AT504060B1 - Vorrichtung zur magnetischen induktionstomografie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Induktionstomografie, mit zumindest einer Sendespule (SP1, SP2, SP3) zur Einspeisung eines Wechselmagnetfeldes an mehreren Anregungsorten in einen zu untersuchenden Körper mit inhomogener Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit sowie mit zumindest einer Empfangsspule (ES1, ES2, ES3) zur Aufnahme von Empfangssignalen an mehreren Empfangsorten, mit einem Mittel zur Verarbeitung der Empfangssignale, welches aus den Empfangsignalen mit Hilfe ihrer unterschiedlichen Phasen und Amplituden ein Bild der räumlichen der elektrischen Eigenschaften innerhalb des Objekts rekonstruiert, wobei das Mittel zur Verarbeitung der Empfangssignale dazu eingerichtet ist, durch eine Messung bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen (f1, f2) und einer eingebrachten Störung (Vre) der Spulen und/oder Feldgeometrie durchgeführt wird, um einen Korrekturfaktor (y) zu bestimmen, mit dessen Hilfe die während der Objektmessung durch Geometrieänderungen eingebrachten Störsignale im wesentlichen eliminiert werden.

Description

österreichisches Patentamt AT504 060B1 2010-03-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur magnetischen Induktionstomografie, mit zumindest einer Sendespule zur Einspeisung eines Wechselmagnetfeldes an mehreren Anregungsorten in einen zu untersuchenden Körper mit inhomogener Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit sowie mit zumindest einer Empfangsspule zur Aufnahme von Empfangssignalen an mehreren Empfangsorten, mit einem Mittel zur Verarbeitung der Empfangssignale, welches aus den Empfangsignalen mit Hilfe ihrer unterschiedlichen Phasen und Amplituden ein Bild der räumlichen elektrischen Eigenschaften innerhalb des Objekts rekonstruiert.

[0002] In der medizinischen Diagnostik besteht nach wie vor ein Bedarf an Untersuchungsverfahren, die rasch, billig und ohne Belastung des Patienten durch ionisierende Strahlung arbeiten, insbesondere an Mammografieverfahren zur Früherkennung von Brustkrebs.

[0003] Unter der Bezeichnung „elektrische Impedanztomografie" sind Verfahren bekannt geworden, die in Hinblick auf den Verzicht auf Röntgenstrahlung sehr attraktiv erscheinen. Ausgangspunkt dieser Verfahren ist der nachgewiesene signifikante Kontrast der elektrischen Leitfähigkeit zwischen Tumorgewebe und gesundem Gewebe und es ist ein kommerzielles, quasibildgebendes System bekannt geworden (http:imaginis.com/t-scan/how-work.asp), welches auf einer Mehrkanal-Impedanzmessung beruht.

[0004] Die gegenwärtigen Probleme dieser Verfahren liegen einerseits in der relativ geringen räumlichen Auflösung und darin, dass eine Kontaktierung an der Körperoberfläche mit Elektroden erforderlich ist.

[0005] Das Problem der geringen Auflösung lässt sich relativieren, wenn das Auswertungsverfahren einen so guten Kontrast liefert, dass zumindest die Detektion einer Läsion ermöglicht wird. In dieser Hinsicht ist die Anwendung spektraler Verfahren, d.h. einer Mehrfrequenz-Auswertung, sehr viel versprechend. Problematisch bleibt nach wie vor die Verwendung von Elektroden, die wegen des Elektroden-Haut Überganges mit seinen elektrochemischen Potentialen schlecht definiert ist und erhebliche Artefakte in das Messergebnis einbringt, die kaum oder nur unter hohem Zeitaufwand (wiederholte Messungen) beseitigbar sind, sodass ein angestrebter Vorteil wieder entfällt.

