生物医学磁感应断层成像原理及其应用研究进展

张 涛，章伟睿，刘学超，徐灿华*，刘锐岗*

（1.空军军医大学军事生物医学工程学系，西安 710032；2.生物电磁检测与智能感知陕西省重点实验室，西安 710032；3.西宁联勤保障中心药品仪器监督检验站，兰州 730050）

0 引言

生物医学成像技术在临床诊断中具有重要作用，医学影像技术的进步使得疾病的诊断水平有了质的突破。然而，常用的四大传统医学成像方法如CT、MRI、超声成像（ultrasonography，US）和正电子发射断层成像（positron emission tomography，PET）也各自存在一些问题：CT和PET具有辐射，因此无法多次用于人体成像；MRI虽然无电离辐射，但是其体积庞大、价格昂贵，不利于开展床旁实时监护成像，且无法用于检查患有幽闭恐惧症或体内具有起搏器等金属设备的患者；US虽然是一种方便的检查手段，但是需要专业的超声医生进行诊断，且无法实现长时间的动态监测。与传统医学成像方法不同，电阻抗断层成像技术是一种以重建内部阻抗分布为目标的电磁成像技术，具有无辐射、实时成像、功能成像等特点，可以实现长时间的动态监测，目前已应用于脑损伤早期诊断[1-5]、乳腺癌早期筛查[6-7]、肺功能监护成像[8]和腹腔出血监测[9]等多个领域。电阻抗断层成像技术已逐渐成为一种新的医学成像技术，可作为传统医学影像手段的有力补充。

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[10]。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。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[11-13]。鉴于磁场激励较电场激励的独特优势，MIT在生物医学领域也具有广泛的应用前景。

MIT在生物医学领域的研究可追溯至20世纪90年代。Saunders团队[14]于1993年利用简单的盐水模型模拟了MIT，初步区分了脂肪组织与非脂肪组织。1997年，Korzhenevskii等[15]确定了MIT在医学研究中的频率范围并首次利用反投影算法获得了MIT图像。2001年，Griffiths[16]全面总结了MIT的发展概况，尤其是全面阐述了MIT在生物医学领域应用的广阔前景。近20 a来，MIT已逐渐应用于生物医学领域的研究中，在国际上取得了良好发展。在国内，空军军医大学课题组率先开展了MIT在生物医学领域的研究，例如脑部物理模型实验[17]、生物组织成像实验[18]、家兔腹部在体监护实验[19]等，充分验证了MIT在生物医学应用中的可行性。

近年来，MIT已逐渐发展成为一种具有广阔应用前景的医学成像技术。本文从生物医学MIT的基本原理出发，就近年来MIT的临床应用方向、面临的主要挑战以及可能的研究方向展开综述。

1 生物医学MIT的基本原理

MIT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B，当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ΔB；然后利用排列在检测区域外部的磁场探测器采集MIT数据，并对数据进行处理；最后利用图像重建算法进行图像重建即可得到MIT图像。

图1 MIT基本原理框图

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，而且生物体内各组织的电磁特性均为线性和各向同性。在生物医学研究中MIT的控制方程可表示为

式中，μ为磁导率；ε为介电常数；σ为电导率；A为矢量磁势；；ω为角频率；Js为源电流密度。由于生物组织的磁导率和真空磁导率（μ0）接近，通常假定μ=μ0。

检测线圈中的感应电压的计算公式为

式中，d l为线圈的长度单元。

公式（1）、（2）描述了MIT的检测电压与被测生物体内电导率分布的关系，通过图像重建算法可得到生物体内的电导率分布。目前常用的图像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[20]。近年来，随着深度学习等人工智能技术在生物医学成像中的不断发展，学者们提出了一系列深度学习算法以提高MIT图像质量[21-24]，进一步推动生物医学MIT的研究。

2 面向临床应用的MIT研究进展

针对临床应用需求以及MIT的优势，学者们目前的研究主要聚焦于脑部功能成像方面，同时在腹部、肺部、心脏、膀胱等部位也有一定研究。

2.1 脑部功能成像

脑卒中是我国居民的第一大死因，而早期检测、实时监护是降低其死亡率的关键手段，因此脑部MIT的研究具有广阔的临床应用前景。相比于其他基于电场激励的成像技术，MIT具有非接触特性，磁场可以穿透高电阻率的颅骨，在脑部应用方面更具优势，因此，脑部功能成像一直是MIT临床应用的重点方向。国际上，英国的Griffiths课题组是较早开展脑部MIT研究的小组，该小组建立了一个包含多种生物组织的脑部模型，并探讨了16通道MIT系统在10 MHz下检测脑卒中出血的可行性[25-26]。在国内，空军军医大学课题组率先开展了MIT研究，并将目标定位于脑部功能成像[27-28]，此后，重庆大学[29]、天津大学[30]、沈阳工业大学[31]、东北大学[32]等均陆续开展了相关研究。

