磁気誘導断層撮影のための方法及びシステム

本発明は、磁気誘導断層撮影のための方法及びシステムに関する。このシステムは、対象物体に加えられる一次磁場を発生させるための少なくとも1つの送信コイル、及び前記一次磁場に応じて、前記対象物体により生じる二次磁場により誘導される電気信号を測定するための少なくとも1つの測定コイル配列を有する。前記少なくとも1つの測定コイル配列は、実質的に同じ平面に位置決められる複数の測定コイルを有する。従来の単一の測定コイルに取って代わるために、ある平面に位置決められる複数の独立した測定コイルを用いることにより、測定した差分電圧が前記二次磁場の変化に最も敏感である前記測定コイルが導電率分布の変化を計算するために選択されることができ、MITシステムの向上した感度となる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は磁気誘導断層撮影(magnetic induction tomography)、特に磁気誘導断層撮影システムの感度を向上させるための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
磁気誘導断層撮影(MIT)は、工業及び医療撮像に応用できる、非侵襲性及び非接触の撮像技術である。他の電気的撮像技術とは対照的に、MITは、撮像する対象物体(object of interest)とセンサとの直接の接触を必要としない。
【0003】
MITは、例えば導電率σ、誘電率ε及び透磁率μのような対象物体内の受動的電気特性の空間分布を再構成するのに用いられる。MITにおいて、通常は数kHzから数MHzまでの間にある正弦波電流は、普通は一次磁場と呼ばれる時間変動磁場を発生させる送信コイルに加えられる。例えば生物組織のような導電性の対象物体によって、前記一次磁場は、この対象物体内に"渦電流(eddy current)"を発生させる。これら渦電流は二次磁場を発生させる。これら磁場の組み合わせが受信コイルにおいて電気信号、例えば電圧を誘導する。幾つかの送信コイルを使用し、測定を繰り返すと、測定データの組が取得され、対象物体の電磁特性の時間変動を視覚化するのに用いられる。
【0004】
MITは、3つの受動的電磁特性である、導電率、誘電率及び透磁率の全てに敏感である。結果として、例えば対象物体における導電率の寄与が再構成されることができる。特に、MITは、生体組織の透磁率の値がμ≒1であるため、このような生体組織の画像を再構成するのに適している。
【0005】
渦電流により誘導される二次磁場は、測定される物体に関する情報を持っている。しかしながら、この二次磁場により誘導される電圧ΔVは非常に小さく、この電圧ΔVと測定コイルの測定した電圧Vとの比、例えば|ΔV/V|は、幾つかのコイル上において10−7と小さい。これは、現在のMITシステムにおいて少なくとも2つの問題を生じさせ、1つ目は、このシステムがハードウェアのコストを増大させる高精度なADCを必要とすること、並びに2つ目は、このシステムがノイズに対し非常に敏感であり、故にその検出性能に制限を課してしまうことである。
【0006】
先行文献"A new type of gradiometer for the receiving circuit of magnetic induction tomography(MIT)", by Hermann etc. in Physiol. Meas, Vol.26, pp.S307-S318, 2005は、受信回路にグラジオメータ(gradiometer)を使用することにより、異なるコイルの対における信号を取り去る方法を開示し、これはMITシステムの感度を向上させる。
【0007】
しかしながら、グラジオメータのコイルは、コイル配列の対称性の形状に非常に敏感である。例えば機械的及び/又は温度不安定性により引き起こされる変形が原因で、コイルの対が理想的な対称形状から外れるとき、これらコイルは互いに全く補償しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
向上した感度を持つ画像再構成システムを達成するのが有利である。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の第1の態様において、これら問題の1つ以上をより上手に対処するために、対象物体の画像を再構成するためのシステムが提供され、このシステムは、
