Разработка экспериментальных методов магнитоиндукционной томографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I.

КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Принципы томографии, виды томографии.

1.2. Электроимпедансная томография.

1.3. Магнитоиндукционная томография.

1.4. Моделирование в магнитоиндукционной томографии.

1.5. Проблемы и перспективы.

ГЛАВА II.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ И АЛГОРИТМЫ РЕКОНСТРУИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В

МАГНИТОИНДУКЦИОННОЙ ТОМОГРАФИИ.

2.1. Краткая теория магнитоиндукционной томографии.

2.2. Метод свёртки и обратного проецирования.

2.3. Нейросетевой алгоритм реконструирования распределения электропроводности.

ГЛАВА III.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ДЛЯ МАГНИТОИНДУКЦИОННОЙ ТОМОГРАФИИ.

3.1. Общая конфигурация.

3.2. Приемно-передающие модули.

3.3. Плата управления.

3.4. Работа установки.

3.5. Измерение сдвига фаз.

3.6. Управляющая программа Milliard.;.

В медицине и промышленности широко применяется компьютерная томография, в которой часто используется рентгеновское излучение и явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Среди новых томографических методов, основанных на использовании низкочастотного электромагнитного поля, наибольшее развитие получила электроимпедансная томография, которая, в частности, позволила получить картину распределения проводимости внутри человеческого тела. Её недостатками являются необходимость хорошего контакта большого количества электродов с объектом исследования, а также трудности в определении положения этих электродов. Магнитоиндукционная томография - новый бесконтактный метод визуализации распределения электрической проводимости, предложенный в ИРЭ РАН, в котором применяется взаимодействие квазистатического высокочастотного магнитного поля и проводящей среды. Амплитуда используемого при измерениях магнитного поля невелика, гораздо меньше естественного фона магнитного поля Земли, что обеспечивает полную безопасность данного метода для здоровья человека, чего нельзя сказать, например, о широко распространённой рентгеновской томографии.

Цель диссертационной работы

Целью работы являлась разработка экспериментальных методов магнитоиндукционной томографии и создание на их осунове многоканальной измерительной системы, позволяющей получать данные для компьютерной реконструкции пространственного распределения электрической проводимости, а также изучение возможности применения данных методов в биомедицине. Для достижения этой цели решён ряд важных задач магнитоиндукционной томографии.

Научная новизна.

Впервые разработана измерительная система для магнитоиндукционной томографии, полученные с её помощью результаты также являются новыми.

Практическая значимость результатов работы.

Созданная измерительная система позволяет визуализировать распределение электрической проводимости и может быть применена в медицине и других областях, где необходима информация о пространственном распределении электропроводности в слабопроводящих объектах.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырёх глав, Заключения и списка цитируемой литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые разработана и создана многоканальная измерительная система для магнитоиндукционной томографии. Она содержит 16 приёмно-передающих модулей и работает на частоте 20 МГц.

2. Для созданной измерительной системы разработаны приёмно-передающие модули, которые позволяют детектировать сигналы на частоте 20 МГц в динамическом диапазоне более 80 дБ и позволяющие проводить измерение фазы с точностью 2x10"3 радиан.

3. Проведенные измерения в одноканальном варианте подтвердили правильность теоретических предположений о линейной связи фазового сдвига, вносимого проводящим объектом в измеряемый сигнал, и его проводимости.

4. Впервые получена картина распределения проводимости внутри различных искусственных объектов методом магнитоиндукционной томографии.

5. Впервые получена картина распределения проводимости внутри биологических объектов: грудной клетки и головы человека методом магнитоиндукционной томографии

6. Впервые разработана и создана измерительная система для магнитоиндукционной томографии с перестраиваемой рабочей частотой.

1. Г. Хермен. Восстановление изображений по проекциям. Основы реконструктивной томографии, пер. с англ., М.,1983.

2. Физика визуализации изображений в медицине, под ред. С. Уэбба, пер. с англ., т. 1-2., М., 1991.

3. W. Cheong, S. Prahl and A. Welch. // IEEE J. Quantum Electron. 1990, v. 26, No 12, p. 2166.

4. Das, K. Yoo and R. Alfano. // Opt. Lett. 1993, v. 18, No 13, p. 1092.

5. BP.P. Ho, L. Wang, X. Liang, P. Galland, L.L. Kalpaxis and R.R. Alfano // Optics and Photonics News. 1993, v. 4, No. 10, p. 23.

