張 濤，章偉睿，劉學(xué)超，徐燦華*，劉銳崗*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032；2.生物電磁檢測與智能感知陜西省重點實驗室，西安 710032；3.西寧聯(lián)勤保障中心藥品儀器監(jiān)督檢驗站，蘭州 730050）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)在臨床診斷中具有重要作用，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的進(jìn)步使得疾病的診斷水平有了質(zhì)的突破。然而，常用的四大傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像方法如CT、MRI、超聲成像（ultrasonography，US）和正電子發(fā)射斷層成像（positron emission tomography，PET）也各自存在一些問題：CT和PET具有輻射，因此無法多次用于人體成像；MRI雖然無電離輻射，但是其體積龐大、價格昂貴，不利于開展床旁實時監(jiān)護(hù)成像，且無法用于檢查患有幽閉恐懼癥或體內(nèi)具有起搏器等金屬設(shè)備的患者；US雖然是一種方便的檢查手段，但是需要專業(yè)的超聲醫(yī)生進(jìn)行診斷，且無法實現(xiàn)長時間的動態(tài)監(jiān)測。與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像方法不同，電阻抗斷層成像技術(shù)是一種以重建內(nèi)部阻抗分布為目標(biāo)的電磁成像技術(shù)，具有無輻射、實時成像、功能成像等特點，可以實現(xiàn)長時間的動態(tài)監(jiān)測，目前已應(yīng)用于腦損傷早期診斷[1-5]、乳腺癌早期篩查[6-7]、肺功能監(jiān)護(hù)成像[8]和腹腔出血監(jiān)測[9]等多個領(lǐng)域。電阻抗斷層成像技術(shù)已逐漸成為一種新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，可作為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像手段的有力補(bǔ)充。

磁感應(yīng)斷層成像（magnetic induction tomography，MIT）也被稱為電磁層析成像、渦流成像等，是一種非接觸的電阻抗斷層成像技術(shù)[10]。盡管MIT與電阻抗斷層成像技術(shù)類似，都是以重建被測區(qū)域內(nèi)部電導(dǎo)率分布為目標(biāo)，但MIT的不同點在于其向被測區(qū)域施加的是磁場激勵而非電場激勵。目前MIT已廣泛用于金屬成分檢測、液態(tài)金屬雜質(zhì)檢測、二相流可視化等工業(yè)領(lǐng)域[11-13]。鑒于磁場激勵較電場激勵的獨(dú)特優(yōu)勢，MIT在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。

MIT在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究可追溯至20世紀(jì)90年代。Saunders團(tuán)隊[14]于1993年利用簡單的鹽水模型模擬了MIT，初步區(qū)分了脂肪組織與非脂肪組織。1997年，Korzhenevskii等[15]確定了MIT在醫(yī)學(xué)研究中的頻率范圍并首次利用反投影算法獲得了MIT圖像。2001年，Griffiths[16]全面總結(jié)了MIT的發(fā)展概況，尤其是全面闡述了MIT在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的廣闊前景。近20 a來，MIT已逐漸應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究中，在國際上取得了良好發(fā)展。在國內(nèi)，空軍軍醫(yī)大學(xué)課題組率先開展了MIT在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究，例如腦部物理模型實驗[17]、生物組織成像實驗[18]、家兔腹部在體監(jiān)護(hù)實驗[19]等，充分驗證了MIT在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的可行性。

近年來，MIT已逐漸發(fā)展成為一種具有廣闊應(yīng)用前景的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。本文從生物醫(yī)學(xué)MIT的基本原理出發(fā)，就近年來MIT的臨床應(yīng)用方向、面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的研究方向展開綜述。

1 生物醫(yī)學(xué)MIT的基本原理

MIT的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)理論，其基本檢測過程如圖1所示。首先，向檢測區(qū)域施加一個交變磁場B，當(dāng)感應(yīng)區(qū)內(nèi)存在具有電磁特性的物質(zhì)時，會形成感應(yīng)渦流，從而產(chǎn)生二次磁場ΔB；然后利用排列在檢測區(qū)域外部的磁場探測器采集MIT數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；最后利用圖像重建算法進(jìn)行圖像重建即可得到MIT圖像。

