Визуализация методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки
Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам визуализации методом магнитоиндукционной томографии. Способ включает в себя получение доступа к множеству результатов измерения характеристик катушки, полученных для образца с помощью одной катушки, которую возбуждают радиочастотной (РЧ) энергией от источника РЧ-энергии, при этом каждый из множества результатов измерения характеристик катушки получен с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца и соотнесения данных о положении катушки с каждым из множества результатов измерения характеристик катушки. Данные о положении катушки указывают на положение и ориентацию одной катушки относительно образца для каждого результата измерения характеристик катушки, получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и электромагнитной характеристикой образца, и создание трехмерного графика электромагнитных характеристик образца. Система содержит устройство с катушкой, устройство перемещения, вычислительную систему. Устройство с катушкой содержит одну катушку, имеющую множество концентрических проводящих витков, каждый из которых имеет отличный радиус, соединенную с источником радиочастотной (РЧ) энергии. При этом одна катушка выполнена с возможностью получения результата измерения потерь в катушке. Устройство перемещения выполнено с возможностью расположения одной катушки относительно образца во множестве отдельных местоположений относительно образца. Вычислительная система содержит один или несколько процессоров и одно или несколько запоминающих устройств, хранящих машиночитаемые команды, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами вызывают выполнение операций одним или несколькими процессорами. Операции включают: получение доступа к множеству результатов измерения потерь в катушке, полученных для образца с помощью одной катушки, возбуждаемой радиочастотной (РЧ) энергией от источника РЧ-энергии, при этом каждый из множества результатов измерения потерь в катушке получен с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца, соотнесение данных о положении катушки, указывающих на положение и ориентацию одной катушки относительно образца для каждого результата измерения потерь в катушке, с каждым из множества результатов измерения потерь в катушке, получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и удельной проводимостью образца, создание трехмерного графика удельной проводимости образца с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения потерь в катушке и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения характеристик катушки. В систему входят также один или несколько материальных постоянных машиночитаемых носителей, хранящих машиночитаемые команды, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами вызывают выполнение операций для магнитоиндукционной томографии образца одним или несколькими процессорами. Использование группы изобретений позволяет расширить арсенал средств для магнитоиндукционной томографии. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к области визуализации методом магнитоиндукционной томографии и, более конкретно, к визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Визуализация методом магнитоиндукционной томографии может применяться для визуализации распределения электромагнитных характеристик (например, удельной проводимости или диэлектрической проницаемости) в тканях человека. Более конкретно методики магнитоиндукционной томографии могут обеспечивать низкозатратное бесконтактное измерение электромагнитных характеристик ткани человека на основании вихревых токов, индуцированных в тканях посредством катушек индуктивности, размещенных рядом с тканью.
Электромагнитные характеристики, такие как удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость, варьируют в объеме ткани человека вследствие наличия естественных контрастных зон, образуемых жиром, костями, мышцами и различными органами. В результате этого распределение удельной проводимости или диэлектрической проницаемости, полученное при помощи методик визуализации методом магнитоиндукционной томографии, может применяться для визуализации различных участков тела, включая легкие и области живота, ткань головного мозга и другие участки тела, которые может быть или может не быть трудно визуализировать с помощью других низкозатратных биомедицинских методик визуализации, таких как ультразвуковое исследование. Таким образом, визуализация методом магнитоиндукционной томографии может применяться в биомедицинской визуализации, например, ран, язв, травм головного мозга и других ненормальных состояний ткани.
Существующие методики для визуализации методом магнитоиндукционной томографии, как правило, включают размещение значительного количества катушек (например, группы катушек) вблизи образца и построение изображения на основании измеренной взаимной индуктивности пар катушек среди значительного количества катушек, размещенных вблизи образца. Например, группа генераторных катушек и группа приемных катушек могут быть размещены рядом с образцом. Одна или несколько генераторных катушек могут быть возбуждены с применением радиочастотной энергии, причем отклик может быть измерен на приемных катушках. Распределение удельной проводимости (или распределение диэлектрической проницаемости) образца можно определить исходя из отклика приемных катушек.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения будут частично изложены в последующем описании, или могут быть изучены из описания, или могут быть изучены посредством практического применения вариантов осуществления.
Один примерный аспект настоящего изобретения относится к способу визуализации методом магнитоиндукционной томографии. Способ включает получение доступа ко множеству результатов измерения характеристик катушки, полученных для образца, с помощью одной катушки. Каждый из множества результатов измерения характеристик катушки получают с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца. Способ дополнительно включает соотнесение данных о положении катушки с каждым из множества результатов измерения характеристик катушки. Данные о положении катушки указывают на положение и ориентацию одной катушки относительно образца для каждого результата измерения характеристик катушки. Способ дополнительно включает получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и электромагнитной характеристикой образца и создание трехмерного графика электромагнитных характеристик образца с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения характеристик катушки и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения характеристик катушки.
Еще один примерный аспект настоящего изобретения относится к системе для визуализации методом магнитоиндукционной томографии образца ткани человека. Система содержит устройство с катушкой, содержащее одну катушку. Одна катушка содержит множество концентрических проводящих витков. Каждый из множества концентрических проводящих витков имеет отличный радиус. Устройство с катушкой выполнено с возможностью получения результата измерения потерь в катушке. Система дополнительно содержит устройство перемещения, выполненное с возможностью расположения одной катушки относительно образца во множестве отдельных местоположений относительно образца. Система дополнительно содержит вычислительную систему, имеющую один или несколько процессоров и одно или несколько запоминающих устройств. Одно или несколько запоминающих устройств хранят машиночитаемые команды, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами вызывают выполнение операций одним или несколькими процессорами. Операции включают получение доступа ко множеству результатов измерения потерь в катушке, полученных с помощью одной катушки. Каждый из множества результатов измерения потерь в катушке получают с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца. Операции дополнительно включают соотнесение данных о положении катушки с каждым из множества результатов измерения потерь в катушке. Данные о положении катушки указывают на положение и ориентацию одной катушки относительно образца для каждого результата измерения потерь в катушке. Операции дополнительно включают получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и удельной проводимостью образца и создание трехмерного графика удельной проводимости образца с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения потерь в катушке и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения потерь в катушке.
Другой примерный аспект настоящего изобретения относится к одному или нескольким материальным постоянным машиночитаемым носителям, хранящим машиночитаемые команды, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами вызывают выполнение операций для магнитоиндукционной томографии образца ткани человека одним или несколькими процессорами. Операции включают получение доступа ко множеству результатов измерения потерь в катушке, полученных для образца ткани человека с помощью одной катушки. Каждый из множества результатов измерения потерь в катушке получают с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца ткани человека. Каждый результат измерения потерь в катушке указывает на изменение импеданса одной катушки в результате вихревых токов, индуцированных в образце ткани человека, когда одна катушка помещена рядом с образцом ткани человека и возбуждена радиочастотной энергией. Операции дополнительно включают соотнесение данных о положении катушки с каждым из множества результатов измерения характеристик катушки. Данные о положении катушки указывают на положение и ориентацию одной катушки относительно образца ткани человека для каждого результата измерения характеристик катушки. Операции дополнительно включают получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения потерь в катушке, полученными с помощью одной катушки, и удельной проводимостью образца ткани человека. Операции дополнительно включают создание трехмерного графика удельной проводимости образца ткани человека с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения потерь в катушке и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения потерь в катушке.