−対象物体に加えられる一次磁場を発生させるように構成される少なくとも1つの送信コイル、及び
−前記一次磁場に応じて対象物体により生じる二次磁場により誘導される電気信号を測定するように構成される少なくとも1つの測定コイル配列
を有する。ここで少なくとも1つの測定コイル配列は、実質的に同じ平面に位置決められる複数の測定コイルを有する。
【0010】
従来の単一の測定コイルに取って代わるために、ある平面に位置決められた複数の独立した測定コイルを用いることにより、対象物体の導電率分布の変化により生じる二次磁場の変化は独立して計算されることができ、例えばMITシステムに使用されるとき、向上した感度をもたらす。
【0011】
前記システムはさらに、二次磁場により誘導される前記測定した電気信号に基づいて、前記対象物体の画像を再構成するために構成されるプロセッサを有するのが有利であり、このプロセッサは、前記複数の測定コイルの各々を制御し、それらコイルの第1及び第2の電気信号を測定する制御ユニットを有する。
【0012】
ある実施例において、前記第1及び第2の電気信号は電圧を誘導し、前記プロセッサはさらに、前記複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するように構成される第1の選択ユニットを有し、この選択した測定コイルは、前記第1及び第2の電圧間の差分電圧と、前記コイルにかかる第1の電圧との比の最大の絶対値を持つ。
【0013】
他の実施例において、前記第1及び第2の電気信号は電圧を誘導し、前記プロセッサはさらに、前記複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するように構成される第2の選択ユニットを有し、この選択した測定コイルは、前記コイルにかかる第1及び第2の電圧間の差分電圧の最大の絶対値を持つ。
【0014】
前記プロセッサはさらに、選択した測定コイルに対応する差分電圧に基づいて、対象物体の導電率分布の変化を計算するように構成される第1の計算機を有するのが有利である。
【0015】
本発明は、二次磁場の変化に最も敏感である測定コイルを選択し、画像の再構成において、前記選択した測定コイルに対応する差分電圧を使用することにより、前記MITシステムの感度を向上させる。
【0016】
プロセッサはさらに、前記複数の第1及び第2の電圧から得られる複数の重み付き差分電圧に基づいて、対象物体の導電率分布の変化を計算するように構成される第2の計算機を有することも有利である。
【0017】
複数の測定コイルにより生じた差分電圧を重み付けることにより、さらに独立した測定データが画像の再構成に使用されることができ、MITシステムの向上した感度をもたらす。
【0018】
本発明の他の態様によれば、対象物体の画像を再構成する方法を提供し、前記方法は、
(a)少なくとも1つの送信コイルにより対象物体に加えられる一次磁場を発生させるステップ、及び
(b)実質的に同じ平面に位置決められる複数の測定コイルを有する少なくとも1つの測定コイル配列によって、二次磁場により誘導される電気信号を測定するステップであり、前記二次磁場は前記一次磁場に応じて対象物体により生じている、ステップ
を有する。
【0019】
本発明の詳細な説明及び他の態様は以下に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】従来の測定コイル配列の概略図。
【図2】本発明による測定コイル配列の実施例の概略図。
【図3】本発明によるシステムの実施例の概略図。
【図4】本発明による方法のフローチャートの概略図。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明の上記及び他の物体並びに特徴は、添付図面を参照して以下の詳細な説明からさらに明らかとなるだろう。
【0022】
図面を通して、同じ参照符号は、同様の部品を述べるために使用される。
【0023】
MITシステムにおいて、物体の導電率分布とコイルの測定した電圧との間の関係は、マクスウェルの方程式を用いて定められる。測定コイルにかかる電圧は、このコイルにわたる電場(E)の積分
【数1】

