用于脑出血检测的多频电磁层析成像方法

摘要

本发明公开一种用于脑出血检测的多频电磁层析成像方法，将多个线圈分布在被测区域的外周，给激励线圈依次通入不同频率的交变激励电流，位于被测区域周围的检测线圈在不同频率下依次产生感应电压，实现脑出血目标图像重建的步骤如下：计算出含有脑出血的脑部在检测线圈上引起的检测电压差。计算出在激励电流频率为fi时，含有脑出血的脑部引起的检测线圈上检测电压的相移。使用Tikhonov正则化方法求解该式，得出在激励电流参考频率f1时，单个组织j引起的检测线圈上检测电压的相移。计算出脑出血组织在激励电流频率fn和f1之间在检测线圈得到的相位差。求出脑出血组织的电导率分布。

权利要求

1.一种用于脑出血检测的多频电磁层析成像方法，用于仿真图像重建的2维真实脑模型，将多个线圈分布在被测区域的外周，给激励线圈依次通入不同频率的交变激励电流，位于被测区域周围的检测线圈在不同频率下依次产生感应电压，实现脑出血目标图像重建的步骤如下：(1)利用式 计算出含有脑出血的脑部在检测线圈上引起的检测电压差，

其中，1≤i≤n，n取包含脑出血组织在内的所有脑组织个数； 是在激励电流频率为fi时敏感场中存在含有脑出血的脑部时检测线圈上的检测电压； 是在激励电流频率为fi时敏感场中只有空气分布时检测线圈上的检测电压；

(2)利用式 计算出在激励电流频率为fi时，含有脑出血的脑部引起的

检测线圈上检测电压的相移

(3)设定f1为激励电流参考频率，利用式 使用Tikhonov正则化方法

求解该式，得出在激励电流参考频率f1时，单个组织j引起的检测线圈上检测电压的相移j是被测脑组织的标号；Kσ是与不同激励电流频率下各组织电导率相关的方阵，即是激励电流频率为fi时组织j的电导率；设定j＝1为脑出血组织， 就是脑出血组织在激励电流参考频率f1时检测线圈上检测电压的相移；通过仿真可获得脑出血组织在激励电流参考频率时检测线圈上检测电压的相移，根据其与 之间的最小误差来选择Tikhonov正则化方法的正则化参数；

(4)根据式 计算出脑出血组织在激励电流频率fn和f1之间在检测线

圈得到的相位差 其中 是脑出血组织在激励电流参考频率f1时的电导率； 是脑出血组织在激励电流频率fn时的电导率；

(5)利用式P·Δσ＝Δφ1，使用Tikhonov正则化方法求解该式，求出脑出血组织的电导率分布Δσ，其中P是在激励电流参考频率f1下求得的灵敏度矩阵，使用扰动法将敏感场分割为大小相同的体素，每个体素设置电导率变化为1S/m时，循环激励循环检测得到的检测线圈检测电压的相移；通过求解重建电导率分布和真实电导率分布之间的最小误差来选择Tikhonov正则化方法的正则化参数。

说明书

用于脑出血检测的多频电磁层析成像方法

技术领域

[0001] 本发明属于生物成像技术领域，涉及一种多频电磁层析成像方法。技术背景

[0002] 目前临床用于检测脑出血的医学成像方法有CT，MRI等。但是，这些成像方法价格较高，并且含有放射源，不利于长时间连续监护。电磁层析成像是一种基于电磁感应原理的电学层析成像技术，由于电磁场可以穿透电导率较低的颅骨，以及其非接触、无辐射、价格低廉等特点，可实现脑出血等病灶的长期连续监测，具有很大的发展前景。

[0003] 电磁层析成像技术用于脑出血检测时，在图像重建求边界测量值时有时间差和频率差两种方法：时间差方法是在同一频率下，将敏感场中含有脑出血的脑部所得的检测信号与敏感场中不含脑出血的脑部所得的检测信号做差之后作为图像重建时的边界测量值，该方法可用于脑出血的连续监护，但是不利于脑出血的初始检测，因为患者在脑出血发生之前的脑部扫描信息很难得到；频率差方法基于生物组织的介电特性参数随频率变化的特点，是在敏感场中含有脑出血的脑部时，将不同频率下的脑组织电导率得到的检测信号做差，作为边界测量值进行图像重建，该方法不需要脑出血发生之前的物场信息，所以克服了时间差方法无法获取脑出血发生之前物场信息的缺点。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有频率差方法在脑出血成像结果中存在的伪影问题，使用多频率依次激励的方法从所有组织的测试信息中分离出脑出血信息，进而针对脑出血的位置和尺寸进行单独的图像重建，提高脑出血成像的分辨率。本发明的技术方案如下：