В эти примерные аспекты настоящего изобретения могут быть внесены изменения и модификации.
Эти и другие признаки, аспекты и преимущества различных вариантов осуществления станут более понятны со ссылкой на последующее описание и прилагаемую формулу изобретения. Прилагаемые графические материалы, которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения связанных с ними принципов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Подробное описание вариантов осуществления, предназначенное для специалиста в данной области техники, изложено в описании изобретения, которое ссылается на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг. 1 изображена примерная система для визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2–3 изображены примерные графики удельной проводимости, выполненные согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 изображена примерная катушка для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5 изображены примерные соединительные дорожки для катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 6 изображена блок-схема последовательности этапов выполнения примерного способа создания катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 7 изображена структурная схема примерной схемы, связанной с катушкой, применяемой для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 8 изображена блок-схема последовательности этапов выполнения примерного способа визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 9 и 10 изображены результаты эксперимента по измерениям характеристик катушки, полученные с применением примера согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 11 и 12 изображены результаты эксперимента по измерениям характеристик катушки, полученные для смоделированного распределения удельной проводимости согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Далее будет сделана ссылка в развернутой форме на варианты осуществления, один или несколько примеров которых показаны на графических материалах. Каждый пример приведен для пояснения вариантов осуществления и не ограничивает настоящее изобретение. В действительности, специалистам в данной области техники ясно, что в варианты осуществления могут быть внесены различные модификации и изменения в пределах объема или сущности настоящего изобретения. Например, признаки, показанные или описанные как часть одного варианта осуществления, могут быть использованы в другом варианте для получения еще одного варианта осуществления. Таким образом, предполагается, что аспекты настоящего изобретения охватывают такие модификации и изменения.
Общие сведения
В целом, примерные аспекты настоящего изобретения относятся к визуализации методом магнитоиндукционной томографии образца, такого как образец ткани человека, с помощью одной катушки. В обычных существующих системах для магнитоиндукционной томографии применяется множество катушек (например, группа генераторных катушек и группа приемных катушек) для создания графиков удельной проводимости образцов, таких как образцы ткани человека. Применение нескольких катушек увеличивает сложность систем для магнитоиндукционной томографии. Например, может потребоваться мультиплексирование данных для получения результатов измерения с применением множества катушек.
Были предприняты усилия по уменьшению количества катушек, необходимых для визуализации методом магнитоиндукционной томографии. Например, может потребоваться меньшее количество катушек при использовании методик с изменением положения катушек относительно образца или путем изменения положения образца относительно катушек. Хотя может быть предпочтительным уменьшение количества катушек, необходимых для визуализации методом магнитоиндукционной томографии, также предпочтительным является получение максимально возможного количества результатов измерения с целью улучшения разрешающей способности и достоверности изображений, полученных с помощью магнитоиндукционной томографии.
Примерные аспекты настоящего изобретения относятся к системам, способам и устройству для визуализации методом магнитоиндукционной томографии образцов, таких как образцы ткани человека, с помощью одной катушки. Множество результатов измерения характеристик катушки может быть получено с помощью одной катушки во множестве разных отдельных местоположений относительно образца. Одна катушка может быть выполнена с возможностью относительно простого размещения во многих разных положениях/ориентациях относительно образца. Трехмерный график электромагнитных характеристик, такой как трехмерный график удельной проводимости или трехмерный график диэлектрической проницаемости, может быть создан из множества результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки. Таким образом, простой и экономичный способ визуализации ткани человека может быть предоставлен с использованием бесконтактных измерений характеристик одной катушки.
Более конкретно, авторы настоящего изобретения нашли модель, которая устанавливает отношение между результатами измерения потерь в катушке, полученными с помощью одной катушки, и распределением электромагнитных характеристик образца. В одной реализации модель представляет собой количественную аналитическую модель, которая описывает действительную часть изменения импеданса (например, омические потери) одной плоской многовитковой катушки, имеющей множество концентрических проводящих витков, происходящего в результате индуцированных вихревых токов после ее возбуждения РЧ-энергией и размещения вблизи объектов произвольной формы с произвольным трехмерным распределением удельной проводимости.
С помощью модели можно создать трехмерный график электромагнитных характеристик ткани человека с применением множества результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки. Например, может быть получен доступ ко множеству результатов измерения потерь в катушке, полученных для образца. Каждый результат измерения характеристик катушки может быть соотнесен с одним из множества отдельных местоположений относительно образца. Данные о положении могут быть соотнесены с каждым результатом измерения характеристик катушки. Данные о положении могут указывать на положение и ориентацию одной катушки после осуществления измерения.
После получения множества результатов измерения характеристик катушки и связанных данных о положении инверсия полученных результатов измерения характеристик катушки может быть осуществлена с помощью модели для получения трехмерного графика электромагнитных характеристик, указывающего на распределение электромагнитных характеристик (например распределение удельной проводимости) образца, приводящее ко множеству полученных результатов измерения. В одной частной реализации инверсия может быть осуществлена путем дискретизации образца в виде сетки конечных элементов. Нелинейный метод наименьших квадратов или метод наименьших квадратов с ограничениями может определять распределение электромагнитных характеристик для сетки конечных элементов, которая с наибольшей вероятностью вносит вклад во множество полученных результатов измерения характеристик катушки. Решенное распределение удельной проводимости может быть представлено в виде трехмерного графика удельной проводимости для образца.
Примерные системы для визуализации методом магнитоиндукционной томографии
На фиг. 1 изображена примерная система 100 для визуализации методом магнитоиндукционной томографии образца 110, такого как образец ткани человека. Система 100 содержит устройство 120 с катушкой, имеющее одну катушку 125, для получения результатов измерения характеристик катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения. Катушка 125 может представлять собой одну катушку, имеющую множество концентрических проводящих витков, расположенных в одной или нескольких плоскостях на печатной плате. Одна примерная конструкция катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения будет описана более подробно ниже со ссылкой на фиг. 4 и 5.
Устройство 120 с катушкой по фиг. 1 может содержать источник РЧ-энергии (например, колебательный контур), выполненный с возможностью возбуждения катушки 125 РЧ-энергией на заданной частоте (например, 12,5 МГц) после размещения катушки 125 рядом с образцом 110. Возбужденная катушка 125 может генерировать магнитные поля, которые могут индуцировать вихревые токи в образце 110. Указанные индуцированные вихревые токи в образце могут приводить к возникновению потерь в катушке 125 (например, изменению импеданса). Устройство 120 с катушкой может содержать схему (например, схему измерения) для определения потерь в катушке, соответствующих катушке 125, во время измерения характеристик катушки в конкретном местоположении относительно образца 110.
Результаты измерения характеристик катушки могут быть получены с помощью одной катушки 125 устройства 120 с катушкой, при этом устройство 120 с катушкой располагают в ряде различных местоположений и ориентаций относительно образца 110. Собранные результаты измерения характеристик катушки могут быть переданы на вычислительную систему 140, в которой результаты измерения характеристик катушки могут быть проанализированы для создания трехмерного графика электромагнитных характеристик образца 110, например трехмерного графика удельной проводимости или трехмерного графика диэлектрической проницаемости образца 110.