[0006] Aus diesen Gründen gibt es Versuche, zu elektrodenlosen Messverfahren überzugehen, deren Ausgangsbasis aber gleichfalls eine Bewertung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung ist. Solche Verfahren sind Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung und werden als „Magnetische Induktionstomografie" bezeichnet. [Literatur hiezu: Griffiths H. Magnetic induction tomo-graphy. Meas. Sei. Technol. 26:1126-1131, 2001. Korzhenevskii A.V., and V.A. Cherepenin. Magnetic induction tomography. J. Commun. Tech. Electron 42; 469-474,1997] [0007] Eine grundlegende Darstellung zur multifrequenten Modifikation der magnetischen In-duktionstomographie, i. e. der magnetischen Induktionsspektroskopie, findet sich in Hermann Scharfetter, Roberto Casanas und Javier Rosell, „Biological Tissue Characterization by Magnetic Induction Spectroscopy (MIS): Requirements and Limitations", IEEE Trans. Bio-med. Eng. 50, 870-880, 2003.

[0008] Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens zur elektrodenlosen Impedanzspektroskopie, bei welchem die bisher nicht vermeidbare starke Instabilität der Messsignale merklich verringert wird, sodass einfache und rasche Messungen ermöglicht werden, die sich insbesondere für die Früherkennung bzw. das Screening von Brusttumoren eignen. [Literatur dazu: Scharfetter H. Systematic errors in frequency-differential imaging with magnetic induction tomography (MIT). Proceedings of the 6th Conference on Biomedical Applications of Electrical Impedance Tomography, London, June 22 - 24, 2005] [0009] Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, mit zumindest einer Sendespule zur Einspeisung eines Wechselmagnetfeldes an mehreren Anregungsorten in einen zu untersuchenden Körper mit inhomogener Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit sowie mit zumindest einer Empfangsspule zur Aufnahme von Empfangssignalen 1/15 österreichisches Patentamt AT504 060B1 2010-03-15 an mehreren Empfangsorten, mit einem Mittel zur Verarbeitung der Empfangssignale, welches aus den Empfangsignalen mit Hilfe ihrer unterschiedlichen Phasen und Amplituden ein Bild der räumlichen der elektrischen Eigenschaften innerhalb des Objekts rekonstruiert, gelöst, bei welcher erfindungsgemäß das Mittel zur Verarbeitung der Empfangssignale dazu eingerichtet ist, dass eine Messung bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen und einer einge-brachten Störung der Spulen und/oder Feldgeometrie durchgeführt wird, um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, mit dessen Hilfe die während der Objektmessung durch Geometrieänderungen eingebrachten Störsignale im wesentlichen eliminiert werden.

[0010] Hier ist es günstig, wenn die Vorrichtung mehrere Sendespulen sowie mehrere Empfangsspulen aufweist, wobei Sende- und Empfangsspulen stationär bezüglich des Objekts angeordnet sind.

[0011] Weiters ist es zum bewussten Einbringen von Störungen zweckmäßig, wenn die Anre-gungs- und/oder Empfangsspulen zumindest in einem Freiheitsgrad beweglich angeordnet sind, sodass eine Bewegung auf zumindest eine der Spule eingebracht werden kann. Dabei ist es oft ratsam, wenn ein Antriebsmittel zum Einbringen einer Bewegung auf zumindest eine der Spulen vorgesehen ist.

[0012] Bei einer zweckmäßigen Ausführung kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Spulenanordnung ein bewegbarer, leitfähiger Störkörper vorgesehen ist.

[0013] Um den Einfluss äußerer Störfelder a priori so weit wie möglich zu eliminieren, ist es zweckdienlich, wenn die Empfangsspulen als Gradiometerspulen ausgebildet sind.

[0014] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem Verfahren zur magnetischen Induktionstomografie angewendet werden, bei welchem ein Objekt mit inhomogenen passiven elektrischen Eigenschaften mittels an unterschiedlichen Anregungsorten befindlichen Anregungsspulen magnetischen Wechselfeldern ausgesetzt wird, mit Hilfe von an unterschiedlichen Empfangsorten befindlichen Empfangsspulen Wechselspannungssignale, welche Informationen über die elektrische Leitfähigkeit sowie deren Verteilung im Objekt enthalten, aufgenommen werden und aus den Empfangsignalen mit Hilfe ihrer unterschiedlichen Phasen und Amplituden ein Bild der räumlichen Verteilung der elektrischen Eigenschaften innerhalb des Objekts rekonstruiert wird, wobei eine Messung bei mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen und einer eingebrachten Störung der Spulen- und/oder Feldgeometrie durchgeführt wird, um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, mit dessen Hilfe die während der Objektmessung durch Geometrieänderungen und Verstärkerdrift eingebrachten Störsignale im wesentlichen eliminiert werden.

