁感應相位信號，因此多篇文獻采用絕緣材料，例如有機玻璃[3，8]。該方法容易實現，也方便模擬不同的電阻抗分布，而且容器中充入不同電導率的擾動目標時可以獲得正確反映電阻抗分布變化趨勢的圖像，因而能夠很好地檢驗MIT實驗系統的成像性能。根據渦流感應原理，絕緣材料不產生磁感應信號，似乎不會對MIT的最終成像有影響。已公開的文獻也未見絕緣材料對磁感應相位測量影響的研究報道。但是絕緣容器壁放在背景溶液內會占有一部分體積，使得原本導電的空間變成不導電，從而改變了電阻抗的分布，因而有必要深入分析絕緣容器壁是否影響磁感應相位測量。

為了凸顯絕緣性容器壁本身對磁感應相位測量的影響，本研究采用有機玻璃制作了兩種圓柱形容器，其內充入與背景溶液相同的飽和CaSO4溶液，測量磁感應相位差，分析有機玻璃體積與磁感應相位差的關系；為了獲得連續的絕緣性材料體積與磁感應相位差的關系，將一個實心有機玻璃棒逐步浸入背景溶液，分別測量磁感應相位差，并繪制相位差隨浸入深度的變化曲線。

2 材料與方法

2.1 MIT實驗系統

采用課題組研制的16通道MIT實驗系統，線圈陣列等間隔環繞在直徑20 cm的圓周上，見圖1。激勵電流為正弦交流電，頻率為10 MHz。線圈按照逆時針方向順序編號，從0到15。本研究只關注相位差數據的測量，在0號線圈注入激勵電流，在8號線圈測量相位響應，該相位是相對于激勵電流的相位差。

圖1 MIT實驗系統

2.2 物理模型

物理模型采用圓柱形鹽水槽，槽壁寬0.4 cm，外徑20 cm。槽內充入飽和CaSO4溶液，其電導率約為0.23 S/m，用來模擬均勻的電導率分布背景。溶液液面高度沒過線圈陣列所在平面1 cm。

位于圓柱體模型外部的四方形外支架的材料為有機玻璃，其電阻率為1014～1015Ω·cm，近似為絕緣材料，用來支撐U形架，外標有刻度，方便記錄移動距離。U形架可前后移動并且中間鏤空，U形架上的一對螺母可以調節螺絲桿左右上下移動。螺絲桿下端連接擾動目標容器，螺絲桿與U形架配合即可實現移動擾動目標到達鹽水槽內任意位置。容器的作用是裝入鹽溶液以模擬不同電導率的擾動目標[9-11]。

2.3 有機玻璃容器

容器壁的材料也選擇為有機玻璃，用于盛放鹽溶液。容器為圓柱型，如圖2(a)所示，底厚0.5 cm，頂厚0.8 cm，壁厚0.5 cm，頂部中間留有直徑1.4 cm的螺紋，可通過帶有螺絲的棒連接到有機玻璃支架上。容器的高度和直徑有多種規格，加工后的實物如圖2(b)所示，本研究采用了其中的兩種，具體參數見表1。由于有機玻璃材料加工存在一定的誤差，表中所列的內容積為實際可加入溶液的體積，而不是根據尺寸計算所得的體積。

圖2(a).容器設計圖；(b).容器實物照片

Fig2(a)Thedesignmapofcontainers;(b)Photo

表1 容器規格參數

3 物理模型相位測量實驗

3.1 兩種容器的相位測量

設定0號線圈工作在激勵模式，與其對向的8號線圈作檢測線圈(后面實驗都以8號檢測線圈的數據為準)。為保證實驗的一致性，擾動目標完全浸入背景溶液液面之下，且添加擾動目標后抽取出高于原液面的背景溶液，以保證加入擾動目標前后兩種狀態的液面高度一致。