6. B.M. Геликонов, Г.В. Геликонов, Н.Д. Гладкова, Р.В. Куранов, Н.К. Никулин, Г.А. Петрова, В.В. Починко, К.И. Правденко, A.M. Сергеев, Ф.И. Фельдштейн, Я.И. Ханин, Д.В. Шабанов. // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 61. Вып. 2. С. 149.

7. Semenov S.Y., Bulyshev А.Е., Souvorov А.Е., et. al. // IEEE transactions.Biomedical Eng. 1996, v.43, Sept, p.869.

8. Корженевский A.B., Черепенин В.А., Ясин Jl.B. Моделирование нестационарного переноса излучения в сильно рассеивающих средах методом частиц. // Известия академии наук, серия физическая, 1997, у.61, Nol2, р. 2363.

9. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 1996, v.24, Issues 4-6, p. 467.

10. Barber D.C. and Brown B.H. .Applied potential tomography. // J. Phys.E. Sci. Instrum. 1984, v. 17, №9, p.723 .

11. Brown B.H. Applied potential tomography. Looking inside human body and other conducting objects, // J Phys. Bull. 1986, v.37, p. 109.

12. V.A. Cherepenin, A.V. Korjenevsky, V.N. Kornienko, Yu.S. Kultiasov and M.Yu. Kultiasov. The electrical impedance tomograph: new capabilities. // Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-Impedance (Heidelberg) 1995, p. 430.

13. Корженевский A.B., Корниенко B.H., Культиасов М.Ю. и др. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений. // ПТЭ. 1997. №3. с. 133.

14. D. Mazurov, A. Karpov, V. Cherepenin, A. Korjenevsky, V. Kornienko, A. Mazaletskaya. 2D electrical impedance scanning of thorax cancer. // 2nd EPSRC Engineering Network meeting Biomedical applications ofEIT (London), 2000.

15. A.V. Korjenevsky. Reconstruction of absolute conductivity distribution in electrical impedance tomography. II Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-Impedance (Heidelberg) 1995, p. 532.

16. V. Cherepenin, A. Karpov, A. Korjenevsky, V. Kornienko, Yu. Kultiasov, A. Mazaletskaya and D. Mazourov. Preliminary static EIT images of the thorax in health and disease. // Physiol. Meas., 2002, v. 23(1), p 33.

17. V. Bardin, V. Cherepenin, A. Karpov, A. Korjenevsky, V. Kornienko, Y. Kultiasov and V. Marushkov. Static EIT-images of new-borns' lungs. Preliminary results. // Proc. XI Int. Conf. Electrical Bio-Impedance (Oslo) 2001, p. 457.

18. A. Korjenevsky, V. Cherepenin and V. Kornienko. Electric mammograph with 3D visualisation. // 1st EPSRC Engineering Network meeting Biomedical applications of EIT (London), 1999.

19. A. Karpov, A. Korjenevsky, D. Mazurov, V. Kornienko and A. Mazaletskaya. 3D Electrical Impedance Scanning of Breast Cancer. // World Congr. Med. Phys. Biomed. Eng. (Chicago) 2000 CD-ROM, 3 pp.

20. V. Cherepenin, A. Karpov, A. Korjenevsky, V. Kornienko, A. Mazaletskaya, D Mazourov and D. Meister. A 3D electrical impedance tomography (EIT) system for breast cancer detection. // Physiol. Meas 2001, v. 22(1), p. 9.

21. O. Trokhanova, A. Karpov, V. Cherepenin, A. Korjenevsky, V. Kornienko, Y. Kultiasov and V. Marushkov. Electro-impedance mammography testing at some physiological woman's periods. // Proc. XI Int. Conf. Electrical Bio-Impedance (Oslo) 2001, p. 461.

22. A.V. Korjenevsky, V.A. Cherepenin, A.Yu. Karpov, V.N. Kornienko and Yu.S. Kultiasov. An electrical impedance tomography system for 3-Dbreast tissues imaging. // Proc. XI Int. Conf. Electrical Bio-Impedance (Oslo), 2001, p. 403.

23. Holder D. (ed). Clinical and Physiological Applications of Electrical Impedance Tomography, 1993, (London: UCL Press).

24. Bourne J.R. (ed) Crit. Rev. Biomed. Eng, 1996. v.24, issues 4-6.

25. Williams R.A. and Beck M.S. (eds). Process Tomography Principles, Techniques and Applications (Oxford: Butterworth Heinemann) 1995.