[0015] An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Rahmen dieses Dokuments unter dem Begriff „Geometrieänderungen" nicht nur eine, z.B. temperaturbedingte Änderung der Spulengeometrie verstanden werden soll, sondern dieser Begriff auch andere Störungen mit einschließen soll, die z.B. durch außerhalb des eigentlichen Messbereichs vorhandene bzw. bewegte metallische Gegenstände hervorgerufen werden.

[0016] Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Störung durch eine wechselnde Bewegung der Spulen relativ zueinander eingebracht wird oder wenn die Störung durch die Bewegung einer leitfähigen Probe im Einflussbereich der Spulen eingebracht wird. Auf diese Weise kann man die Größe und Art, z.B. Frequenz, der Störung beeinflussen, sodass eine Annäherung an bei der Messung auftretende Störungen möglich ist.

[0017] Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn die Störung durch nicht vordefinierte, statistische Bewegungen der Spulen eingebracht wird, da hierdurch der apparative Aufwand für die Störungseinbringung minimiert wird.

[0018] In der Praxis ist es zweckmäßig, wenn das Objekt magnetischen Wechselfeldern mehrerer, stationär bezüglich des Objekts angeordneter Anregungsspulen ausgesetzt wird und Signale mehrer, stationär bezüglich des Objektes angeordneter Empfangsspulen empfangen und verarbeitet werden. Eine solche Konfiguration ist jedoch nicht zwingend, da prinzipiell eine Spule, sei es Empfangs- oder Sendespule, beispielsweise um das Untersuchungsobjekt herum drehbar sein kann und dann vorübergehend an vorbestimmten Stellen während der Messung 2/15 österreichisches Patentamt AT504 060 B1 2010-03-15 angehalten werden kann.

[0019] Bei einer in Hinblick auf eine Geschwindigkeitssteigerung empfehlenswerte Variante mit mehreren gleichzeitig aktivierten Erregerspulen ist vorgesehen, dass die Anregungsfrequenzen je in mehrere nahe benachbarte Subfrequenzen aufgesplittet werden, wobei sich die nahe benachbarten Subfrequenzen im Sinne einer Frequenzabhängigkeit der passiven elektrischen Eigenschaften des Zielgewebes nur geringfügig voneinander unterscheiden. Hierbei hat es sich als praxisgerecht erwiesen, wenn sich die benachbarten Subfrequenzen um weniger als 10 % voneinander unterscheiden.

[0020] Im Sinne einer definierten Zuordnung der Frequenzen und Spulen ist eine Variante günstig, bei welcher die Anzahl der Sendespulen der Anzahl der Subfrequenzen je Anregungsfrequenz entspricht und jede erste zweite dritte usf. Sendespule je mit der ersten, zweiten, dritten usf. Subfrequenz der Anregungsfrequenzen gespeist wird.

[0021] Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungen näher erläutert, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert sind. In dieser zeigen [0022] Fig. 1 schematisch die prinzipielle Anordnung von Sende- und Empfangsspule um ein Objekt, in welchem eine Inhomogenität festgestellt werden soll, [0023] Fig. 2 schaubildlich und schematisch eine Sendespule und eine als Gradiome- terspule ausgebildete Empfangsspule, [0024] Fig. 3 in einem Blockschaltbild das Prinzip einer Messanordnung, [0025] Fig. 4 bis 7 in Zeigerdiagrammen das Auftreten bzw. Einbringen wesentlicher Fehler größen, [0026] Fig. 8 und 9 das Verfahren zum Eliminieren von Fehlern an Hand von Diagrammen und [0027] Fig. 10 an Hand eines Diagramms eine Variante mit aufgesplitteten Anregungsfre quenzen. Es wird zunächst auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen.

[0028] Fig. 1 zeigt schematisch ein zu untersuchendes Objekt OBJ mit einer Inhomogenität IHO, die eine von dem Rest des Objektes unterschiedliche Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise eine Läsion innerhalb einer Körperteils, wie dem Hirn oder einer weiblichen Brust.