脑部MIT研究主要集中在脑部MIT仿真模型的建立、成像算法与硬件系统的改进等方面。在脑部MIT仿真模型的建立方面，学者们先后提出了具有大脑几何轮廓的三层脑部有限元模型[33]、四层复杂脑部模型[34]和具有解剖结构的三维脑部仿真模型[35]，图2（a）为三维脑部MIT仿真模型，图2（b）为该模型的磁场分布计算结果。此外，Liu等[36]对比了三层脑部模型和三层球模型的差异。在成像算法方面，Liu等[17]针对脑损伤监护应用提出了基于单步牛顿法的特征值门限算法，且在多层脑部物理模型上对算法进行了验证；Zhang等[35]引入l1正则化提出了自适应阈值Split Bregman算法，该算法降低了传统成像算法的重建误差，其部分仿真实验中设置及其结果如图2（c）、（d）所示。考虑到连续测量数据之间存在的时间相关性，研究者提出了用于MIT的线性卡尔曼滤波算法[37]。针对脑卒中的快速检测，Xiao等[38]提出了多频差分算法，该算法有效改进了传统双频差分成像算法的成像质量；Xiang等[39]提出了基于频率约束的稀疏贝叶斯学习算法，并验证了多频MIT是一种检测脑卒中的有效手段。在硬件系统方面，Xiao等[40]针对轴外侧脑出血的检测问题提出了一种弧形排列的线圈形式，并通过仿真实验证实了弧形线圈排列在轴外侧脑出血检测中的可行性；Lv等[41]受经颅磁刺激启发提出了一种用于检测深部脑出血的Deep MIT技术；Tan等[42]设计了一种模块化的硬件系统，该系统的解调信噪比超过60 dB，提高了MIT的检测性能。

图2 脑部MIT模型及成像结果[35]

总体而言，目前脑部MIT的研究较为广泛，在仿真模型、成像算法、硬件系统等方面均开展了大量的研究，取得了很好的研究进展。然而，目前基于活体成像的脑部MIT研究还较少，尽管有研究者开展了基于磁感应相移技术的啮齿动物脑部电导率变化特性的研究，但该技术未获取成像结果，与MIT有本质的区别[43-50]。事实上，限制开展脑部MIT动物实验研究的原因主要有两点：一是啮齿动物的脑部体积仅有人脑的百分之一，实际能够获得的磁感应信号非常微弱；二是MIT线圈的灵敏度与其面积成正比，适用于小动物脑部实验的微型MIT线圈面积较小，这会大大降低线圈检测的灵敏度，难以获得微弱的磁感应信号。对于脑部MIT监护成像而言，MIT图像重建过程本身具有高度不适定性及病态性，MIT的重构结果极易受测量噪声的影响，因此现有算法的成像结果大都存在空间分辨力低和图像伪影严重等问题，不利于开展活体脑部MIT动态监护成像研究。此外，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[51]，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、人体临床试验研究，在未来将会进一步推动脑部MIT研究。

2.2 腹部出血监护成像

腹部出血也是一种临床常见的疾病，临床中通常采用超声检查，但超声无法实现床旁实时监测。由于血液与周围正常组织的电导率差异较大，因此可以利用MIT进行腹部出血的实时监测。目前，在腹部出血MIT监护成像方面，仅有空军军医大学课题组报道了相关研究。该课题组构建了家兔腹部局灶性内出血模型和弥散性内出血模型，并基于研发的FMMU-MIT硬件系统获得了约每4 s一帧图像的MIT成像结果[19，52-53]，如图3所示。在监测局灶性内出血的研究中，为验证MIT连续监测的稳定性，陈启慧[53]在家兔腹部同一部位连续注射8次异体兔血，每次注射3 mL，其成像结果如图3（c）所示。在监测弥散性内出血的研究中，陈启慧[53]在家兔同一部位每次注射10 mL异体兔血，也连续注射8次，该实验的成像结果如图3（d）所示。上述MIT腹部出血实时监测实验是MIT在生物医学领域首次报道的活体动物实时成像的实验研究，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。

图3 腹部MIT动物实验及成像结果[53]

在MIT用于腹部出血监护的过程中，当腹部具有活动性出血时，局部电导率变化较为明显，利用差分成像算法可以较大地减少数据测量误差。由于腹部相对脑部而言体积较大，MIT腹部出血检测动物模型可以使用家兔等小型动物构建，因此在腹部MIT出血监护成像方向率先突破动物实验研究。但对于临床应用而言，如何定量评价出血量与MTI重建结果之间的关系仍是需要解决的重要问题。此外，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搭建适配人体尺寸的MIT硬件系统。未来，应加强工程人员与临床医生的合作，深入了解临床应用中腹部出血监测的具体需求，推动“医工交叉融合”，找到更适合的解决方案。

