第一篇超声检测式磁声成像概论
第 1章绪论
探测技术主要是在目标体外部施加激励物理信号，接收穿过目标体且携带其内部的某种物理属性的信息，利用数值计算方法，探知目标体内部结构和物理参数等。如果借助计算机重建技术，还可以重现物体内部二维或三维图像。物理信号通常以某种物理场或波 (如电磁场、声波、地震波、 X射线等)的形式作用于目标体，由此根据物理场的不同提出不同的探测技术或成像技术。现在，探测技术及成像技术已经渗透到许多领域。例如，在地球物理勘探领域，有地面探测技术和井周成像技术，对地下矿藏和油井周围油气分布进行探测；在医用健康领域，有医学影像学技术，对人体进行成像和临床诊断。本书主要对医用成像技术进行研究和介绍。
1.1医学成像方法发展概述
医学影像技术主要针对的目标体是人或动物，即利用某种物理场与人或动物的相互作用，把内部组织、器官的形态结构、密度、功能等以影像的方式表现出来。医生借助医学影像所提供的信息并根据自己的知识经验，对患者的健康状况做出临床上的病理判断。医学影像的重要地位促使医学影像学研究成为临床诊断、治疗和医学研究的重要研究领域，各种各样的医学影像设备应运而生，使疾病的诊断水平发生了巨大飞跃。
近二三十年来， X射线断层成像 (X-rAy computed tomogrAphy，X-CT)、超声成像 (ultrAsonic tomogrAphy)、磁共振成像 (mAgnetic resonAnce imAging，MRI)等医学影像技术在医院的临床诊断中得到了广泛应用，为广大患者的病情诊断起到了举世公认的作用。与此同时，它们自身也不断发展和完善，性能和功能不断改进和提高，使得医学图像从形态到功能，从静态到动态，从平面到立体，从局部到整体获得了快速的发展。但是，世界上的事物总是一分为二的，任何成像技术都不是万能的，每一种成像技术在显示其优势的同时，都会存在某些方面的缺陷和不足。例如， X-CT所成图像具有分辨率高、对比度好的特点，但是由于 X射线对人体的电离辐射效应，对人体有一定的伤害作用，使其应用范围受到了限制；超声成像具有成像快、分辨率高、对人体没有伤害等优点，但其对比度比较差，图像的清晰度受到限制，为医生的正确诊断带来一定程度的影响； X-CT和超声成像技术共同的缺陷是，它们所成图像均为形态解剖学成像，不能对人体组织进行功能成像，只有当患者病体组织发生形态病变后，才能在影像中显现，难以对患者的病情进行早期诊断。
磁共振成像技术虽然具有分辨率高、容易获取人体三维图像的优势，但是目前已得到广泛应用的传统磁共振技术也是不具有对人体组织和器官进行功能成像的功能。一些科技工作者正在深入研究中的功能磁共振成像技术 (functionAl mAgnetic resonAnce imAging，fMRI)，目前也是只限于对脑功能诊断的研究，还没有扩展到对人体其他组织和器官的诊断研究。另外，磁共振成像仪器造价昂贵、使用和维护费用高，还难以惠及普通百姓。
根据病理学，人体组织和器官发生病变，其功能上的衰竭和病变要早于形态上的病变，也就是说，人体组织和器官的病变是从功能的衰竭开始的。研究人体的功能成像技术是对广大患者病情早期诊断的需要，是 “治未病 ”技术的需要，更是人类卫生事业发展和进步的需要。研究开发早期筛查和早期诊断的方法、功能成像技术和设备一直是国内外关注并重点研究的课题。
研究表明，当生物组织发生早期病变而且尚未在形态结构上产生改变时，生物组织内各类化学物质所带电荷量和电荷的空间分布将首先发生变化，宏观上表现为病变部位生物组织的电特性 (电阻抗、电导率、介电常量 )发生改变，因此通过对组织电特性的检测就可以无损检测组织的病变情况，从而达到对病变组织早期诊断早期治疗的目的。
人体组织的电特性与组织的结构、功能、生理、病理等状况息息相关，这对于医学诊断意义深远。对组织电特性检测的成像技术通常称为电磁成像技术 (elec-tromAgnetic imAging，EMI)，若以成像参数命名，则称为电阻抗成像 (electricAl impedAnce tomogrAphy，EIT)。EIT是一种继形态、结构成像之后的新一代功能成像技术，是医学成像技术的一个新方向，利用电阻抗成像技术可以显示人体各器官完成生理活动 (如呼吸、心脏搏动 )时的变化，不仅可以对人体心血管、食道、胃部等生理活动过程进行连续动态的监测，而且可以发现人体某些组织的病理改变，如癌变 (Cherepenin et Al.，2001)、脑水肿等，因此该技术在研究人体生理功能和疾病诊断方面具有重要的应用价值和广泛的应用前景 (Morucci et Al.，1996；Frerichs，2000)。作为一种功能成像，与常规影像方法相比，电阻抗成像技术具有很多优势：成像过程使用人体能够接受的微小安全电流，而不使用核素和射线，因此对人体无电离或辐射，是一种无创医学影像技术；系统结构简单，测量简便，可以多次测量，成像速度快 ,具有功能成像等特点 ;加之造价低、维护费用低、不要求特殊的工作环境等，适合进行广泛的医疗普查和对患者进行长期的医学图像监护 (董秀珍， 2004)。这些是目前多数临床成像手段难以做到的。