[0029] An verschiedenen Stelle außerhalb des zu untersuchenden Objektes, jedoch möglichst nahe an diesem, sind Sendespulen SP1, SP2 und SP3 angeordnet, im vorliegenden Fall drei Sendespulen, doch kann die Anzahl der Sendespulen, entsprechend der gewünschten Auflösung und der Art des Objekts selbstverständlich auch wesentlich höher sein. Diese Sendespulen werden, wie Fig. 3 zeigt, mit Wechselstrom gespeist, ausgehend vom einem Signalgenerator SIG, dem hier für jede Sendespule noch Verstärker AMP vorgeschaltet sind. In Fig. 1 sind weiters 3 Empfangsspulen ES1, ES2, ES3 gezeigt, die hier im Bereich der Sendespulen liegen, jedoch auch an völlig anderen Stellen angeordnet sein können. Für die Empfangsspulen ist gemäß Fig. 3 je ein Vorverstärker PRE vorgesehen und diese Vorverstärker sind über geschirmte Leitungen LEI mit weiteren Verstärkern EMP verbunden, deren Ausgängen einem Synchrondetektor SYD zugeführt sind. Der Synchrondetektor SYD erhält das erforderliche Synchronsignal von dem Sinusgenerator SIG. In der Einheit mit dem Synchrondetektor erfolgt auch eine Bildrekonstruktion BIR und deren Ausgangssignal kann dann zu einer Anzeige ANZ, wie einem Bildschirm, einem Drucker etc. gelangen. Der Synchrondetektor SYD, die Verstärker AMP und die Bildrekonstruktion BIR werden von einer Steuereinheit STE gesteuert. Eine mit REF bezeichnete Spule dient zur Gewinnung eines Referenzsignals.

[0030] Da die tatsächlich von den Empfangsspulen aufgenommenen und auszuwertenden Signale um viele Größenordnungen geringer sind, als die Anregungssignale der Sendespulen, wird zunächst dafür Sorge getragen, dass die Felder der Sendespulen nicht unmittelbar auf die Empfangsspulen wirken. Dazu sind die Empfangsspulen gemäß Fig. 2 als sog. Gradio-meterspulen ausgebildet, die man noch dazu orthogonal bezüglich der Sendespulen anordnen 3/15

österreichisches Patentamt AT504 060B1 2010-03-15 kann. Derartige Gradiometerspulen sind prinzipiell gegen andere Felder unempfindlich, solange diese Felder homogen sind, da in jeder Spulenhälfte die gleiche Spannung, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen induziert wird. Da weder die Emfpangsspulengeometrie perfekt, noch auftretende Störfelder tatsächlich homogen sind, treten jedoch erhebliche Störsignal, zum Teil auch von Lang- bis Kurzwellensendern auf. Die Verarbeitung durch einen Synchrondetektor kann hier in bekannterWeise den Störpegel erheblich herabsetzen.

[0031] Die in den Empfangsspulen ES1, ES2 und ES3 empfangenen Signale hängen unter anderem auch von der Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit innerhalb des zu untersuchenden Objektes OBJ ab, wobei es sich gezeigt hat, dass beispielsweise Gewebeveränderungen in dem Brustgewebe zu Leitfähigkeitsänderungen führen, die genügend groß sind, um nach Auswertung in einem Mikroprozessor der Bildverarbeitung DVA einen mammographische Darstellung zu ermöglichen. Es muss hier nicht auf Details eingegangen werden, denn solche findet man beispielsweise in der bereits erwähnten Literaturstelle.

