电磁层析成像技术在医疗领域的应用

磁感应断层成像(Magnetic induction tomography, MIT)，也被称为电磁层析成像、涡流成像等，是一种非接触的电阻抗断层成像技术。尽管MIT与电阻抗断层成像技术类似，都是以重建被测区域内部电导率分布为目标，但MIT的不同点在于其向被测区域施加的是磁场激励而非电场激励。因MIT的非接触特性，较电阻抗断层成像而言更具有优势。目前MIT已广泛用于金属成分检测、液态金属杂质检测、二相流可视化等工业领域。鉴于磁场激励较激励的优势，MIT在生物医学领域也具有广泛应用前景。

2 MIT的基本原理

MIT检测的基本原理是法拉第电磁感应理论，其基本检测过程如图1所示。首先，向检测区域施加一个交变磁场 ；然后，在感应区内存在具有电磁特性的物质时，会形成感应涡流，从而产生二次磁场 ；最后，利用排列在检测区域外部的磁场探测器采集MIT数据，对数据完成后处理之后，利用图像重建算法即可得到MIT图像。

在生物医学应用中，通常假定生物体内部是无源且不导磁的，且生物体内各组织的电磁特性均为线性和各项同性的。在生物医学研究中MIT的控制方程可写为：

$\frac{1}{𝜇}\mathrm{\nabla }\times \mathrm{\nabla }\times 𝐴+(𝑖𝜔𝜎-{𝜔}^2𝜀)𝐴={𝐽}_{𝑠}$

其中， $𝜇$ 是磁导率， $𝜀$ 是介电常数， $𝜎$ 是电导率， $𝐴$ 为矢量磁势， $𝑖=\sqrt{-1}$ ， $𝜔$ 是角频率， ${𝐽}_{𝑠}$ 是源电流密度。生物组织的磁导率和真空磁导率接近，因此通常假定 $𝜇={𝜇}_0$ 。

检测线圈中的感应电压可通过矢量磁势的切向分量沿线圈的线积分得到。如此，便得到检测电压与被测生物体内电导率分布的关系，通过图像重建算法便可得到生物体内的电导率分布。目前常用的重建算法有直接投影算法、滤波反投影算法及其改进算法、灵敏度矩阵和牛顿类算法等。

3 面向生物医学的MIT研究

目前主要有脑部、腹部、心脏等部位疾病的研究。

3.1 脑部成像研究

由于脑部结构的复杂性，现有MIT脑部模型无法为MIT静态算法研究提供更精确的脑部先验信息，这使得脑部静态MIT成像十分困难。多频MIT是利用生物组织的阻抗频谱特性差异进行成像，无需基线参考数据即可实现病灶的快速检测，可能是未来脑部MIT研究的热点方向。利用更准确的颅脑先验信息以优化MIT成像算法，开展猴等大动物脑部MIT活体成像实验及人体临床试验研究，将会在未来进一步推动脑部MIT研究。

3.2 腹部出血监护成像

MIT腹部出血实时监测实验是MIT在生物医学领域报道的活体动物实时成像实验研究，其实验结果有效验证了MIT进行活体成像监测的可行性，为下一步的临床研究奠定了基础。

然而，目前用于动物实验的MIT硬件系统尺寸较小，为进一步开展临床应用研究还需研究建立适配人体尺寸的MIT硬件系统。

3.3 肺部、心脏功能监测、膀胱体积无创监测、肾结石快速检测等应用

考虑到MIT受到高电阻率物质的影响较小，且MIT的非接触特性不会存在接触阻抗的问题，从而使其受胸廓呼吸影响较小，因此肺部MIT研究也具有较好的临床应用前景。Scharfetter课题组提出利用5 x 5平面线圈矩阵进行数据采集并对胸部电导率变化进行成像，该方法可以将数据采集线圈方便地安装在病床上，解决现阶段接触式监护方法面临的问题，其结果如图4所示。

尽管目前适用于上述临床研究方向的MIT硬件系统还不是很成熟，但上述部位成像的应用研究通过仿真验证了其可行性，这为拓展MIT的临床应用方向提供了有益的思路。此外，MIT和其他技术结合，为未来MIT技术的研究提供了新思路。