26. Daily W. and Ramirez A. Environmental process tomography in the United States Chem. Eng. // J. Biochem. Eng. 1995, v.56 (3), p. 159

27. Noel M. and Xu B. Archaeological investigation by electrical resistance tomography: a preliminary study Geophys. // J. Int. 1991, v. 107, p. 95

28. Корженевский A.B., Черепенин B.A. Индукционная томография. // Радиотехника и электроника. 1997, том 42, №4, С. 506.

29. A. Korjenevsky and V. Cherepenin. Induction tomography: theory,computer simulation and elements of measuring system. // Med. Biol. Eng.

30. Сотр., v.35, suppl. part 1, World Congr. Medical Physics and Biomedical Engineering (Nice) 1997, p. 330.

31. A.V. Korjenevsky and V.A. Cherepenin. // Measuring system for induction tomography. // Proc. X Int. Conf. Electrical Bio-Impedance (Barcelona) 1998, p. 365.

32. Корженевский A.B., Черепенин B.A. Магнитоиндукционная томография. // Журнал радиоэлектроники, 1998, N 1 декабрь, http://jre.cplire.ru/jre/dec98/indexe.html (электронный журнал).

33. A.V. Korjenevsky and V.A. Cherepenin.Progress in realization of magnetic induction tomography. // Annals of the New York Academy of Sciences 1999, v. 873, p. 346.

34. Freeston I.L. and Tozer R.C. Impedance imaging using induced currents. //Physiol. Meas. 1995, v.16, suppl. ЗА, p. 257.

35. Gencer N.G., Ider Y.Z. and Williamson S.J. Electrical impedance tomography: induced-current imaging achieved with a multiple coil system IEEE Trans. Med. Imaging. 1996, v.43 (2), p. 139.

36. Tozer J.C., Ireland R.H., Barber D.C. and Barker A.T. Magnetic impedance tomography. // Proc. 1 Oth Int. Conf. on Electrical Bioimpedance, Barcelona, Spain, 5-9 April (Barcelona: UPC), 1998, p. 369.

37. Al-Zeibak S., Saunders N.H. A fesibility study of in vivo electromagnetic imaging. //Phys. Med. Biol, 1993, v.38, p. 151.

38. Yu Z.Z., Peyton A.J., Conway W.F., Xu L.A. and B^ck M.S. Imaging system based on electromagnetic tomography (EMT). // Electron. Lett. 1993, v. 29, p. 625.

39. Yu Z.Z., Lyon G., Al-Zeibak S., Peyton A.J. and Beck M.S. A feasibility study of electromagnetic inductance tomography. // Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-Impedance. Heidellberg. 1995. p. 426.

40. Peyton A.J. et al. An overview of electromagnetic inductance tomography: description of three different systems. // Meas. Sci. Technol. 1996, v. 7, p. 261

41. Griffiths H., Stewart W.R. and Gough W. Magnetic induction tomography: measurements with a single channel. // Proc. X Int. Conf. Electrical Bio-Impedance. Barcelona. 1998. P. 361.

42. Griffiths H, Stewart W.R. and Gough W. Magnetic induction tomography: a measuring system for biological tissues. // Ann. NY Acad. Sci. 1999, v.873, p. 335.

43. Morris A., Griffiths H. and Gough W. A numerical model for magnetic induction tomographic measurements in biological tissues. // Physiol. Meas. 2001, v. 22, p. 113.

44. Корженевский А.В. Нейросетевые алгоритмы решения обратных задач радиочастотной томографии. // Нейрокомпьютеры: разработка и применение, 2002, № 9-10.

45. Tarjan P.P. and McFee R. Electrodeless measurements of the effective resistivity of the human torso and head by magnetic induction. // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1968, BME-15, p. 266.

46. Crowley J.D. and Rabson T.A. Contactless method of measuring resistivity. //Rev. Sci. Instrum. 1976, v.47, p. 712.

47. Yu Z.Z., Lyon G.M., Al-Zeibak S, Peyton A.J. and Beck M.S. A review of electromagnetic tomography at UMISTIEE Colloquium Digest 1993 1995/099, p. 2/1.

48. Yu Z.Z., Peyton A.J. and Beck M.S. Optimum excitation field for noninvasive electrical and magnetic tomography sensors. // Proc. European Concerted Action in Process Tomography, Bergen, Norway (Manchester: UMIST) 1995, p. 311.