[0005] 一种用于脑出血检测的多频电磁层析成像方法，将多个线圈分布在被测区域的外周，给激励线圈依次通入不同频率的交变激励电流，位于被测区域周围的检测线圈在不同频率下依次产生感应电压，实现脑出血目标图像重建的具体计算方法如下：

[0006] (1)利用式 计算出含有脑出血的脑部在检测线圈上引起的检测电压差，其中，1≤i≤n，n取包含脑出血组织在内的所有脑组织个数； 是在激励电流频率为fi时敏感场中存在含有脑出血的脑部时检测线圈上的检测电压； 是在激励电流频率为fi时敏感场中只有空气分布时检测线圈上的检测电压。

[0007] (2)利用式 计算出在激励电流频率为fi时，含有脑出血的脑部引起的检测线圈上检测电压的相移

[0008] (3)设定f1为激励电流参考频率，利用式 使用Tikhonov正则化方法求解该式，得出在激励电流参考频率f1时，单个组织j引起的检测线圈上检测电压的相移 j是被测脑组织的标号；Kσ是与不同激励电流频率下各组织电导率相关的方阵，即 是激励电流频率为fi时组织j的电导率。设定j＝1为脑出
血组织， 就是脑出血组织在激励电流参考频率f1时检测线圈上检测电压的相移；通过仿真可获得脑出血组织在激励电流参考频率时检测线圈上检测电压的相移，根据其与之间的最小误差来选择Tikhonov正则化方法的正则化参数。

[0009] (4)根据式 计算出脑出血组织在激励电流频率fn和f1之间在检测线圈得到的相位差 其中 是脑出血组织在激励电流参考频率f1时的电导率； 是脑出血组织在激励电流测试频率fn时的电导率。

[0010] (5)利用式 使用Tikhonov正则化方法求解该式，求出脑出血组织的电导率分布Δσ，其中S是在激励电流参考频率f1下求得的灵敏度矩阵，使用扰动法将敏感场分割为大小相同的体素，每个体素设置电导率变化为1S/m时，循环激励循环检测得到的检测线圈检测电压的相移；通过求解重建电导率分布和真实电导率分布之间的最小误差来选择Tikhonov正则化方法的正则化参数。

[0011] 本发明基于电磁感应原理，根据检测线圈得到的检测电压的相移随频率和电导率线性变化的特点，通过检测多频激励下的所有脑组织的相移，分离出脑出血组织的相移，重建出脑出血的分布图像，消除其他组织对脑出血成像产生的伪影。

附图说明

[0012] 以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：

[0013] 图1本发明的多频成像方法采用的2维16线圈电磁层析成像线圈传感器阵列的分布形式示意图；

[0014] 图2本发明的多频成像方法采用的2维线圈传感器结构示意图；

[0015] 图3本发明的多频成像方法采用的用于仿真图像重建的2维脑模型的组织分布示意图；

[0016] 图4本发明的多频成像方法得到的脑出血电导率变化的重建结果。

具体实施方式

[0017] 电磁层析成像多频成像方法基于生物组织的介电特性参数随频率变化的特点，根据检测电压的相移随频率和电导率线性变化的特性，可以重建出脑出血单个组织的成像结果，既可以克服时间差方法无法获取脑出血发生之前物场信息的缺点，又可以消除双频率频差法获得脑出血成像结果中的伪影。多频成像方法通过获取不同频率下含有脑出血的脑部组织在检测线圈上产生的检测电压相移，分离出单个组织在检测线圈上产生的检测电压相移，然后获得脑出血组织在测试频率和参考频率下的相位差，进而重建出脑出血单个组织的成像结果。

[0018] 下面结合说明书附图详细说明本发明的优选实施例。

[0019] 如图1所示，一个电磁层析成像线圈传感器阵列的分布形式，包含16个线圈传感器、敏感场和屏蔽层。16个线圈传感器完全相同，既可以作为激励线圈通入激励电流又可以作为检测线圈获取检测电压，其结构如图2所示。在不同的激励电流激励频率fi下，给一个线圈通入激励电流，其他所有线圈作为检测线圈分别获取空场时的检测电压 和脑出血脑部时的检测电压 敏感场中可放置被测脑模型。屏蔽层用于屏蔽外界磁场干扰。

[0020] 图3是本发明的多频成像方法采用的用于仿真图像重建的2维真实脑模型的组织分布示意图。图中包含七种组织，分别是脂肪、颅骨、肌肉、脑脊液、脑灰质、脑白质和脑出血。图中脑出血的半径为17mm，脑出血的电导率设置与血液电导率相同。各脑组织在不同频率下的电导率 如表1所示。