[0032] Es wurde bereits erwähnt, dass der Anteil der tatsächlichen interessierenden Signale am Ausgang der Empfangsspulen äußerst gering ist, genauer gesagt bis in den Nanovoltbereich hinab reichen, sodass es auch verständlich ist, dass bereits geringe Änderungen in der Feldgeometrie zu erheblichen Fehlern führen können. Übliche Fehlerquellen sind hierbei die gegenseitige Lage der verschiedenen Spulen, die bereits aufgrund von geringfügigen Temperaturänderungen die Messung ungünstig beeinflussen kann. Auch Änderungen der Spulengeometrie durch Erschüttungen oder ganz allgemein mechanische Belastungen sind hier zu erwähnen. Gleiches gilt auch für Störungen des Feldes durch metallische Gegenstände, die sich außerhalb des eigentlichen Untersuchungsbereiches bewegen. Es genügt, wenn Personen mit metallischen Gegenständen in der Tasche an dem Patienten Vorbeigehen und natürlich sind noch andere Störungen, z. B. durch vorbeifahrende Fahrzeuge etc. möglich. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Korrektur solcher Fehler und im Folgenden wird ein bei der Erfindung angewendeter Fehlerkorrekturalgorithmus näher erläutert.

[0033] Eine frequenzdifferentielle Bildgebung der Leitfähigkeit beruht auf der skalierten Differenzformel:

(1) [0034] Dabei ist AVim der Datensatz, welcher in den Bildrekonstruktionsalgorithmus eingeht und V(fi), V(f2) sind die Spannungen bei zwei unterschiedlichen Frequenzen fi and f2. Der Grund, warum nur der Imaginärteil verwendet wird, ist an anderer Stelle beschrieben. [Brunner P, Merwa R, Missner A, Rosell J, Hollaus K, Scharfetter H. Reconstruction of the shape of conduc-tivity spectra using differential multi-frequency magnetic induction tomography, Physiol Meas 27, S 237-S 248,2006].

[0035] Gleichung (1) wurde in der Veröffentlichung 'Brunner P, Merwa R, Missner A, Rosell J, Hollaus K, Scharfetter H. Reconstruction of the shape of conductivity spectra using differential multi-frequency magnetic induction tomography. Physiol Meas 27, S237-S248, 2006' vorgeschlagen.

FEHLERGRÖßEN

[0036] Jede Phasenverschiebung φ zwischen der Referenzspannung und der gemessenen Spannung führt zu zwei Arten von Fehlern in dem Imaginärteil der Signale im(V(f)): [0037] Fehler VB ist die Differenz zwischen dem tatsächlichen Imaginärteil Vim und seiner Projektion Vim* auf die Imaginärachse (Fig. 4). Dieser Fehler ist proportional zu sin (φ). Für kleine Winkel ist dieser Fehler im Allgemeinen klein, jedoch wird der Winkel φ und damit der Fehler mit steigenden Frequenzen größer, wie dies für die Frequenz f2 in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Beispiel ist f2 = 2fi, sodass Vim zufolge der quadratischen Frequenzabhängigkeit der Empfind- 4/15 österreichisches Patentamt AT504 060B1 2010-03-15 lichkeit bezüglich der Leitfähigkeit bei der höheren Frequenz viermal größer ist, als bei der niedrigeren Frequenz [0038] Für die folgende Untersuchung sei angenommen, dass VE! auf Grund kleiner Projektionswinkel <p vernachlässigbar klein ist (< 10 % von Vim).

[0039] Fehler VEr ist die Projektion des - im Allgemeinen relativ großen - Realteils auf die Imaginärachse. Dieser Fehler kann sehr groß sein und hängt wegen der thermisch bedingten Änderungen der elektrischen und geometrischen Parameter des Spulensystems von der Temperatur ab. Vre besteht zum Teil aus einem „echten" Signal auf Grund des Imaginärteils der Leitfähigkeit des Zielobjekts, jedoch ist dieser Teil im Allgemeinen wesentlich kleiner als der Imaginärteil. Wichtiger sind Komponenten, die durch eine ungenaue Einstellung von Gradiometerspulen, durch Vibrationsshift (Vvibr) und durch Objekte mit hoher Leitfähigkeit, z. B. metallische Objekte, in der Umgebung der Spulen hervor gerufen werden (Vhicond)· [0040] Im Folgenden werden nachstehende Bedingungen vorausgesetzt: [0041] (a) Für eine skalierte frequenzdifferentielle Bildgebung der Leitfähigkeit wird Glei chung 1 verwendet.

[0042] (b) Auf Grund kleiner Phasenwinkel φ ist VE! vernachlässigbar.

[0043] (c) Als wesentlicher, vor einer Bildrekonstruktion zu eliminierender Fehler wird VER betrachtet.