49. Pham M.H., Hua Y. and Gray N.B. Eddy current tomography for metal solidification imaging. // Proc. 1st World Congress on Industrial Process Tomography, Buxton, UK, 14-17 April 1999, p. 451.

50. Matoorian N., Patel B.C.M. and Bowler A.M. Dental electromagnetic tomography: properties of tooth tissues. // IEE Colloquium Digest 1995/099, p. 3/1.

51. Brideson M A Electromagnetic induction tomography—a feasibility study PhD Thesis Queensland University of Technology, Australia, 1999 chapter 3.

52. Gencer N.G. and Тек M.N. Electrical conductivity imaging via contactless measurements. // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1999, v.18, p. 617.

53. Rosell J., Casanas R. and Scharfetter H. Sensitivity maps and system requirements for magnetic induction tomography using a planar gradiometer. //Physiol. Meas. 2001, v. 22, p. 121.

54. Lorrain P. and Corson D.R. Electromagnetic Fields and Waves (San Francisco: Freeman), 1970, ch 14.

55. Gough W., Griffiths H. and Morris A. Wave propagation delays in magnetic induction tomography. // Scientific Abstracts of 3rd EPSRC Engineering Network, London, 4-6 April 2001 (EPSRC). •

56. Scharfetter H., Lackner H.K. and Rosell J. Magnetic induction tomography: hardware for multifrequency measurements in biological tissues. // Physiol. Meas. 2001, v. 22, p. 131.

57. Metherall P., Barber D.C., Smallwood R.H. and Brown B.H. Three-dimensional electrical impedance tomography. //Nature 1996, v. 380, p. 509.

58. Morris A. and Griffiths H.A. comparison of image reconstruction in EIT and MIT by inversion of the sensitivity matrix. // Scientific Abstracts of 3rd EPSRC Engineering Network, London, 4-6 April 2001 (EPSRC).

59. Публикации автора по теме диссертации:

60. Korjenevsky A., Cherepenin V., Sapetsky S. First measurements with16 coil system for Magnetic induction tomography // Sci. Abstracts 1st EPSRC Eng. Network Meeting on Biomedical Application of EIT (London), 1999.

61. Корженевский А.В., Сапецкий С.А., Черепенин В.А., Экспериментальная реализация магнитоиндукционной томографии. // Труды VII Всероссийской школы-семинара "Физика и применение микроволн" (Красновидово). 1999.Т. 1, С.5.

62. A.V. Korjenevsky, V.A. Cherepenin and S.A. Sapetsky, "Visualization of electrical impedance by magnetic induction tomography". // Med. Biol. Eng. Comput., Proc. Eur. Med. Biol. Eng. Conf. (Vienna), 1999 v. 37, Suppl. 2, p. 154

63. Корженевский A.B., Сапецкий C.A., Черепенин B.A. Магнитоиндукционная томография: экспериментальная реализация. // Известия АН, серия физическая, 1999. Т. 63. N 12. С. 2437.

64. Korjenevsky A., Cherepenin V., Sapetsky S. Magnetic induction tomography: experimental realization. //Physiol. Meas. 2000. V. 21(1). N 1. P. 89.

65. Korjenevsky A., Sapetsky S. Methods of measurements and image reconstruction in Magnetic induction tomography. // Sci. Abstracts 2nd EPSRC Eng. Network Meeting on Biomedical Application of EIT (London), 2000.

66. Корженевский A.B., Сапецкий C.A. Фазовые измерения в магнитоиндукционной томографии. // Труды VII Всероссийской школы-семинара "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновидово). 2000, Т.2, С.34.

67. Korjenevsky A., Cherepenin V., Sapetsky S. Magnetic induction tomography new imaging method in biomedicine. // Proceeding of 2nd World Congress on Industrial Process Tomography (Hannover), 2001. P. 240

68. Корженевский A.B., Сапецкий C.A., Визуализация внутренней структуры протяженных электропроводящих объектов методом магнитоиндукционной томографии. // Известия АН, серия физическая, 2001. Т. 65 N 12. С. 1789.

69. Корженевский А.В., Сапецкий С.А., Визуализация внутренней структуры биологических объектов методом магнитоиндукционной томографии. // Труды VIII Всероссийской школы-семинара "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновидово). 2002., Т.1, С.67.