2.3 肺部和心脏成像

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的影响较小，因此肺部MIT研究也具有较好的临床应用前景。2009年，Scharfetter课题组率先利用真实的胸部模型研究了肺部MIT的可行性，并研究了静态成像、频差成像、时差成像等多种MIT可能的成像模式[54]。2010年，该课题组提出利用5×5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，该方法便于将数据采集线圈安装在病床上，以解决现阶段接触式监护方法面临的问题[55]，其结果如图4所示。

图4 肺部MIT模型及成像结果[55]

近年来，肺癌的早期检测也成为广泛关注的问题。2017年，Wang等[56]提出一种单频全息MIT方式，并在具有真实胸腔结构的仿真模型中进行了验证，结果如图5所示，从图中可以识别出肺组织结构、胸径和肺部肿瘤的形态、大小、位置等信息。

图5 肺部全息MIT仿真模型与成像结果[56]

在老年人中，房颤是一种高发病率和高死亡率的疾病，目前对于房颤的产生机制还存在争议，心电图和心磁图等手段无法提供有关房颤原因的相关信息，因缺乏精确的诊断工具，房颤的临床治疗效果并不佳。2016年，Marmugi等[57]和Deans等[58]提出利用MIT作为诊断房颤的新方法。基于MIT可以生成一个心脏电导率空间分布地图，能实现心脏电导率分布的实时监测，从而得到纤颤与电导率变化之间的关系；而传统的MIT线圈传感器在低频时的灵敏度有限，并且由于线圈尺寸较大，限制了成像的空间分辨力，因此，Marmugi等[57]提出采用光学原子磁力计（optical atomic magnetometer，OAM）检测涡流产生的二次磁场，并讨论了实现重建不同层面的电导率分布图的可行性，检测设置如图6所示。此后，Marmugi等[59]进一步讨论了基于OAM的MIT技术的优势及其发展前景。2020年，该课题组结合Near-Resonant Imaging技术，在室温无屏蔽的环境中率先获得了体积为5 mL、电导率为0.9 S/m的标准溶液的成像结果[60]，实验表明他们所提出的方法可在数天内保证成像质量的一致性。此外，该课题组还进一步讨论了基于OAM的MIT技术在房颤检测中所需的灵敏度和稳定性。

图6 基于OAM的心脏MIT检测设置图[57]

在上述研究中，研究人员针对传统MIT的不足，提出了结合全息技术的MIT以及基于OAM的MIT技术，为未来MIT技术的研究提供了新思路。近年来发展起来的磁声成像技术正是一种利用电磁场与超声场的耦合成像技术，能以超声的高分辨力显示电特性分布[61-62]，弥补MIT空间分辨力低的不足。目前，磁声成像技术已在图像重建、磁声信号特点分析及其处理方法等方面取得了较大进展[63-67]，但仍有很多理论与实验方面的问题有待解决。

2.4 其他部位成像

在尿路感染、输尿管梗阻、神经性膀胱炎、糖尿病等疾病中，膀胱体积是一项重要的临床指标，传统的检查手段主要是经尿道管检查或经腹部超声检查，均无法实现实时监护和家庭护理阶段的监测。Rosa等[68]提出了一种基于MIT原理的三维旋转框架模型监测膀胱内储尿量的方法，并在三维仿真模型中进行了成像测试，研究表明，该方法总体估计误差达到19%，为膀胱体积无创、远程监测提供了新的思路。

肾结石是一种常见的疾病，现有的影像学检查手段主要有CT、MRI和超声，而对于孕妇、幽闭恐惧症患者等特殊群体，传统手段存在一定的不足。2021年，Paulus等[69]提出使用MIT进行肾结石检测，通过COMSOL软件中建立的8线圈MIT仿真模型研究了50 kHz~2 MHz范围的检测效果。该研究表明，在肾结石快速检测方面，MIT是一项极具潜力的非接触、无辐射的成像手段。

尽管目前适用于上述临床研究的MIT硬件系统还未实现，但上述部位成像的应用研究已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。

3 结语

MIT作为一种新型的电磁成像，在生物医学成像领域具有广阔的应用前景。尽管目前MIT的活体成像研究还较少，但在关键技术方面已具备相关的研究基础。未来，可以依托临床疾病检测需求，开展相关领域的MIT活体成像研究。通过构建更精确的人体模型，为成像算法的优化提供更准确的先验信息；建立更为精确的MIT硬件系统，为成像提供更准确的数据，MIT质量将会进一步提高，也为将来开展更多MIT活体成像以及临床研究提供基础。

目前，虽然在开发符合临床应用标准的MIT硬件系统以及成像算法方面还存在一定难度，但是随着越来越多的研究者对MIT研究的不断深入以及工程人员与医生的深度协作，未来MIT必将在生物医学成像方面得到广泛应用。