である。
【0024】
このマクスウェルの方程式において、導電率とE場との間の関係は、
【数2】

として得られる。
【0025】
この方程式において
【数3】

は、送信コイルに加えられる電流密度であり、
【数4】

である。ここでσ、μ及びεは夫々、導電率、透磁率及び誘電率であり、μ及びεは夫々、自由空間の透磁率及び誘電率であり、
【数5】

である。
【0026】
空間内の何れかの点のE場を直接測定することができず、代わりにコイルに沿ったE場の積分である電圧Vが測定される。
【0027】
図1は、従来のMITシステムに使用される単一の測定コイル100を有する測定コイル配列の概略図である。E場は空間内において3Dベクトル場であるため、そしてコイルが4つのセグメントに分割されている場合、これら4つのセグメントの測定値は異なる。
【0028】
同じ理由で、導電率分布の変化に対応する、4つのセグメントの電位差ΔVは異なるだろう。コイルの4つのセグメントの1つのセグメントの電位差は、対象物体の導電率分布の変化に最も敏感となるだろう。
【0029】
しかしながら、各コイルセグメントにかかる電圧を測定するのは難しい。これは、コイルが、このコイルにより囲まれる範囲にわたり二次磁場の変化により誘導される電圧を単に測定するだけであり、対象物体の導電率の変化により生じる二次磁場の変化に最も敏感なコイルセグメントがどれであるかを特定できないことを意味する。
【0030】
コイルにかかる測定した電圧と導電率分布の変化との間の関係の理解及び洞察に基づいて、本発明は、従来の単一の測定コイルに取って代わるために、実質的に同じ平面に位置決められる複数の独立した測定コイルを使用することにより、導電率分布の変化に最も敏感である、電圧を測定するための新しい測定コイル配列を有するシステムを提供する。
【0031】
図2は、本発明による測定コイル配列200の実施例の概略図である。
【0032】
この測定コイル配列は、実質的に同じ平面に位置決められた複数の独立したコイルを有する。この実施例において、測定コイル配列は4つの独立したコイル201、202、203及び204を有する。
【0033】
前記コイルは、異なる形状でもよく、例えばこれらコイルが扇形又は矩形形状であってもよい。それ故に、コイルにより囲まれる範囲は、別の応用に適応させるために、実質的に同じ又は異なってもよい。
【0034】
前記コイルは、プリント基板(PCB)上に印刷され、サンプリングチャンネルは、各測定コイルからの測定データを読み取るのに使用されるのが有利である。
【0035】
従来の単一の測定コイルに取って代わるために、平面に位置決められる複数の独立した測定コイルを用いることにより、対象物体の導電率分布の変化により生じる二次磁場の変化は独立して計算されることができる。
【0036】
図3は、本発明によるシステム300の実施例の概略図である。
【0037】
このシステム300は、一次磁場を発生させるように構成される送信コイル312、314を有する。一次磁場は、対象物体301内に渦電流を誘導する。この対象物体301は、人間の頭部でもよいし、導電性材料の塊でもよい。例えば、送信コイル312、314は、一次磁場を発生させるために、交流電流が供給される。
【0038】
システム300はさらに、一次磁場に応じて、前記対象物体により生じる二次磁場により誘導される電気信号を測定するように構成される少なくとも1つの測定コイル配列315、317を有する。特に、この二次磁場は、一次磁場により誘導される、対象物体内の渦電流により生じる。各々の測定コイル配列は、図2に示されるような平面に位置決められる複数の測定コイルを有する。送信コイル312、314及び測定コイル配列315、317は、ラック303上に配されてもよい。
【0039】
システム300はさらに、例えばコイルにかかる誘導電圧のような測定した電気信号に基づいて画像を再構成するように構成されるプロセッサ320を有する。このプロセッサ320の詳細な実施は、図2及び図3を参照して以下に説明される。
【0040】
図3に示されるように、前記プロセッサは、対象物体の導電率分布の変化の前後に、測定コイルの第1及び第2の電気信号を測定するために、これら複数の測定コイルの各々を制御するように構成される制御ユニット322を有する。
【0041】
これは、各コイルが例えば測定コイルに誘導される電圧のような第1の電圧及び第2の電気信号を測定することを意味している。第1及び第2の電圧間の差分電圧は、対象物体の導電率分布の変化から生じる。
【0042】
前記測定コイルが図2に示されるように4つの測定コイルを持つ場合、4つのグループの測定値、V及びV、i=1、2、3、4、が存在し、V及びVは、導電率分布の変化の前後に測定した電圧を示す。普通V及びVは、一次及び二次磁場により誘導される電圧の夫々の合計である。
【0043】
測定の制御は、測定データを制御するためのハードウェアの構成に依存して、逐次的に、すなわち各コイルが1つずつ測定する、若しくは並行して、すなわち全てのコイルが同時に測定する、のでもよいことに注意すべきである。
【0044】
誘導電圧が導電率分布の変化により敏感である測定コイルを選択/特定する様々な方法が存在している。各測定に対する導電率分布の変化に対する測定した電圧の感度は、
【数6】

と規定されることができる。ここでΔV=V−Vは、導電率分布の変化に対応する電圧の変化を示す。
【0045】
二次磁場の変化により生じる電圧ΔVは、測定した電圧V又はVに比べ非常に小さいので、感度Sは10と小さくできる。各コイルにより囲まれる形状及び範囲が実質的に同じである場合、異なるコイルのVの間にある差分は非常に限られ、そのような状況において、ΔVは、感度を示すのに使用されることができる。
【0046】
ある実施例において、プロセッサはさらに、複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するように構成される第1の選択ユニット324を有し、この選択した測定コイルは、第1及び第2の電圧間の差分電圧と前記コイルにかかる第1の電圧との比の最大の絶対値を持つ。これは、このSの最大の絶対値を持つ測定コイルが選択されることを意味する。
【0047】
他の実施例において、プロセッサはさらに、複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するように構成される第2の選択ユニット325を有し、この選択した測定コイルは、前記コイルにかかる第1及び第2の電圧間の差分電圧の最大の絶対値を持つ。これは、ΔVの最大の絶対値を持つ測定コイルが選択されることを意味する。
【0048】
さらに他の実施例において、プロセッサは、選択した測定コイルに対応する差分電圧ΔVに基づいて、対象物体の導電率分布の変化を計算するように構成される第1の計算機326も有する。
【0049】
対象物体の導電率分布の変化の計算は、既知の画像再構成理論に従ってよく、例えば導電率の計算及び画像の再構成の方法は、先行技術文献"Image reconstruction approaches for Philips magnetic induction tomograph", M. Vauhkonen, M. Hamsch and C.H. Igney, ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 468-471, 2007に開示されている。
【0050】
パラメタの組は、以下の等式、例えば述べた先行技術における数式(8)
【数7】