圖1 MIT基本原理框圖

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，通常假定生物體內(nèi)部是無源且不導(dǎo)磁的，而且生物體內(nèi)各組織的電磁特性均為線性和各向同性。在生物醫(yī)學(xué)研究中MIT的控制方程可表示為

式中，μ為磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；σ為電導(dǎo)率；A為矢量磁勢；；ω為角頻率；Js為源電流密度。由于生物組織的磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率（μ0）接近，通常假定μ=μ0。

檢測線圈中的感應(yīng)電壓的計算公式為

式中，d l為線圈的長度單元。

公式（1）、（2）描述了MIT的檢測電壓與被測生物體內(nèi)電導(dǎo)率分布的關(guān)系，通過圖像重建算法可得到生物體內(nèi)的電導(dǎo)率分布。目前常用的圖像重建算法有直接投影算法、濾波反投影算法及其改進(jìn)算法、靈敏度矩陣和牛頓類算法[20]。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像中的不斷發(fā)展，學(xué)者們提出了一系列深度學(xué)習(xí)算法以提高M(jìn)IT圖像質(zhì)量[21-24]，進(jìn)一步推動生物醫(yī)學(xué)MIT的研究。

2 面向臨床應(yīng)用的MIT研究進(jìn)展

針對臨床應(yīng)用需求以及MIT的優(yōu)勢，學(xué)者們目前的研究主要聚焦于腦部功能成像方面，同時在腹部、肺部、心臟、膀胱等部位也有一定研究。

2.1 腦部功能成像

腦卒中是我國居民的第一大死因，而早期檢測、實時監(jiān)護(hù)是降低其死亡率的關(guān)鍵手段，因此腦部MIT的研究具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。相比于其他基于電場激勵的成像技術(shù)，MIT具有非接觸特性，磁場可以穿透高電阻率的顱骨，在腦部應(yīng)用方面更具優(yōu)勢，因此，腦部功能成像一直是MIT臨床應(yīng)用的重點方向。國際上，英國的Griffiths課題組是較早開展腦部MIT研究的小組，該小組建立了一個包含多種生物組織的腦部模型，并探討了16通道MIT系統(tǒng)在10 MHz下檢測腦卒中出血的可行性[25-26]。在國內(nèi)，空軍軍醫(yī)大學(xué)課題組率先開展了MIT研究，并將目標(biāo)定位于腦部功能成像[27-28]，此后，重慶大學(xué)[29]、天津大學(xué)[30]、沈陽工業(yè)大學(xué)[31]、東北大學(xué)[32]等均陸續(xù)開展了相關(guān)研究。

腦部MIT研究主要集中在腦部MIT仿真模型的建立、成像算法與硬件系統(tǒng)的改進(jìn)等方面。在腦部MIT仿真模型的建立方面，學(xué)者們先后提出了具有大腦幾何輪廓的三層腦部有限元模型[33]、四層復(fù)雜腦部模型[34]和具有解剖結(jié)構(gòu)的三維腦部仿真模型[35]，圖2（a）為三維腦部MIT仿真模型，圖2（b）為該模型的磁場分布計算結(jié)果。此外，Liu等[36]對比了三層腦部模型和三層球模型的差異。在成像算法方面，Liu等[17]針對腦損傷監(jiān)護(hù)應(yīng)用提出了基于單步牛頓法的特征值門限算法，且在多層腦部物理模型上對算法進(jìn)行了驗證；Zhang等[35]引入l1正則化提出了自適應(yīng)閾值Split Bregman算法，該算法降低了傳統(tǒng)成像算法的重建誤差，其部分仿真實驗中設(shè)置及其結(jié)果如圖2（c）、（d）所示?？紤]到連續(xù)測量數(shù)據(jù)之間存在的時間相關(guān)性，研究者提出了用于MIT的線性卡爾曼濾波算法[37]。針對腦卒中的快速檢測，Xiao等[38]提出了多頻差分算法，該算法有效改進(jìn)了傳統(tǒng)雙頻差分成像算法的成像質(zhì)量；Xiang等[39]提出了基于頻率約束的稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)算法，并驗證了多頻MIT是一種檢測腦卒中的有效手段。在硬件系統(tǒng)方面，Xiao等[40]針對軸外側(cè)腦出血的檢測問題提出了一種弧形排列的線圈形式，并通過仿真實驗證實了弧形線圈排列在軸外側(cè)腦出血檢測中的可行性；Lv等[41]受經(jīng)顱磁刺激啟發(fā)提出了一種用于檢測深部腦出血的Deep MIT技術(shù)；Tan等[42]設(shè)計了一種模塊化的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)的解調(diào)信噪比超過60 dB，提高了MIT的檢測性能。