[0021] 图4是本发明的多频成像方法得到的脑出血的重建结果，图中黑色实线表示脑出血的位置和大小。

[0022] 下面以图3的脑模型为例，对本发明的多频成像方法进行说明，该方法可用于其他生物组织的电磁层析成像中。

[0023] 利用上述电磁层析成像线圈传感器阵列获得的测试数据，采用的多频成像方法实现脑出血目标的图像重建步骤如下：

[0024] 步骤1：在电磁层析成像中，可在检测线圈直接获得检测电压，含有脑出血脑部的物场和空场之间的电压差为：

[0025]

[0026] 式中，fi(1≤i≤n)表示激励电流频率，n取包含脑出血组织在内的所有脑组织个数； 是在频率为fi时敏感场中存在含有脑出血的脑部时检测线圈上的检测电压； 是在频率为fi时敏感场中只有空气分布时检测线圈上的检测电压。

[0027] 步骤2：在电磁层析成像的电流激励-相位检测策略下，由于 含有脑出血脑部的物场和空场之间的电压差的相移为：

[0028]

[0029] 步骤3：假设所有组织引起的检测电压的相移是单个组织引起的检测电压的相移的线性叠加，即：

[0030]

[0031] 式中，fi是激励频率；j是被测脑组织的标号； 是单个组织j在频率fi时得到的检测电压的相移。

[0032] 步骤4：在电磁层析成像的电流激励-相位检测策略下，对于固定的电导率分布，检测电压的相移随频率线性变化。在激励电流测试频率fi下的检测电压的相移 可以等效变换为激励电流参考频率f1下的检测电压的相移 即： 和带入式(3)，得：

[0033]

[0034] 步骤5：在电磁层析成像的电流激励-相位检测策略下，对于固定的组织分布和激励频率，检测电压的相移随一种组织的电导率线性变化。对组织j在激励电流参考频率f1下检测电压的相移 和 之间进行等效变换，即 带入式(4)，得：

[0035]

[0036] 式中， 是频率为fi时组织j的电导率。步骤1到3可简化为下式：

[0037]

[0038] 式中，矩阵Kσ的行数等于频率个数，列数等于被测脑组织的种类个数。本发明中的频率个数与被测脑组织的种类个数相等。由于矩阵Kσ的条件数较大，式(6)为病态方程。针对图3的脑模型，频率个数为7，在1MHz和10MHz之间，以0.5MHz为间隔，以矩阵Kσ的条件数为依据，选取频率组合使得矩阵Kσ的条件数最小。所选频率为1MHz、1.5MHz、2.5MHz、4MHz、6.5MHz、7.5MHz和10MHz，矩阵Kσ可由表1中各组织在不同频率下的电导率得到。用Tikhonov正则化方法求解病态方程(6)，可以计算出组织j在参考频率f1下引起的检测电压的相移设定j＝1为脑出血组织， 是脑出血组织在参考频率f1＝1MHz时检测电压的相移。
可通过仿真获得的脑出血组织在参考频率时检测电压相移与 之间的最小误差来选择正则化参数。 是脑出血组织在测试频率f7＝10MHz时检测电压的相移。

[0039] 步骤6：脑出血组织在测试频率f7＝10MHz和参考频率f1＝1MHz检测电压之间的相位差为：

[0040]

[0041] 求解式 使用Tikhonov正则化方法求解该式，来重建出脑出血组织的电导率分布Δσ，其中S是在激励电流参考频率f1＝1MHz下求得的灵敏度矩阵，使用扰动法将敏感场分割为大小相同的体素，每个体素设置电导率变化为1S/m时，循环激励循环检测得到的检测线圈检测电压的相移；可通过求解重建电导率分布和真实电导率分布之间的最小误差来选择正则化参数。

[0042] 本发明使用多频激励的方法，从多个频率激励下所有组织产生的检测电压的相移中分离出脑出血组织在参考频率下的检测电压的相移，从而进行脑出血分布的图像重建。从图4的重建结果中可以看到多频成像方法消除了由于其他组织随频率变化产生的伪影，只得到脑出血组织的电导率变化分布，提高了脑出血成像的重建精度。

[0043] 表1是部分脑组织在不同频率下的电导率。

[0044] 频率(MHz) 1 1.5 2.5 4 6.5 7.5 10脂肪(S/m) 0.044 0.044 0.045 0.047 0.049 0.050 0.053
颅骨(S/m) 0.024 0.027 0.030 0.034 0.039 0.040 0.043
肌肉(S/m) 0.503 0.531 0.559 0.581 0.600 0.606 0.617
脑脊液(S/m) 2.000 2.000 2.000 2.000 2.001 2.001 2.002
脑灰质(S/m) 0.163 0.172 0.189 0.212 0.248 0.262 0.292
脑白质(S/m) 0.102 0.107 0.116 0.125 0.140 0.145 0.158
脑出血(血液)(S/m) 0.822 0.822 0.958 1.017 1.064 1.075 1.097