に従って計算されることができ、ここでWは重み行列、αは正則化パラメタ、Lは正則化行列、Jは複素ヤコビ行列(complex Jacobian matrix)の虚部、及びΔVは、VとVと間の差分電圧であり、導電率分布の変化に対応している。
【0051】
他の実施例において、プロセッサはさらに、複数の第1及び第2の電圧から得られる複数の重み付けられた差分電圧に基づいて、対象物体の導電率分布の変化を計算するように構成される第2の計算機328を有する。この導電率分布の変化の計算において、
【数8】

は、数式(5)においてΔVに取って代わって使用される。ここでMは測定コイル配列における測定コイルの数であり、例えば図2に示される測定コイル配列に使用する場合、M=4である。このようにして、複数の測定コイルにより得られる全ての測定は、導電率分布の変化の計算に貢献している。前記重みパラメタwは、この方法で計算されることができる。
【数9】

【0052】
再構成のための新しいヤコビ行列を得るために、ヤコビ行列はwでも重み付けられる。
【0053】
図4は、本発明による方法の概略的なフローチャートである。
【0054】
本発明によれば、前記方法は、少なくとも1つ以上の送信コイル312、314を用いて一次磁場を発生させるステップ410を有し、この一次磁場は、対象物体301に渦電流を誘導する。
【0055】
前記方法はさらに、平面200に位置決められる複数の測定コイル201、202、203、204を有する少なくとも1つの測定コイル配列315、317を使用することにより、画像を再構成するための、前記渦電流により生じる二次磁場により誘導される信号を測定するステップ420を有する。
【0056】
前記方法はさらに、画像を再構成するための、対象物体の導電率分布の変化の前後に第1及び第2の電圧V、Vを測定するために、複数の測定コイルの各々を制御するステップ430を有することが有利である。
【0057】
ある実施例において、前記方法はさらに、複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するステップ440を有し、この選択した測定コイルは、第1及び第2の電圧間の差分電圧と前記第1の電圧との比の最大の絶対値を持つ。
【0058】
他の実施例において、前記方法はさらに、複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するステップ440'を有し、この選択した測定コイルは、第1及び第2の電圧間の差分電圧の最大の絶対値を持つ。ステップ440'は、ステップ440に取って代わって実施されることができる。
【0059】
前記方法はさらに、数式(5)を使用して、前記選択した測定コイルに対応する差分電圧に基づいて、前記対象物体の導電率分布の変化を計算するステップ450を有する。
【0060】
他の実施例において、前記方法はさらに、複数の第1及び第2の電圧から得られる複数の重み付き差分電圧に基づいて、前記対象物体の導電率分布の変化を計算するステップ450'を有する。このような状況において、
【数10】