實驗時，先選取編號2的容器內裝滿背景溶液飽和CaSO4，放在鹽水槽內0號和8號線圈中心連線上，容器中心距離0號線圈4 cm處，測得8號檢測線圈的相位數據；再換編號1的容器進行相同的實驗。圖3為擾動目標放置位置示意圖和照片。有機玻璃引起的相位差是鹽水槽內沒有擾動目標時的相位數據與加入裝滿背景溶液容器時的相位數據之差。實驗數據見表2。

圖3擾動目標放置位置
(a)平面示意圖；(b)實物照片
Fig3Thepositionofperturbations
(a) Sketch map; (b) Photo

表2兩種容器參數及磁感應相位測量數據

Table2TheparametersandMITmeasuredphasedataoftwocontainers

容器編號容器體積/cm3有機玻璃體積/cm3有機玻璃引起相位差/度有機玻璃占容器體積百分比(%)237.526.50.07670.7110.08.00.02280.0

3.2 連續增加有機玻璃體積的相位測量

實驗時，將直徑為1.8 cm實心圓柱體有機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號線圈激勵、8號線圈測量。從有機玻璃棒剛與背景溶液液面接觸起始，逐漸向下移動有機玻璃棒，每下降1 cm測量一次磁感應測量相位，見圖4。然后，以有機玻璃棒浸入背景溶液深度為橫坐標，以測量所得磁感應相位差為縱坐標，繪制相位差隨浸入深度的變化曲線，其中的參考相位均是有機玻璃棒剛接觸背景溶液時的相位測量值，見圖5。

4 結果

根據表2中數據，兩種容器的有機玻璃體積之比為26.5/8.0≈3.31，而測量到的有機玻璃引起的相位差之比為0.076/0.022≈3.45。兩者很接近。

由圖5的曲線可以看出：有機玻璃對相位檢測有影響，并且其引起的相位差隨著體積增加近似呈線性增加。根據圖5中的數據，利用公式，可計算得出其線性相關系數為0.983[12]。

綜合3.1和3.2的實驗結果，可以得出：絕緣性的有機玻璃容器壁對于磁感應相位測量有影響，且近似與有機玻璃的體積呈線性關系。

圖4有機玻璃棒連續浸入背景溶液實物照片

Fig4Thephotoofplexiglassstickimmerginginbackgroundsolution

圖5相位差隨浸入深度變化曲線

Fig5Theplotofphaseshiftwithimmergeddepth

5 討論

由表2可以看出，所選的編號2和編號1的容器中有機玻璃體積占容器體積分別為70.7%和80.0%。本研究這樣選擇的目的是凸顯有機玻璃的作用。由于定做的容器壁厚統一為0.5 cm，所以容器體積越小，有機玻璃部分所占的體積百分比越大。如果選擇更大尺寸的容器，這一比例將顯著下降。

圖5中的曲線，在浸入深度9 cm后，相位差的增加趨緩。其原因可能是因為浸入背景溶液內的有機玻璃棒的前端越來越遠離線圈陣列中心所處的平面。由于渦流感應現象實際是在三維區域內作用，遠離線圈中心所處平面的部分因遠離線圈而導致磁感應相位測量的敏感性下降。

MIT物理模型實驗的目的是研究擾動目標的電導率、體積、位置等參數改變對磁感應相位測量或成像的影響。當只改變電導率參數變化時，作為隔離兩種電阻抗區域的絕緣性材料(如本研究中所用的有機玻璃)，屬于保持不變的部分，因而不會對趨勢性的結果產生影響。若只改變體積或位置參數時，當擾動目標體積較大時，隔離材料的影響一般也不影響其趨勢。但是，隨著MIT測量精度的改善，小體積的擾動目標更多地被采用。根據本研究的實驗，此時容器壁所占體積的比例增加，其對磁感應相位的測量結果有較明顯影響。為了減輕這種影響，可以在保持原有的易于改變擾動目標的各項參數的情況下，盡可能減小容器壁的厚度，從而減小容器壁的體積。