В некоторых конкретных реализациях устройство 120 с катушкой может быть прикреплено к устройству 130 перемещения. Устройство 130 перемещения может представлять собой роботизированное устройство, которое под управлением, например, вычислительной системы 140 или другого подходящего устройства управления, перемещает устройство 120 с катушкой по осям x, y и z относительно образца 110 с целью размещения катушки 125 во множестве различных отдельных местоположений относительно образца 110. Устройство 120 с катушкой может находиться под управлением (например, вычислительной системы 140) для получения результатов измерения характеристик катушки с помощью катушки 125 в каждом из множества отдельных местоположений.
Альтернативно устройство 120 с катушкой может быть размещено вручную во множестве отдельных местоположений для осуществления измерения характеристик катушки. Например, медицинский работник может вручную разместить портативное устройство 120 с катушкой относительно образца 110 для получения результатов измерения характеристик катушки во множестве отдельных местоположений относительно образца 110.
Для создания точного трехмерного графика электромагнитных характеристик образца 110 данные о положении должны быть соотнесены с каждым из полученных результатов измерения характеристик катушки. Данные о положении могут указывать положение (например, определенное по оси x, оси y и оси z относительно образца 110) катушки 125, а также ориентацию катушки 125 (например, угол наклона относительно образца 110). При использовании устройства 130 перемещения для размещения катушки 125 положение и ориентация катушки 125 могут быть определены по меньшей мере частично на основании управляющих команд позиционирования, предназначенных для управления размещением устройства 130 перемещения во множестве отдельных местоположений.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения изображения, захваченные камерой 135, расположенной над образцом 110 и устройством 120 с катушкой, могут быть обработаны в сочетании с сигналами от различных датчиков, связанных с устройством 120 с катушкой, для определения данных о положении для каждого результата измерения характеристик катушки. Более конкретно устройство 120 с катушкой может содержать один или несколько датчиков 126 движения (например, трехосный акселерометр, гироскоп и/или другие датчики движения) и датчик 128 глубины. Ориентация одной катушки 125 относительно поверхности может быть определена с помощью сигналов от датчиков 126 движения. Например, сигналы от трехосного акселерометра могут быть использованы для определения ориентации одной катушки 125 во время измерения характеристик катушки.
Может быть использован датчик 128 глубины для определения расстояния от одной катушки до образца 110 (например, положение по оси z). Датчик 128 глубины может содержать одно или несколько устройств, выполненных с возможностью определения местоположения катушки 125 относительно поверхности. Например, датчик 128 глубины может содержать один или несколько лазерных датчиков и/или акустических датчиков расположения. В другой реализации датчик 128 глубины может содержать одну или несколько камер, выполненных с возможностью захвата изображений образца 110. Изображения могут быть обработаны для определения глубины до образца 110, например с помощью технологий «структура из движения».
Изображения, захваченные камерой 135, могут быть использованы для определения положения катушки 125 по оси x и оси y. Более конкретно устройство 120 с катушкой также может содержать графический символ, расположенный на поверхности устройства 120 с катушкой. После осуществления множества измерений характеристик катушки устройство 135 захвата изображений может захватывать изображения графического символа. Изображения могут быть переданы на вычислительную систему 140, которая может обрабатывать изображения на основании местоположения графического символа для определения положения по оси x и оси y относительно образца 110. В конкретных реализациях камера 135 может содержать телецентрическую линзу для уменьшения ошибки параллакса.
Вычислительная система 140 может принимать результаты измерения характеристик катушки, вместе с данными о местоположении и ориентации катушки, и может обрабатывать данные для создания трехмерного графика электромагнитных характеристик образца 110. Вычислительная система 140 может содержать одно или несколько вычислительных устройств, например одно или несколько из настольного компьютера, портативного компьютера, сервера, мобильного устройства, дисплея с одним или несколькими процессорами, или другое подходящее вычислительное устройство, имеющее один или несколько процессоров и одно или несколько запоминающих устройств. Вычислительная система 140 может быть реализована с помощью одного или нескольких сетевых компьютеров (например, в кластере или другой распределенной вычислительной системе). Например, вычислительная система 140 может быть связана с одним или несколькими удаленными устройствами 160 (например, с помощью проводного или беспроводного соединения или сети).
Вычислительная система 140 содержит один или несколько процессоров 142 и одно или несколько запоминающих устройств 144. Один или несколько процессоров 142 могут включать любое подходящее устройство обработки, такое как микропроцессор, микроконтроллер, интегральная схема или другое подходящее устройство обработки. Запоминающие устройства 144 могут содержать одну или несколько частей из одного или нескольких видов материальных постоянных машиночитаемых носителей, включая без ограничения RAM, ROM, жесткие диски, флеш-диски, оптические носители, магнитные носители или другие запоминающие устройства. Вычислительная система 140 также может содержать одно или несколько устройств 162 ввода (например, клавиатуру, мышь, сенсорный экран, сенсорную панель, микрофон и т.д.) и одно или несколько устройств 164 вывода (например, дисплей, громкоговорители и т.д.).
Запоминающие устройства 144 могут хранить команды 146, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами 142 вызывают выполнение операций одним или несколькими процессорами 142. Вычислительное устройство 140 может быть приспособлено для работы в качестве специализированной машины, обеспечивающей необходимые функциональные возможности путем получения доступа к командам 146. Команды 146 могут быть реализованы в аппаратном обеспечении или программном обеспечении. При использовании программного обеспечения может быть использован любой подходящий язык программирования, язык сценариев или другой тип языка или комбинации языков для реализации идей, описанных в данном документе.
Как показано, запоминающие устройства 144 могут хранить команды 146, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами 142 вызывают реализацию одним или несколькими процессорами 142 модуля 148 магнитоиндукционной томографии («MIT»). Модуль 148 MIT может быть выполнен с возможностью реализации одного или нескольких способов визуализации методом магнитоиндукционной томографии, описанных в данном документе, с помощью одной катушки, например способа, показанного на фиг. 8.
Одно или несколько запоминающих устройств 144 по фиг. 1 также могут хранить данные, такие как результаты измерения характеристик катушки, данные о положении, трехмерные графики электромагнитных характеристик и другие данные. Как показано, одно или несколько запоминающих устройств 144 могут хранить данные, связанные с аналитической моделью 150. Аналитическая модель 150 может определять отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и распределением электромагнитных характеристик образца 110. Особенности примерной аналитической модели будут описаны ниже более подробно.
Модуль 148 MIT может быть выполнен с возможностью приема входных данных из устройства 162 ввода, из устройства 120 с катушкой, из устройства 130 перемещения, из данных, хранящихся в одном или нескольких запоминающих устройствах 144, или других источников. Затем модуль 148 MIT может анализировать такие данные в соответствии с описанными способами и предоставлять пользователю пригодные к использованию выходные данные, такие как трехмерные графики электромагнитных характеристик, посредством устройства 164 вывода. Альтернативно анализ может быть реализован посредством одного или нескольких удаленных устройств 160.