圖2 腦部MIT模型及成像結(jié)果[35]

總體而言，目前腦部MIT的研究較為廣泛，在仿真模型、成像算法、硬件系統(tǒng)等方面均開展了大量的研究，取得了很好的研究進(jìn)展。然而，目前基于活體成像的腦部MIT研究還較少，盡管有研究者開展了基于磁感應(yīng)相移技術(shù)的嚙齒動物腦部電導(dǎo)率變化特性的研究，但該技術(shù)未獲取成像結(jié)果，與MIT有本質(zhì)的區(qū)別[43-50]。事實上，限制開展腦部MIT動物實驗研究的原因主要有兩點：一是嚙齒動物的腦部體積僅有人腦的百分之一，實際能夠獲得的磁感應(yīng)信號非常微弱；二是MIT線圈的靈敏度與其面積成正比，適用于小動物腦部實驗的微型MIT線圈面積較小，這會大大降低線圈檢測的靈敏度，難以獲得微弱的磁感應(yīng)信號。對于腦部MIT監(jiān)護(hù)成像而言，MIT圖像重建過程本身具有高度不適定性及病態(tài)性，MIT的重構(gòu)結(jié)果極易受測量噪聲的影響，因此現(xiàn)有算法的成像結(jié)果大都存在空間分辨力低和圖像偽影嚴(yán)重等問題，不利于開展活體腦部MIT動態(tài)監(jiān)護(hù)成像研究。此外，由于腦部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，現(xiàn)有MIT腦部模型無法為MIT靜態(tài)算法研究提供更精確的腦部先驗信息，這使得腦部靜態(tài)MIT成像十分困難。多頻MIT是利用生物組織的阻抗頻譜特性差異進(jìn)行成像，無需基線參考數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)病灶的快速檢測[51]，可能是未來腦部MIT研究的熱點方向。利用更準(zhǔn)確的顱腦先驗信息以優(yōu)化MIT成像算法；開展猴等大動物腦部MIT活體成像實驗、人體臨床試驗研究，在未來將會進(jìn)一步推動腦部MIT研究。

2.2 腹部出血監(jiān)護(hù)成像

腹部出血也是一種臨床常見的疾病，臨床中通常采用超聲檢查，但超聲無法實現(xiàn)床旁實時監(jiān)測。由于血液與周圍正常組織的電導(dǎo)率差異較大，因此可以利用MIT進(jìn)行腹部出血的實時監(jiān)測。目前，在腹部出血MIT監(jiān)護(hù)成像方面，僅有空軍軍醫(yī)大學(xué)課題組報道了相關(guān)研究。該課題組構(gòu)建了家兔腹部局灶性內(nèi)出血模型和彌散性內(nèi)出血模型，并基于研發(fā)的FMMU-MIT硬件系統(tǒng)獲得了約每4 s一幀圖像的MIT成像結(jié)果[19，52-53]，如圖3所示。在監(jiān)測局灶性內(nèi)出血的研究中，為驗證MIT連續(xù)監(jiān)測的穩(wěn)定性，陳啟慧[53]在家兔腹部同一部位連續(xù)注射8次異體兔血，每次注射3 mL，其成像結(jié)果如圖3（c）所示。在監(jiān)測彌散性內(nèi)出血的研究中，陳啟慧[53]在家兔同一部位每次注射10 mL異體兔血，也連續(xù)注射8次，該實驗的成像結(jié)果如圖3（d）所示。上述MIT腹部出血實時監(jiān)測實驗是MIT在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域首次報道的活體動物實時成像的實驗研究，其實驗結(jié)果有效驗證了MIT進(jìn)行活體成像監(jiān)測的可行性，為下一步的臨床研究奠定了基礎(chǔ)。