KORREKTUR VON VER

[0044] Die Frequenzabhängigkeit von VER ist gegeben durch: ver(0 = ^m(OsinW)) VER(.f2) = Vn(f2)sm((p(f2)) [0045] Die Fig. 6 und 7 zeigen für den Fall f2= 2fi diese Komponenten in graphischer Darstellung.

[0046] Beide Komponenten Vvibr und V^nd des Signals Vre sind zur Anregungsfrequenz proportional und VER(f2) kann daher in folgender Weise als Funktion von VER(fi): ausgedrückt werden: = V„«)f sin(rtO) = (2) 'i fl sin(p(i))

I

[0047] Bei Anwendung von Gleichung (1) auf die differentielle Bildgebung erhält man:

/«V i. f2 sin(ff(f2))fi sin(<ΚΟ) (3) [0048] Fig. 8 zeigt die komplette Verarbeitungskette, wobei der oben dargestellte Schritt nach Gleichung (3) als „Schritt 2" bezeichnet wird.

[0049] Der Ausdruck nach Gleichung (3) wird Null, falls: fi sin(fPifj) f2 sη(φβ)) ~ (4) [0050] In einem geeignet entworfenen Messsystem gibt es einen breiten Bereich von Frequen- 5/15 österreichisches Patentamt AT504 060 B1 2010-03-15 zen, für welche diese Bedingung näherungsweise erfüllt ist, nämlich fi ainfoffa)) 1 f2 sin(^)) γ (5) [0051] mit γ nahe bei 1. Eine Multiplikation von VER(f2) in Gleichung (3) mit γ führt zu dem modifizierten Differential (6) [0052] Dieses verschwindet, wenn γ den optimalen Wert annimmt: _ f2 sin(pfl)) 00 f2 sm(<p(f2)) (7) [0053] Der Rückskalierungsschritt nach Gleichung (6) ist in Fig. 8 als „Schritt 3" und die Subtraktion als „Schritt 4" bezeichnet.

[0054] Fig. 8 zeigt das Aufheben von VER in vier aufeinander folgenden Schritten: [0055] 1. Erzeugen der Projektionen [0056] 2. Rückskalieren [0057] 3. Korrektur mit γ [0058] 4. Subtraktion [0059] Die Bedingungen nach den Gleichungen (6) und (7) bringen eine Modifizierung der Grundgleichung (1) wie folgt mit sich: V(0- W2)r (i')

EINFLUSS AUF DIE ERWÜNSCHTEN SIGNALKOMPONENTEN

[0060] Das oben angegebene Verfahren kompensiert wirksam alle beschriebenen Störungen, beeinflusst aber andererseits auch etwas das gewünschte Differenzsignal AVim. Im Idealfall soll gelten: (8) [0061] Tatsächlich kann man nicht die Originalsignale Vim messen, sondern nur ihre Projektionen Vim*. Somit ist zu berechnen: V' \f-ij vj(f2)r · (9) [0062] Somit erhält man eine gewisse Abweichung, einerseits da γ von 1 verschieden ist und andererseits wegen des Projektionswinkels. Eine genaue Fehleranalyse wurde durchgeführt, ist 6/15

österreichisches Patentamt AT504 060 B1 2010-03-15 jedoch aus Platzgründen und da für die Erfindung als solche nicht wesentlich, hier nicht angeführt. Fig. 9 zeigt die Projektionen Vim* bei den zwei Frequenzen. Unter der Annahme einer konstanten, d. h. nicht frequenzabhängigen Leitfähigkeit gibt Gleichung (8) kein Differenzsignal, jedoch gibt Gleichung (9) wegen des Projektionsfehlers ein Restfehlersignal AVEi wie folgt:

\ 2 / (10) [0063] Dieser Beitrag kann jedoch, wie bereits erwähnt, vernachlässigt werden.

[0064] Der verbleibende Einfluss von γ alleine wird an Hand der Fig. 9 veranschaulicht.