Технология, описанная в данном документе, относится к вычислительным системам, серверам, базам данных, программным приложениям и другим системам на основе компьютеров, а также предпринимаемым действиям и информации, отправленной на указанные системы и от них. Среднему специалисту в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что гибкость, свойственная системам на основе компьютеров, предусматривает значительное разнообразие возможных конфигураций, комбинаций, решений задач и функциональных возможностей среди компонентов. Например, процессы, описанные в данном документе, могут быть реализованы с помощью одного вычислительного устройства или нескольких вычислительных устройств, работающих совместно. Базы данных и приложения могут быть реализованы в одной системе или распределены среди нескольких систем. Распределенные компоненты могут работать последовательно или параллельно.
На фиг. 2 изображен один примерный график 180 удельной проводимости, который может быть создан системой 100 из множества результатов измерения характеристик катушки с помощью одной катушки согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. График 180 удельной проводимости может обеспечивать двухмерный вид поперечного сечения трехмерного графика удельной проводимости, созданного модулем 148 MIT по фиг. 1 на основании результатов измерения, полученных с помощью устройства 120 с катушкой. График 180 удельной проводимости по фиг. 2 может быть представлен, например, на устройстве 164 вывода вычислительной системы 140 по фиг. 1.
График 180 удельной проводимости по фиг. 2 представляет вид в поперечном сечении позвоночника пациента, пересекающий и показывающий позвоночный канал. На графике 180 удельной проводимости отображено распределение удельной проводимости по осям x, y и z с такими единицами измерения, как сантиметры. График 180 удельной проводимости содержит шкалу 182, указывающую тона по шкале серого, соответствующие варьирующим степеням удельной проводимости в таких единицах измерения, как См/м. Как показано, график 180 удельной проводимости отображает отличающиеся значения удельной проводимости участков ткани человека в области позвоночника и может предоставлять изображение области позвоночника пациента.
На фиг. 3 изображен другой примерный график 190 удельной проводимости, который может быть создан системой 100 из множества результатов измерения характеристик катушки с помощью одной катушки согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. График 190 удельной проводимости может представлять собой двухмерный вид поперечного сечения трехмерного графика удельной проводимости, созданного модулем 148 MIT по фиг. 1 на основании результатов измерения, полученных с помощью устройства 120 с катушкой. График 190 удельной проводимости по фиг. 3 может быть представлен, например, на устройстве 164 вывода вычислительной системы 140 по фиг. 1.
График 190 удельной проводимости по фиг. 3 представляет сагиттальный вид области позвоночника пациента, выполненный со смещением параллельно позвоночнику. На графике 190 удельной проводимости отображено распределение удельной проводимости по осям x, y и z с такими единицами измерения, как сантиметры. График 190 удельной проводимости содержит шкалу 192, указывающую тона по шкале серого, соответствующие варьирующим степеням удельной проводимости в таких единицах измерения, как См/м. Как показано, график 190 удельной проводимости отображает отличающиеся значения удельной проводимости участков ткани человека в области позвоночника и может предоставлять изображение области позвоночника пациента. Разрез пересекает и показывает структуру, связанную с соединением ребер с поперечными отростками позвонков. График 180 удельной проводимости и график 190 удельной проводимости, вместе с другими видами, могут предоставлять различные изображения области позвоночника пациента для диагностики и других целей.
Примерная количественная аналитическая модель для одной катушки
Далее будет описана примерная количественная аналитическая модель для получения трехмерного графика удельной проводимости из множества результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки. Количественная модель разработана для произвольного распределения удельной проводимости, но при этом диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость рассматриваются как пространственно однородные. Количественная аналитическая модель была разработана для геометрии катушки, содержащей множество концентрических круглых витков, все из которых лежат в общей плоскости и соединены последовательно, причем считается, что переходный ток имеет одинаковые значения во всех точках на витках. Допускается произвольное изменение в пространстве распределения удельной проводимости, при этом раствор для электрического поля ограничен небольшой удельной проводимостью (<10 См/м). Предполагается сохранение условий с отсутствием заряда, в результате чего считается, что электрическое поле имеет нулевую дивергенцию. При этих условиях поля возникают только в результате действия внешних и вихревых токов.
Количественная аналитическая модель может устанавливать взаимоотношение между изменением действительной части импеданса (например, омическими потерями) катушки и различными параметрами, включая распределение удельной проводимости образца, положение и ориентацию одной катушки относительно образца, геометрию катушки (например, радиус каждого из множества концентрических проводящих витков) и другие параметры. Одна примерная модель приведена ниже:
-
Zre – результат измерения характеристик катушки (например, действительная часть потерь импеданса катушки), µ – магнитная проницаемость в свободном пространстве. ω – частота возбуждения катушки, ρk и ρj – радиусы каждого проводящего витка j и k для каждой пары взаимодействующих витков j,k. Функция Q1/2 известна как кольцевая функция или тороидальная гармоническая функция, имеющая аргумент ηj и ηk, как показано далее:
Со ссылкой на систему координат, расположенную в центре концентрических витков, так что все витки лежат в пределах плоскости XY, ρ обозначает радиальное расстояние от оси катушки до точки в образце, при этом z обозначает расстояние от плоскости катушки до той же точки в образце.
Модель вводит электрическую удельную проводимость 
как функцию от положения. Интегралы могут быть вычислены с помощью сетки конечных элементов (например, с четырехгранными элементами) с целью создания распределения удельной проводимости для множества результатов измерения характеристик катушки, как будет более подробно описано ниже.
Примерное устройство с катушкой для визуализации методом магнитоиндукционной томографии
Как описано выше, авторы изобретения разработали количественную аналитическую модель, которая определяет отношение между множеством результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки, имеющей множество концентрических проводящих витков, соединенных последовательно, и распределением удельной проводимости образца. Далее будет описана примерная конструкция катушки, которая приблизительно соответствует катушке, предусматриваемой примерной количественной моделью.
Катушка согласно примерным аспектам настоящего изобретения может содержать множество концентрических проводящих витков, расположенных в двух плоскостях на многослойной печатной плате. Множество концентрических проводящих витков может включать множество первых концентрических проводящих витков, расположенных в первой плоскости, и множество вторых концентрических проводящих витков, расположенных во второй плоскости. Вторая плоскость может быть отделена от первой плоскости расстоянием между плоскостями. Расстояние между плоскостями может быть выбрано таким образом, что катушка приблизительно соответствует катушке, находящейся в одной плоскости, предусматриваемой в примерной количественной аналитической модели для визуализации методом магнитоиндукционной томографии, описанной в данном документе.
Кроме того, множество проводящих витков могут быть соединены последовательно с помощью множества соединительных дорожек. Множество соединительных дорожек могут быть расположены таким образом, что может быть уменьшено их влияние на поля, генерируемые соединительными дорожками. Таким образом, катушка согласно примерным аспектам настоящего изобретения может иметь характеристики, которые приблизительно соответствуют множеству круглых витков, расположенных концентрично относительно друг друга и в одной плоскости.
На фиг. 4 изображена примерная катушка 200, применяемая для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения. Как показано, катушка 200 содержит десять концентрических проводящих витков. Более конкретно, катушка 200 содержит пять первых концентрических проводящих витков 210, расположенных в первой плоскости, и пять вторых концентрических проводящих витков 220, расположенных во второй плоскости. Первые и вторые концентрические проводящие витки 210 и 220 могут представлять собой медные дорожки размером 1 мм или 0,5 мм на многослойной печатной плате. В одном примере реализации радиусы пяти концентрических проводящих витков в каждой плоскости равны приблизительно 4 мм, 8 мм, 12 мм, 16 мм и 20 мм соответственно. Другие подходящие размеры и промежуток могут быть выбраны без отхода от объема настоящего изобретения.