は、導電率分布の変化を計算するために数式(5)においてΔVに取って代わって使用される、すなわちステップ450'はステップ450に取って代わって実施され、前記方法は、ステップ430からステップ450'に直接進む。
【0061】
測定コイルの選択及び/又は導電率分布の変化の計算は、コンピュータプログラムによって及び/又はハードウェア及びソフトウェアと組み合わせて有利に実施され得ることに注意すべきである。
【0062】
上述した実施例が本発明を制限するのではなく説明していること、及び当業者は添付の特許請求の範囲から外れることなく代替の実施例を立案することができることにも注意すべきである。請求項において、括弧の間にある如何なる参照記号もこの請求項を制限するとは解釈しない。動詞「有する」及びそれの語形変化の使用は、請求項及び明細書に述べられる要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。複数あることを述べないことは、それら要素が複数あることを排除するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素及びプログラムされたコンピュータを有するハードウェアを用いて実施されることができる。幾つかの手段を列挙しているシステムに関する請求項において、これら手段の幾つかがハードウェア又はソフトウェアの同じアイテムにより具現化されることができる。第1、第2及び第3、等の用語の使用は、何れかの順序を示しているのではない。これら用語は名前として解釈されるべきである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
対象物体の画像を再構成するためのシステムにおいて、前記システムは、
−前記対象物体に加えられる一次磁場を発生させるように構成される少なくとも1つの送信コイル、及び
−前記一次磁場に応じて前記対象物体により生じる二次磁場により誘導される電気信号を測定するように構成される少なくとも1つの測定コイル配列
を有し、前記少なくとも1つの測定コイル配列は、実質的に同じ平面に位置決められる複数の測定コイルを有する、システム。
【請求項2】
前記二次磁場により誘導される前記測定した電気信号に基づいて、前記対象物体の画像を再構成するためのプロセッサをさらに有し、前記プロセッサは、前記複数の測定コイルの各々制御し、前記測定コイルの第1及び第2の電気信号を測定するように構成される制御ユニットを有する請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
前記第1及び第2の電気信号は電圧を誘導し、前記プロセッサはさらに、前記複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するように構成される第1の選択ユニットを有し、前記選択した測定コイルは、前記第1及び第2の電圧間の差分電圧と、前記コイルにかかる前記第1の電圧との比の最大の絶対値を持つ、請求項2に記載のシステム。
【請求項4】
前記第1及び第2の電気信号は電圧を誘導し、前記プロセッサはさらに、前記複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するように構成される第2の選択ユニットを有し、前記選択した測定コイルは、前記コイルにかかる前記第1の及び第2の電圧間の差分電圧の最大の絶対値を持つ、請求項2に記載のシステム。
【請求項5】
前記プロセッサはさらに、前記選択した測定コイルに対応する前記差分電圧に基づいて、前記対象物体の導電率分布の変化を計算するように構成される第1の計算機を有する請求項3又は4に記載のシステム。
【請求項6】
前記プロセッサはさらに、前記複数の第1及び第2の電圧から得られる複数の重み付き差分電圧に基づいて、前記対象物体の導電率分布の変化を計算するように構成される第2の計算機を有する請求項2に記載のシステム。
【請求項7】
前記複数の測定コイルの各々は扇形形状であり、前記複数の測定コイルは円形平面を形成する請求項1に記載のシステム。
【請求項8】
前記複数の測定コイルの各々は矩形形状であり、前記複数の測定コイルは矩形平面を形成する請求項1に記載のシステム。
【請求項9】
前記複数の測定コイルの各々は実質的に同じ範囲を囲んでいる請求項7又は8に記載のシステム。
【請求項10】
請求項1乃至9の何れか一項に記載のシステムを有する磁気誘導断層撮影スキャナ。
【請求項11】
対象物体の画像を再構成する方法において、
(a)少なくとも1つの送信コイルにより前記対象物体に加えられる一次磁場を発生させるステップ、及び
(b)実質的に同じ平面に位置決められる複数の測定コイルを有する少なくとも1つの測定コイル配列によって、二次磁場により誘導される電気信号を測定するステップであり、前記二次磁場は、前記一次磁場に応じて前記対象物体により生じている、ステップ
を有する方法。
【請求項12】
ステップ(b)は、前記対象物体の導電率分布の変化の前後に第1及び第2の電気信号を測定するために、前記複数の測定コイルの各々を制御するステップを有する、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
請求項12に記載の方法において、前記第1及び第2の電気信号は電圧を誘導し、前記方法はさらに前記複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するステップを有し、前記選択した測定コイルは、前記第1及び第2の電圧間の差分電圧と、前記第1の電圧との比の最大の絶対値を持つ、方法。
【請求項14】
請求項12に記載の方法において、前記第1及び第2の電気信号は電圧を誘導し、前記方法はさらに、前記複数の測定コイルから1つの測定コイルを選択するステップを有し、前記選択した測定コイルは、前記第1及び第2の電圧間の差分電圧の最大の絶対値を持つ、方法。
【請求項15】
前記選択した測定コイルに対応する前記差分電圧に基づいて、前記対象物体の導電率分布の変化を計算するステップをさらに有する請求項13又は14に記載の方法。
【請求項16】
前記複数の第1及び第2の電圧から得られる複数の重み付き差分電圧に基づいて、前記対象物体の導電性分布の変化を計算するステップをさらに有する、請求項12に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2012−501779(P2012−501779A)
【公表日】平成24年1月26日(2012.1.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−526600(P2011−526600)
【出願日】平成21年9月2日(2009.9.2)
【国際出願番号】PCT/IB2009/053817
【国際公開番号】WO2010/029465
【国際公開日】平成22年3月18日(2010.3.18)
【出願人】(590000248)コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Fターム(参考)】