[0065] Fig. 9 betrifft den Fehler in dem Nutzsignal auf Grund der Multiplikation mit γ und zeigt vier aufeinander folgende Schritte: [0066] 1. Erzeugen der Projektionen [0067] 2. Rückskalierung [0068] 3. Korrektur mit γ [0069] 4. Subtraktion, um ein kleines restliches AVEi zu erhalten.

[0070] Mit VE| ist der üblicherweise kleine Fehler auf Grund des Projektionswinkels bezeichnet.

[0071] γ kann experimentell bestimmt werden. Dazu wird ein Signal Vre eingebracht, z.B. durch eine Vibration oder ein gut leitfähiges Metallstück im Einflussbereich der Spulenanordnung, und sodann wird γ eingestellt, bis ÄVim verschwindet. Das Signal kann bewusst eingebracht werden oder auch nicht gesteuert, z.B. auf Grund von zufälligen Erschütterungen oder Bewegungen gut leitfähiger Materie.

[0072] Anhand der Fig. 11 bis 14 werden verschiedene Möglichkeiten betreffend das Einbringen oder die "Duldung" einer eingebrachten Störung gezeigt, wobei je eine Sendespule SSj und eine Empfangsspule ESi dargestellt sind. In Fig. 11 ist gezeigt, dass eine Empfangsspule ESi um eine Achse verdrehbar ist und mittels eines Antriebes ANT in eine Drehvibration versetzt wird. Dazu kann beispielsweise ein Motor mit periodischen Bewegungen verwendet werden, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Vibrationsfrequenz bekannt ist und zur Verfügung steht, da eine rauschmindernde Signalverarbeitung später in dem Mikroprozessor oder mit Hilfe eines weiteren Synchrondetektors erfolgen kann.

[0073] Eine weitere Möglichkeit zum Einbringen der gewünschten Störung (außerhalb der eigentlichen Messung) ist in Fig. 12 gezeigt. Hier kann die Empfängergradiometerspule ESi translatorisch bewegt, z.B. in Vibrationen gebracht werden, wofür gleichfalls ein Antrieb ANT vorgesehen ist. Es gilt im Prinzip das gleiche wie für das zu Fig. 11 gesagte.

[0074] Wenngleich eine deterministische aktive Störungseinbringung zweckmäßig ist, kann jedoch auch eine stochastische Störung bewusst zugelassen werden, um den Störungseliminationsprozess durchzuführen. In Fig. 13 ist gezeigt, dass die Empfangsspule ESi mit Hilfe eines elastischen Lagers ELA gehalten ist. In der Umgebung auftretende Vibrationen, z.B. durch Schritte oder dergleichen führen dann dazu, dass die Empfangsspule ESi translatorische und/oder Rotationsbewegungen ausführen kann, wodurch die hier "gewünschte" Störung eingebracht wird.

[0075] Die in den Fig. 11 bis 13 behandelten Störungen beruhen auf einer Änderung der Spulengeometrie. Wie bereits weiter oben ausgeführt, kann die Störung auch durch eine Änderung der Feldgeometrie eingebracht werden, wobei zu diesem Zweck ein leitfähiger Störkörper STK durch einen Antrieb ANT angetrieben, im Sinne der gezeigten Teile bewegt wird, mit Vorteil wiederum periodisch mit bekannter und zur Verfügung stehender Frequenz. Wenn der Störkörper STK genügenden Einfluss aufgrund seiner Größe bzw. Eigenschaften hat, muss er auch nicht, so wie gezeigt, zwischen Sende- und Empfangsspulen angeordnet sein, er kann auch 7/15 österreichisches Patentamt AT504 060 B1 2010-03-15 außerhalb liegen. Auch durch einen Störkörper STK eingebrachte Störungen müssen nicht detenninistisch sein, sie können auch, wie oben bereits erwähnt, stochastischer Art sein, durch Bewegungen von leitfähigen Gegenständen im Bereich der Spulen.