Как показано, каждый из множества первых концентрических проводящих витков 210 расположен таким образом, что он перекрывает один из множества вторых концентрических проводящих витков 220. Кроме того, первые концентрические проводящие витки 210 и вторые концентрические проводящие витки 220 могут быть разделены расстоянием между плоскостями. Расстояние между плоскостями может быть выбрано таким образом, что катушка 200 приблизительно соответствует одной плоскости концентрических витков, как предусматривается количественной аналитической моделью. Например, расстояние между плоскостями может находиться в диапазоне от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,7 мм, например приблизительно 0,5 мм. В данном контексте применение термина «приблизительно» относительно размера или другой характеристики предназначено для указания конкретного размера или другой характеристики в пределах 20%.
Множество первых проводящих витков 210 может содержать первый наиболее близкий к центру проводящий виток 214. Первый наиболее близкий к центру проводящий виток 214 может быть соединен с источником РЧ-энергии. Множество вторых проводящих витков 220 может содержать второй наиболее близкий к центру проводящий виток 224. Второй наиболее близкий к центру проводящий виток 224 может быть соединен с опорным узлом (например, узлом заземления или общим узлом).
Катушка также содержит множество соединительных дорожек 230, применяемых для последовательного соединения первых концентрических проводящих витков 210 и вторых концентрических проводящих витков 220. Более конкретно соединительные дорожки 230 последовательно соединяют множество первых концентрических проводящих витков 210 друг с другом и могут последовательно соединять множество вторых концентрических проводящих витков 220 друг с другом. Соединительные дорожки 230 также могут содержать соединительную дорожку 235, которая последовательно соединяет самый крайний первый концентрический проводящий виток 212 с самым крайним вторым концентрическим проводящим витком 214.
Как более подробно показано на фиг. 5, соединительные дорожки 230 могут быть расположены таким образом, что поля, излучаемые соединительным дорожками, противодействуют друг другу. Более конкретно соединительные дорожки 230 могут быть выровнены в радиальном направлении таким образом, что направление протекания тока одной из множества соединительных дорожек, расположенных в первой плоскости, противоположно направлению протекания тока одной из множества соединительных дорожек, расположенных во второй плоскости. Например, как показано на фиг. 5, соединительная дорожка 232, расположенная в первой плоскости, может быть практически выровнена в радиальном направлении с соединительной дорожкой 234 во второй плоскости. Направление тока, протекающего в соединительной дорожке 232, может быть противоположным направлению тока, протекающего в соединительной дорожке 234, вследствие чего поля, генерируемые соединительными дорожками 232 и 234, противодействуют или нейтрализуют друг друга.
Как дополнительно изображено на фиг. 5, каждый из множества первых проводящих витков 210 и вторых проводящих витков 220 может содержать зазор 240, способствующий соединению проводящих витков с помощью соединительных дорожек 230. Зазор может находиться в диапазоне от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,7 мм, например приблизительно 0,5 мм.
Зазоры 240 могут быть смещены относительно друг друга, способствуя соединению множества концентрических проводящих витков 210 и 220 последовательно. Например, зазор, соответствующий одному из множества первых концентрических проводящих витков 210, может быть смещен относительно зазора, соответствующего другому из множества первых концентрических проводящих витков 210. Аналогично, зазор, соответствующий одному из множества вторых концентрических проводящих витков 220, может быть смещен относительно зазора, соответствующего другому из множества вторых концентрических проводящих витков 220. Зазор, соответствующий одному из первых концентрических проводящих витков 210, может быть смещен относительно зазора, соответствующего одному из множества вторых концентрических проводящих витков 220. Смещенные зазоры могут не располагаться на одной и той же оси, соответствующей катушке 200.
Как показано в описанных далее результатах эксперимента, катушка 200 по фиг. 4 и 5 может обеспечивать хорошее приближение катушки, предусматриваемой количественной аналитической моделью для визуализации методом магнитоиндукционной томографии. Таким образом, результаты измерения характеристик катушки с помощью катушки 200 могут быть использованы для создания трехмерных графиков электромагнитных характеристик образцов, представляющих интерес (например, образцов ткани человека).
На фиг. 6 изображена блок-схема последовательности этапов выполнения примерного способа (300) создания катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения. На фиг. 6 в целях иллюстрации и пояснения изображены этапы, выполняемые в определенном порядке. Средним специалистам в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что этапы любого из способов, описанных в данном документе, могут быть модифицированы, исключены, перегруппированы, адаптированы или развернуты различными путями без отхода от объема настоящего изобретения.
На этапе (302) множество первых концентрических проводящих витков размещают в первой плоскости. Например, множество первых концентрических проводящих витков 210 катушки 200 по фиг. 4 размещают на первой плоскости многослойной печатной платы. На этапе (304) по фиг. 6 множество вторых концентрических проводящих витков размещают во второй плоскости. Например, множество вторых концентрических проводящих витков 220 по фиг. 4 размещают на второй плоскости многослойной печатной платы.
Первая плоскость и вторая плоскость могут быть разделены расстоянием между плоскостями. Расстояние между плоскостями может быть выбрано таким образом, что катушка приблизительно соответствует одной плоскости концентрических проводящих витков в аналитической модели для магнитоиндукционной томографии, описанной в данном документе. Например, расстояние между плоскостями может быть выбрано в диапазоне от 0,2 мм до 0,7 мм.
На этапе (306) множество первых концентрических проводящих витков последовательно соединяют с помощью множества первых соединительных дорожек в первой плоскости. На этапе (308) на фиг. 6 множество вторых концентрических проводящих витков последовательно соединяют с помощью множества вторых соединительных дорожек во второй плоскости. Соединительные дорожки могут быть выровнены в радиальном направлении таким образом, что поля, генерируемые соединительными дорожками, противодействуют друг другу. Например, соединительные дорожки могут быть размещены таким образом, что множество первых соединительных дорожек и множество вторых соединительных дорожек выровнены в радиальном направлении для последовательного соединения множества первых концентрических проводящих витков и множества вторых концентрических проводящих витков таким образом, что направление протекания тока одной из множества первых соединительных дорожек противоположно направлению протекания тока одной из множества вторых соединительных дорожек.
На этапе (308) способ может включать соединение первого самого крайнего проводящего витка, расположенного в первой плоскости, со вторым самым крайним проводящим витком во второй плоскости таким образом, что множество первых концентрических проводящих витков и множество вторых концентрических проводящих витков соединены последовательно. Например, как показано на фиг. 4, первый самый крайний проводящий виток 212 может быть последовательно соединен со вторым самым крайним проводящим витком 222.
На этапе (310) по фиг. 6 способ может включать соединение первого наиболее близкого к центру проводящего витка с источником РЧ-энергии. Например, как показано на фиг. 4, наиболее близкий к центру проводящий виток 214 из множества первых концентрических проводящих витков 210 может быть соединен с источником РЧ-энергии. На этапе (312) по фиг. 6 второй наиболее близкий к центру проводящий виток может быть соединен с опорным узлом (например, узлом заземления или общим узлом). Например, как показано на фиг. 4, наиболее близкий к центру проводящий виток 224 из множества вторых концентрических проводящих витков 220 может быть соединен с опорным узлом.