根据对成像目标的激励方式和检测物理量的不同，传统电阻抗成像大体可分为注入电流电阻抗成像 (Applied current EIT, ACEIT)、感应电流电阻抗成像 (induced current EIT, ICEIT)、磁探测电阻抗成像 (mAgnetic detected EIT, MDEIT)、磁感应成像 (mAgnetic induction tomogrAphy, MIT)等 (刘国强，2006)。
注入电流电阻抗成像 (ACEIT)是最早提出的且研究历史最长的医学电磁成像方法，其原理是根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同电阻率的特点，通过电极给人体施加小的安全驱动电流或电压，在体外测量响应电压或电流信号，来重建人体内部的电阻抗分布或其变化的图像，如图 1.1所示。后来随着不同激励方式的提出，为了将它与其他激励方式的电阻抗成像方法进行区分，将之命名为注入电流电阻抗成像。
图 1.1注入电流电阻抗成像示意图
根据具体电极布置方式的不同，注入电流电阻抗成像技术又可分为断层电阻抗成像和扫描电阻抗成像两种。断层电阻抗成像是将电极排列在目标体某一层面周围，轮流通过一对电极施加安全的电激励，多次测量体表电信号，最后通过成像算法对相应层面的电阻率或电导率变化进行图像重建。扫描电阻抗成像是电阻抗断层成像的扩展，是在被测区域表面排列一个密集的电极阵列，通过在被测区域远端施加一个对人体安全的交流电，根据多点、多频的测量结果探测电极界面下方组织的电阻抗分布。
由于注入电流电阻抗成像方法的电极需要同时具备注入电流和测量电压两种功能，在电路设计中需要综合考虑，比较复杂。如果将两种功能分开，必然导致接在电极上的电缆数量增加 (Gencer et Al.，1996)。此外，通过电极向成像区域注入电流，电极附近的区域电流密度比较高，抑制了所能注入电流的大小，而且它还存在注入电流难以穿透颅骨，同皮肤接触电阻太大，对待测生物体有刺激作用等缺点。为了克服 ACEIT的不足，有学者提出感应电流电阻抗成像技术 (ICEIT)(Purvis et Al.，1990；ScAife et Al.，1990；HeAley et Al.，1992；Purvis et Al.，1993；Gencer et Al.，1994)，该方法采用放置于成像目标体外的激励线圈代替驱动电极，如图 1.2所示。对激励线圈施加交变电流产生交变磁场，在成像区域内生成感应电流，通过表面电极测量边界电压，可以重构成像区域的电导率扰动分布，从而进行电导率的动
态成像。
图 1.2感应电流电阻抗成像系统原理图
与注入电流电阻抗成像相比，感应电流电阻抗成像的驱动方式有很大的不同，它具有以下优点：
(1)
成像目标内的电流不受电极处电流密度的限制，可以使用更大的电流密度以提高信噪比，从而增加成像的分辨率 (IssAcson，1986)；
(2)
激励系统与成像体表非物理接触，通过选择适当频率的交变电流在成像区域内生成感应电流，感应电流可以深入组织内部，避免了颅骨等高阻屏蔽的影响；
(3)
采用线圈激励产生感应电流，采用电极测量表面电压，由于表面电极只需要完成测量电压的单一功能，不用于电流驱动，可以对测量电压电路进行优化设计，结构相对简单；
(4)
通过改变驱动电流大小、线圈的形状及尺寸、线圈和成像目标之间的位置关系，可以引入更多的独立无关的空间磁场模式，获得更多的独立测量数据，避免了 ACEIT电极数量难以增加的困难。
ICEIT的不足之处在于：电极和测量电缆之间会构成回路，当处于激励交变电磁场时，产生的额外感生电动势将叠加在反映区域电导率信息的有用信号上，使电阻抗图像存在误差。由于电极和电缆回路产生的感生电动势较难测量，通常 ICEIT仅用于电导率扰动成像。
ACEIT和 ICEIT都是通过电极测量边界电压进行电阻抗成像，而磁探测电阻抗成像 (MDEIT)则通过测量边界磁场进行电阻抗成像。其工作原理如图 1.3所示，通过电极注入交变电流，然后利用接收装置 (如感应线圈、霍尔探头、 SQUID磁力测量仪等 )测量目标物体外的磁场，最后根据测量的磁场分布重建成像物体内部的电流分布，进而从电流分布重建电导率分布图像 (Ahlfors，1992；IrelAnd，2004)。与 ACEIT相同，MDEIT也存在注入电流受颅骨等高阻屏蔽的缺陷。
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