圖3 腹部MIT動物實驗及成像結(jié)果[53]

在MIT用于腹部出血監(jiān)護(hù)的過程中，當(dāng)腹部具有活動性出血時，局部電導(dǎo)率變化較為明顯，利用差分成像算法可以較大地減少數(shù)據(jù)測量誤差。由于腹部相對腦部而言體積較大，MIT腹部出血檢測動物模型可以使用家兔等小型動物構(gòu)建，因此在腹部MIT出血監(jiān)護(hù)成像方向率先突破動物實驗研究。但對于臨床應(yīng)用而言，如何定量評價出血量與MTI重建結(jié)果之間的關(guān)系仍是需要解決的重要問題。此外，目前用于動物實驗的MIT硬件系統(tǒng)尺寸較小，為進(jìn)一步開展臨床應(yīng)用研究還需搭建適配人體尺寸的MIT硬件系統(tǒng)。未來，應(yīng)加強(qiáng)工程人員與臨床醫(yī)生的合作，深入了解臨床應(yīng)用中腹部出血監(jiān)測的具體需求，推動“醫(yī)工交叉融合”，找到更適合的解決方案。

2.3 肺部和心臟成像

MIT受到高電阻率物質(zhì)的影響較小，且MIT的非接觸特性不會存在接觸阻抗的問題，從而使其受胸廓呼吸的影響較小，因此肺部MIT研究也具有較好的臨床應(yīng)用前景。2009年，Scharfetter課題組率先利用真實的胸部模型研究了肺部MIT的可行性，并研究了靜態(tài)成像、頻差成像、時差成像等多種MIT可能的成像模式[54]。2010年，該課題組提出利用5×5平面線圈矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對胸部電導(dǎo)率變化進(jìn)行成像，該方法便于將數(shù)據(jù)采集線圈安裝在病床上，以解決現(xiàn)階段接觸式監(jiān)護(hù)方法面臨的問題[55]，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 肺部MIT模型及成像結(jié)果[55]

近年來，肺癌的早期檢測也成為廣泛關(guān)注的問題。2017年，Wang等[56]提出一種單頻全息MIT方式，并在具有真實胸腔結(jié)構(gòu)的仿真模型中進(jìn)行了驗證，結(jié)果如圖5所示，從圖中可以識別出肺組織結(jié)構(gòu)、胸徑和肺部腫瘤的形態(tài)、大小、位置等信息。

圖5 肺部全息MIT仿真模型與成像結(jié)果[56]

在老年人中，房顫是一種高發(fā)病率和高死亡率的疾病，目前對于房顫的產(chǎn)生機(jī)制還存在爭議，心電圖和心磁圖等手段無法提供有關(guān)房顫原因的相關(guān)信息，因缺乏精確的診斷工具，房顫的臨床治療效果并不佳。2016年，Marmugi等[57]和Deans等[58]提出利用MIT作為診斷房顫的新方法?；贛IT可以生成一個心臟電導(dǎo)率空間分布地圖，能實現(xiàn)心臟電導(dǎo)率分布的實時監(jiān)測，從而得到纖顫與電導(dǎo)率變化之間的關(guān)系；而傳統(tǒng)的MIT線圈傳感器在低頻時的靈敏度有限，并且由于線圈尺寸較大，限制了成像的空間分辨力，因此，Marmugi等[57]提出采用光學(xué)原子磁力計（optical atomic magnetometer，OAM）檢測渦流產(chǎn)生的二次磁場，并討論了實現(xiàn)重建不同層面的電導(dǎo)率分布圖的可行性，檢測設(shè)置如圖6所示。此后，Marmugi等[59]進(jìn)一步討論了基于OAM的MIT技術(shù)的優(yōu)勢及其發(fā)展前景。2020年，該課題組結(jié)合Near-Resonant Imaging技術(shù)，在室溫?zé)o屏蔽的環(huán)境中率先獲得了體積為5 mL、電導(dǎo)率為0.9 S/m的標(biāo)準(zhǔn)溶液的成像結(jié)果[60]，實驗表明他們所提出的方法可在數(shù)天內(nèi)保證成像質(zhì)量的一致性。此外，該課題組還進(jìn)一步討論了基于OAM的MIT技術(shù)在房顫檢測中所需的靈敏度和穩(wěn)定性。