Примерная схема для получения результатов измерения характеристик катушки
На фиг. 7 изображена примерная схема 400, которая может применяться для получения результатов измерения характеристик катушки с помощью катушки 200 по фиг. 4 и 5. Как показано, схема 400 по фиг. 7 содержит источник 410 РЧ-энергии (например, колебательный контур), выполненный с возможностью возбуждения катушки 200 РЧ-энергией. Источник 410 РЧ-энергии может представлять собой кварцевый генератор с фиксированной частотой, выполненный с возможностью подачи РЧ-энергии на фиксированной частоте на катушку 200. Фиксированная частота может составлять, например, приблизительно 12,5 МГц. В одном примерном варианте осуществления источник 410 РЧ-энергии может быть соединен с наиболее близким к центру концентрическим проводящим витком из множества первых концентрических проводящих витков катушки 200. Наиболее близкий к центру концентрический проводящий виток из множества вторых концентрических проводящих витков катушки 200 может быть соединен с опорным узлом (например, общим узлом или узлом заземления).
Схема 400 может содержать один или несколько процессоров 420 для управления различными функциями схемы 400, а также для обработки информации, полученной схемой 400 (например, информации, полученной схемой 430 измерения). Один или несколько процессоров 420 могут включать любое подходящее устройство обработки, такое как цифровой сигнальный процессор, микропроцессор, микроконтроллер, интегральная схема или другое подходящее устройство обработки.
Один или несколько процессоров 420 могут быть выполнены с возможностью управления различными компонентами схемы 400 с целью сбора результатов измерения потерь в катушке с помощью катушки 200. Например, один или несколько процессоров 420 могут управлять варактором 415, соединенным параллельно с катушкой 200, для введения катушки 200 в резонанс или почти резонанс после размещения катушки 200 рядом с образцом для измерения характеристик катушки. Один или несколько процессоров 420 также могут управлять схемой 430 измерения для получения результатов измерения характеристик катушки после размещения катушки 200 рядом с образцом.
Схема 430 измерения может быть выполнена с возможностью получения результатов измерения характеристик катушки с помощью катушки 200. Результаты измерения характеристик катушки могут указывать потери в катушке 200, возникающие в результате действия вихревых токов, индуцированных в образце. В одной реализации схема 430 измерения может быть выполнена с возможностью измерения действительной части изменений полной проводимости катушки 200. Действительная часть изменений полной проводимости катушки 200 может быть преобразована в действительную часть изменений импеданса катушки 200 как значение, обратное полной проводимости, в целях аналитической модели.
Полная проводимость катушки 200 может быть измерена несколькими путями. В одном варианте осуществления схема 430 измерения измеряет полную проводимость с помощью схемы 432 измерения фазового сдвига и схемы 434 измерения усиления напряжения. Например, схема 430 измерения может содержать измеритель фазы и усиления AD8302, доступный от Analog Devices. Схема 432 измерения фазового сдвига может измерять фазовый сдвиг между током и напряжением, связанный с катушкой 200. Схема 434 измерения усиления напряжения может измерять отношение напряжения на катушке 200 к напряжению измерительного резистора, последовательно соединенного с катушкой 200. Полная проводимость катушки 200 может быть определена (например, с помощью одного или нескольких процессоров 420) на основании фазы и усиления катушки 200, полученных с помощью схемы 430 измерения.
После получения результатов измерения характеристик катушки один или несколько процессоров 420 могут сохранять результаты измерения характеристик катушки, например, в запоминающее устройство. Один или несколько процессоров 420 также могут передавать результаты измерения характеристик катушки одному или нескольким удаленным устройствам с целью обработки для создания трехмерного графика электромагнитных характеристик образца с помощью устройства 440 связи. Устройство 440 связи может содержать любой подходящий интерфейс или устройство для передачи информации на удаленное устройство посредством проводных или беспроводных соединений и/или сетей.
Примерные способы визуализации методом магнитоиндукционной томографии
На фиг. 8 изображена блок-схема последовательности этапов выполнения примерного способа (500) визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения. Способ (500) может быть реализован с помощью одного или нескольких вычислительных устройств, например одного или нескольких вычислительных устройств вычислительной системы 140, изображенной на фиг. 1. Кроме того, на фиг. 8 в целях иллюстрации и пояснения изображены этапы, выполняемые в определенном порядке. Средним специалистам в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что этапы любого из способов, описанных в данном документе, могут быть модифицированы, исключены, перегруппированы, адаптированы или развернуты различными путями без отхода от объема настоящего изобретения.
На этапе (502) способ может включать получение доступа ко множеству результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки во множестве различных отдельных местоположений относительно образца. Например, множество результатов измерения характеристик катушки могут быть доступны из запоминающего устройства или могут быть приняты из устройства с катушкой, имеющего одну катушку, выполненного с возможностью получения результатов измерения характеристик катушки. Результаты измерения характеристик катушки могут представлять собой результаты измерения потерь в катушке, полученные с помощью одной катушки после возбуждения одной катушки РЧ-энергией и ее размещения рядом с образцом в одном из множества отдельных местоположений.
В одной реализации одна катушка может содержать множество концентрических проводящих витков. Например, одна катушка может иметь множество первых концентрических проводящих витков, размещенных в первой плоскости, и множество вторых концентрических проводящих витков, размещенных во второй плоскости. Множество концентрических проводящих витков могут быть соединены с помощью соединительных дорожек, размещенных таким образом, чтобы оказывать меньшее влияние на поле, созданное катушкой. Например, одна катушка может иметь геометрию катушки 200, изображенную на фиг. 4 и 5.
Результаты измерения характеристик катушки могут быть получены во множестве отдельных положений относительно образца. Каждый результат измерения характеристик катушки может быть взят в отличном отдельном положении относительно образца. Большее количество результатов измерения характеристик катушки может привести к повышенной точности при создании трехмерного графика электромагнитных характеристик из результатов измерения характеристик катушки.
В одном конкретном варианте осуществления результаты измерения характеристик катушки могут включать множество различных наборов данных результатов измерения характеристик катушки. Каждый из наборов данных может быть создан путем проведения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки. Одна катушка может быть разной для каждого набора данных. Например, каждый набор данных может быть связан с одной катушкой, имеющей отличный общий размер и/или внешний диаметр относительно любой из других одних катушек, связанных с другими наборами данных. Наборы данных могут быть получены в различные моменты времени. Наборы данных могут быть совместно обработаны согласно примерным аспектам настоящего изобретения для создания трехмерного графика распределения электрических характеристик образца, как описано ниже.
На этапе (504) по фиг. 8 способ включает соотнесение данных о положении с каждым из множества результатов измерения характеристик катушки. Данные о положении для каждого результата измерения характеристик катушки могут указывать положение и ориентацию одной катушки относительно образца после осуществления измерения характеристик катушки. Данные о положении могут быть соотнесены с каждым результатом измерения характеристик катушки, например, в запоминающем устройстве вычислительной системы.
Данные о положении могут быть получены несколькими путями. В одной реализации данные о положении могут быть получены для каждого результата измерения из данных, связанных с устройством перемещения, применяемым для размещения одной катушки относительно образца во множестве отдельных местоположений относительно образца. Например, может осуществляться управление устройством перемещения для размещения одной катушки во множестве определенных местоположений относительно образца. Данные о положении могут быть определены из этих местоположений.
Сигналы от одного или нескольких датчиков (например, одного или нескольких датчиков движения и одного или нескольких датчиков глубины), связанных с одной катушкой, также могут применяться для определения данных о положении для измерения характеристик катушки. Также могут быть захвачены изображения устройства с катушкой, содержащего одну катушку, при осуществлении множества измерений характеристик катушки. Положение одной катушки может быть определено, например, на основании положения графического символа на поверхности устройства с катушкой, показанного на изображениях.
На этапе (506) способ включает получение доступа к аналитической модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и электромагнитной характеристикой образца. Например, аналитическая модель может быть доступна, например, из запоминающего устройства. В одной конкретной реализации аналитическая модель устанавливает взаимоотношение между изменением импеданса одной катушки, имеющей множество концентрических проводящих витков, и распределением удельной проводимости образца. Более конкретно аналитическая модель может устанавливать взаимоотношение между изменением импеданса одной катушки и рядом параметров. Параметры могут включать распределение удельной проводимости образца, положение и ориентацию, связанные с каждым результатом измерения потерь в катушке, и геометрию катушки (например, радиус каждого из концентрических проводящих витков). Подробная информация относительно примерной количественной модели была предоставлена в описании примерной количественной аналитической модели для одной катушки, описанной выше.
На этапе (508) способ включает оценивание аналитической модели на основании множества результатов измерения характеристик катушки и соответствующих данных о положении. Более конкретно может быть выполнена инверсия с помощью модели для определения распределения удельной проводимости, которое наиболее точно приводит ко множеству полученных результатов измерения характеристик катушки. В одном примерном аспекте инверсия может быть выполнена путем дискретизации образца в виде сетки конечных элементов. Сетка конечных элементов может содержать множество многогранных элементов, таких как четырехгранные элементы. Форма и разрешение сетки конечных элементов могут быть адаптированы под анализируемый образец. Для практических целей данные о местоположении катушки могут быть использованы для того, чтобы предотвратить построение сетки конечных элементов тех участков пространства, в которых находилась катушка, тем самым улучшая эффективность. После создания сетки конечных элементов для образца распределение удельной проводимости для сетки конечных элементов может быть рассчитано с помощью нелинейного метода наименьших квадратов или метода наименьших квадратов с ограничениями.
Более конкретно множество возможных распределений электромагнитных характеристик может быть рассчитано для сетки конечных элементов. Каждое из этих возможных распределений электромагнитных характеристик может быть оценено с помощью функции затрат или целевой функции, такой как среднеквадратическая погрешность. Функция затрат или целевая функция может присваивать затраты каждому возможному распределению электромагнитных характеристик по меньшей мере частично на основании разницы между полученными результатами измерения характеристик катушки и теоретическими результатами измерения характеристик катушки с помощью модели. Возможное распределение электромагнитных характеристик с наименьшими затратами может быть выбрано в качестве распределения электромагнитных характеристик для образца. Среднему специалисту в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что могут быть использованы другие подходящие методики для определения распределения электромагнитных характеристик с помощью аналитической модели без отхода от объема настоящего изобретения.
На этапе (510) может быть создан трехмерный график электромагнитных характеристик на основании распределения электромагнитных характеристик, идентифицированного с помощью алгоритма инверсии. Трехмерный график характеристик может представлять распределение электромагнитных характеристик (например, распределение удельной проводимости) для множества трехмерных участков, связанных с образцом. Двухмерные виды, взятые вдоль поперечных разрезов трехмерного графика электромагнитных характеристик, затем могут быть собраны и представлены, например, на устройстве отображения. Трехмерные виды графика электромагнитных характеристик также могут быть созданы, повернуты и представлены, например, на устройстве отображения.
Результаты эксперимента №1
Сконструировали две катушки, имеющие геометрию катушки 200, изображенной на фиг. 4 и 5. Катушка «R» имела дорожку шириной 1 мм. Катушка «S» имела дорожку шириной 0,5 мм. Каждая дорожка была выполнена из 2 унций меди. Дорожки на катушке «R» имели эквивалентный диаметр круглого провода величиной 0,68 мм, эквивалентный в смысле наличия идентичных параметров. Дорожки на катушке «S» имели эквивалентный диаметр круглого провода величиной 0,36 мм.
Катушку размещали во множестве отдельных местоположений относительно образца, включая резервуар 30 см × 30 см × 13 см глубиной с водным раствором KCl, имеющим известное распределение удельной проводимости. Изменение полной проводимости относительно свободного пространства измеряли, а затем использовали для вычисления потерь. Затем это значение сравнивали с теоретическими потерями, вычисленными с помощью количественной аналитической модели, описанной выше.
На фиг. 9 изображено сравнение теоретических потерь с наблюдаемыми потерями для катушки «R». На фиг. 9 отображена глубина от образца, или расстояние над ним, на оси абсцисс и потери в катушке на оси ординат. Кривая 602 обозначает наблюдаемые потери для катушки «R». Кривая 604 обозначает теоретические потери для бесконечной пластины толщиной 13 см. Кривая 606 обозначает теоретические потери для пластины конечных размеров.
На фиг. 10 изображено сравнение теоретических потерь с наблюдаемыми потерями для катушки «S». На фиг. 10 отображена глубина от образца, или расстояние до него, на оси абсцисс и потери в катушке на оси ординат. Кривая 612 обозначает наблюдаемые потери для катушки «S». Кривая 614 обозначает теоретические потери для бесконечной пластины толщиной 13 см. Кривая 616 обозначает теоретические потери для пластины конечных размеров.
Как показано на фиг. 9 и 10, результаты измерения характеристик катушки, полученные с помощью геометрии катушки 200 по фиг. 4 и 5, почти точно соответствуют теоретическим потерям, полученным с помощью примерной количественной аналитической модели, описанной в данном документе. В результате этого катушка 200 по фиг. 4 и 5 может быть эффективным образом использована для визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки согласно примерным аспектам настоящего изобретения.
Результаты эксперимента №2
Для испытания примерной количественной аналитической модели согласно примерным аспектам настоящего изобретения образец, содержащий пластину квадратной формы размерами 9 см × 9 см и толщиной 2 см, разделяли на два слоя. Создавали сетку конечных элементов для образца, состоящую из 380 пятигранных элементов и 342 узлов. Электрическая удельная проводимость распределяется по узлам сетки с изменением удельной проводимости от 1,0 См/м возле углов до 3,0 См/м возле центра. На фиг. 10 показано теоретическое распределение удельной проводимости 620, определенное для образца согласно следующей формуле:
Девять виртуальных результатов измерения характеристик катушки были смоделированы с помощью одной катушки в девяти отдельных положениях катушки. Выполнили инверсию с помощью количественной аналитической модели по меньшей мере частично на основании девяти результатов измерения характеристик катушки. На фиг. 11 изображен полученный в результате трехмерный график 630 удельной проводимости, определенный с помощью инверсии. Как показано, трехмерный график 630 удельной проводимости приблизительно соответствует действительному распределению 620 удельной проводимости и определяется с помощью только девяти измерений характеристик катушки, осуществляемых с помощью одной катушки в отдельных положениях относительно образца.