圖6 基于OAM的心臟MIT檢測設(shè)置圖[57]

在上述研究中，研究人員針對傳統(tǒng)MIT的不足，提出了結(jié)合全息技術(shù)的MIT以及基于OAM的MIT技術(shù)，為未來MIT技術(shù)的研究提供了新思路。近年來發(fā)展起來的磁聲成像技術(shù)正是一種利用電磁場與超聲場的耦合成像技術(shù)，能以超聲的高分辨力顯示電特性分布[61-62]，彌補(bǔ)MIT空間分辨力低的不足。目前，磁聲成像技術(shù)已在圖像重建、磁聲信號特點分析及其處理方法等方面取得了較大進(jìn)展[63-67]，但仍有很多理論與實驗方面的問題有待解決。

2.4 其他部位成像

在尿路感染、輸尿管梗阻、神經(jīng)性膀胱炎、糖尿病等疾病中，膀胱體積是一項重要的臨床指標(biāo)，傳統(tǒng)的檢查手段主要是經(jīng)尿道管檢查或經(jīng)腹部超聲檢查，均無法實現(xiàn)實時監(jiān)護(hù)和家庭護(hù)理階段的監(jiān)測。Rosa等[68]提出了一種基于MIT原理的三維旋轉(zhuǎn)框架模型監(jiān)測膀胱內(nèi)儲尿量的方法，并在三維仿真模型中進(jìn)行了成像測試，研究表明，該方法總體估計誤差達(dá)到19%，為膀胱體積無創(chuàng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測提供了新的思路。

腎結(jié)石是一種常見的疾病，現(xiàn)有的影像學(xué)檢查手段主要有CT、MRI和超聲，而對于孕婦、幽閉恐懼癥患者等特殊群體，傳統(tǒng)手段存在一定的不足。2021年，Paulus等[69]提出使用MIT進(jìn)行腎結(jié)石檢測，通過COMSOL軟件中建立的8線圈MIT仿真模型研究了50 kHz~2 MHz范圍的檢測效果。該研究表明，在腎結(jié)石快速檢測方面，MIT是一項極具潛力的非接觸、無輻射的成像手段。

盡管目前適用于上述臨床研究的MIT硬件系統(tǒng)還未實現(xiàn)，但上述部位成像的應(yīng)用研究已通過仿真驗證了其可行性，這為拓展MIT的臨床應(yīng)用方向提供了有益的思路。

3 結(jié)語

MIT作為一種新型的電磁成像，在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管目前MIT的活體成像研究還較少，但在關(guān)鍵技術(shù)方面已具備相關(guān)的研究基礎(chǔ)。未來，可以依托臨床疾病檢測需求，開展相關(guān)領(lǐng)域的MIT活體成像研究。通過構(gòu)建更精確的人體模型，為成像算法的優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的先驗信息；建立更為精確的MIT硬件系統(tǒng)，為成像提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，MIT質(zhì)量將會進(jìn)一步提高，也為將來開展更多MIT活體成像以及臨床研究提供基礎(chǔ)。

目前，雖然在開發(fā)符合臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的MIT硬件系統(tǒng)以及成像算法方面還存在一定難度，但是隨著越來越多的研究者對MIT研究的不斷深入以及工程人員與醫(yī)生的深度協(xié)作，未來MIT必將在生物醫(yī)學(xué)成像方面得到廣泛應(yīng)用。