Хотя объект настоящего изобретения был описан подробно в отношении его конкретных примерных вариантов осуществления, следует понимать, что специалисты в данной области техники, после осознания вышеизложенного, смогут легко выполнить изменения, вариации и эквиваленты этих вариантов осуществления. Соответственно, объем настоящего изобретения представлен скорее в качестве примера, а не ограничения, и объект изобретения не исключает включения таких модификаций, вариаций и/или дополнений к объекту настоящего изобретения, как будет понятно среднему специалисту в данной области техники.
1. Способ визуализации методом магнитоиндукционной томографии, включающий:
получение доступа к множеству результатов измерения характеристик катушки, полученных для образца с помощью одной катушки, которую возбуждают радиочастотной (РЧ) энергией от источника РЧ-энергии, при этом каждый из множества результатов измерения характеристик катушки получен с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца;
соотнесение данных о положении катушки с каждым из множества результатов измерения характеристик катушки, данные о положении катушки указывают на положение и ориентацию одной катушки относительно образца для каждого результата измерения характеристик катушки;
получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и электромагнитной характеристикой образца; и
создание трехмерного графика электромагнитных характеристик образца с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения характеристик катушки и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения характеристик катушки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый из множества результатов измерения характеристик катушки содержит результат измерения потерь в катушке, указывающий на изменение импеданса одной катушки в результате вихревых токов, индуцированных в образце, когда одна катушка помещена рядом с образцом и возбуждена радиочастотной энергией.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что множество результатов измерения характеристик катушки получают, когда одна катушка установлена на устройство перемещения, при этом устройство перемещения выполнено с возможностью перемещения одной катушки в множество отдельных местоположений.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что данные о положении катушки получают от устройства перемещения.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что данные о положении катушки определяют по меньшей мере частично на основании данных, сгенерированных одним или несколькими датчиками.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что данные о положении катушки определяют по меньшей мере частично на основании захваченных изображений графического символа, расположенного на поверхности устройства с катушкой, содержащего одну катушку.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модель устанавливает взаимоотношение между изменением импеданса одной катушки и множеством параметров, при этом множество параметров содержит по меньшей мере распределение удельной проводимости образца, а также положение и ориентацию одной катушки относительно образца.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что график электромагнитных характеристик представляет собой трехмерный график удельной проводимости образца.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трехмерный график электромагнитных характеристик создают с помощью модели путем дискретизации образца в сетки или решетки из конечного числа элементов.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что множество результатов измерения характеристик катушки содержит множество наборов данных результатов измерения характеристик катушки, при этом каждый из множества наборов данных получен от отличной одной катушки в отличное время.
11. Система для визуализации методом магнитоиндукционной томографии образца, содержащая:
устройство с катушкой, содержащее одну катушку, соединенную с источником радиочастотной (РЧ) энергии, при этом одна катушка содержит множество концентрических проводящих витков, причем каждый из множества концентрических проводящих витков имеет отличный радиус, при этом одна катушка выполнена с возможностью получения результата измерения потерь в катушке;
устройство перемещения, выполненное с возможностью расположения одной катушки относительно образца в множестве отдельных местоположений относительно образца;
вычислительную систему, содержащую один или несколько процессоров и одно или несколько запоминающих устройств, при этом одно или несколько запоминающих устройств хранят машиночитаемые команды, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами вызывают выполнение операций одним или несколькими процессорами, при этом операции включают:
получение доступа к множеству результатов измерения потерь в катушке, полученных для образца с помощью одной катушки, которую возбуждают радиочастотной (РЧ) энергией от источника РЧ-энергии, при этом каждый из множества результатов измерения потерь в катушке получен с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца;
соотнесение данных о положении катушки с каждым из множества результатов измерения потерь в катушке, данные о положении катушки указывают на положение и ориентацию одной катушки относительно образца для каждого результата измерения потерь в катушке;
получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и удельной проводимостью образца; и
создание трехмерного графика удельной проводимости образца с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения потерь в катушке и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения характеристик катушки.
12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что результат измерения потерь в катушке указывает на изменение импеданса одной катушки в результате вихревых токов, индуцированных в образце, когда одна катушка помещена рядом с образцом и возбуждена радиочастотной энергией.
13. Система по п. 11, отличающаяся тем, что данные о положении катушки определяют по меньшей мере частично на основании данных, сгенерированных одним или несколькими датчиками.
14. Система по п. 11, отличающаяся тем, что данные о положении катушки определяют по меньшей мере частично на основании захваченных изображений графического символа, расположенного на поверхности устройства с катушкой, содержащего одну катушку.
15. Система по п. 11, отличающаяся тем, что модель устанавливает взаимоотношение между изменением импеданса одной катушки и множеством параметров, при этом множество параметров содержит по меньшей мере распределение удельной проводимости образца, положение и ориентацию одной катушки относительно образца и радиус каждого из множества концентрических проводящих витков в одной катушке.
16. Система по п. 11, отличающаяся тем, что трехмерный график удельной проводимости создают с помощью модели путем дискретизации образца в виде сетки конечных элементов.
17. Система по п. 11, отличающаяся тем, что множество результатов измерения характеристик катушки содержит множество наборов данных результатов измерения характеристик катушки, при этом каждый из множества наборов данных получен от отличной одной катушки в отличное время.
18. Один или несколько материальных постоянных машиночитаемых носителей, хранящих машиночитаемые команды, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами вызывают выполнение операций для магнитоиндукционной томографии образца одним или несколькими процессорами, при этом эти операции включают:
получение доступа к множеству результатов измерения потерь в катушке, полученных для образца с помощью одной катушки, которую возбуждают радиочастотной (РЧ) энергией от источника РЧ-энергии, при этом каждый из множества результатов измерения потерь в катушке получен с помощью одной катушки в одном из множества отдельных местоположений относительно образца, при этом каждый результат измерения потерь в катушке указывает на изменение импеданса одной катушки в результате вихревых токов, индуцированных в образце, когда одна катушка размещена рядом с образцом и возбуждена радиочастотной энергией;
соотнесение данных о положении катушки с каждым из множества результатов измерения потерь в катушке, данные о положении катушки указывают на положение и ориентацию одной катушки относительно образца для каждого результата измерения характеристик катушки;
получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения потерь в катушке, полученными с помощью одной катушки, и удельной проводимостью образца; и
создание трехмерного графика удельной проводимости образца с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения потерь в катушке и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения потерь в катушке.
19. Один или несколько материальных постоянных машиночитаемых носителей по п. 18, отличающихся тем, что модель устанавливает взаимоотношение между изменением импеданса одной катушки и множеством параметров, при этом множество параметров содержит по меньшей мере удельную проводимость образца, а также положение и ориентацию одной катушки относительно образца.
20. Один или несколько материальных постоянных машиночитаемых носителей по п. 18, отличающихся тем, что операция по созданию трехмерного графика удельной проводимости образца с помощью модели, основанной по меньшей мере частично на множестве результатов измерения потерь в катушке и данных о положении катушки, связанных с каждым результатом измерения потерь в катушке, включает дискретизацию образца в виде сетки конечных элементов.
21. Один или несколько материальных постоянных машиночитаемых носителей по п. 18, отличающихся тем, что образец является образцом ткани человека.