PHASENKORREKTURNETZWERK

[0076] Eine weitere Verbesserung der Erfindung sieht ein Phasenkorrekturnetzwerk vor. Ein wichtiger Aspekt für die Anwendbarkeit in der Praxis ist jener, dass γ über den gesamten Frequenzbereich tatsächlich sehr nahe an 1 liegt. Falls diese Bedingung nicht einzuhalten ist, kann das System durch Einfügen eines Phasenkorrekturnetzwerkes optimiert werden, wodurch das System dazu gebracht werden kann, die Bedingung (5) so genau wie möglich einzuhalten. Ein solches Phasenkorrekturnetzwerk kann beispielsweise als passives RLC-Netzwerk zwischen Gradiometerspulen und Vorverstärkern bzw. nach den Vorverstärkern implementiert werden: [0077] Multisinus-Mehrfachträger Anregung für spektroskopische "Single-Shot" Multisinus Bildgebung [0078] Eine schnelle und genaue Bildgebung wird wesentlich durch die gleichzeitige Anregung vieler, wenn nicht aller Spulen begünstigt. Für den Fall einer Multifrequenz-Bildgebung sollten auch alle Frequenzen gleichzeitig angewendet werden, um eine Drift zwischen den Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen zu vermeiden. Wenn aber mehrere Spulen gleichzeitig bei derselben Frequenz angeregt werden, versagt die Bildgebung, da die überlagerten Einzelbeiträge nicht mehr voneinander getrennt werden können.

[0079] Als Lösung dieses Problems bietet sich folgendes an: Die verschiedenen anzuwenden-den Frequenzen können aufgesplittet werden, üblicherweise um einige Zehntelprozent, häufig getrennt nach Zweierpotenzen. So können die n unterschiedlichen Sendespulen dadurch markiert werden, dass die Anregungsfrequenzen in n-Tupel nahe benachbarter Frequenzen aufgesplittet werden (Mehrfachträger-Konzept). Was die Wahl des Frequenzintervalls betrifft, so muss es so gewählt werden, dass es einerseits noch die Trennung der einzelnen Anregungssignale, z.B. durch Synchrongleichrichtung (z.B. 1 kHz), ermöglicht und dass andererseits die Leitfähigkeit des Zielobjektes innerhalb der Bandbreite der resultierenden Subträger-Pakete als konstant angenommen werden kann.

[0080] Diese Verfahrensvariante ist in Fig. 10 für zwei Frequenzen im ß-Dispersionbereich typischer Gewebe dargestellt. Gezeigt ist das Prinzip der Multisinus-Mehrfachträger Anregung am Beispiel von drei Anregungsspulen und zwei Messfrequenzen fi und f2. Beide Frequenzen werden in eng benachbarte, jedoch noch trennbare Subträger fy (i... Index der Basisfrequenz, j Index der Subträger) aufgesplittet. Die einzelnen Spulen werde mit unterschiedlichen Subträgern gespeist, sodass die Spule j der Überlagerung sämtlicher Frequenzen mit dem Subträger-Index j zugeordnet ist. Ihre Beiträge werden empfangsseitig durch geeignete bekannte Verfahren getrennt, beispielsweise durch Synchrongleichrichtung oder Fourieranalyse. 8/15

Claims (6)

1. österreichisches Patentamt AT504 060B1 2010-03-15 Patentansprüche 1. Vorrichtung zur magnetischen Induktionstomografie, mit zumindest einer Sendespule (SP1, SP2, SP3) zur Einspeisung eines Wechselmagnetfeldes an mehreren Anregungsorten in einen zu untersuchenden Körper mit inhomogener Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit sowie mit zumindest einer Empfangsspule (ES1, ES2, ES3) zur Aufnahme von Empfangssignalen an mehreren Empfangsorten, - mit einem Mittel zur Verarbeitung der Empfangssignale, welches aus den Empfangsignalen mit Hilfe ihrer unterschiedlichen Phasen und Amplituden ein Bild der räumlichen elektrischen Eigenschaften innerhalb des Objekts rekonstruiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Verarbeitung der Empfangssignale dazu eingerichtet ist, dass eine Messung bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen (f^ f2) und einer eingebrachten Störung (Vre) der Spulen und/oder Feldgeometrie durchgeführt wird, um einen Korrekturfaktor (γ) zu bestimmen, mit dessen Hilfe die während der Objektmessung durch Geometrieänderungen eingebrachten Störsignale im Wesentlichen eliminiert werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Sendespulen (SP1, SP2, SP3) sowie mehrere Empfangsspulen (ES1, ES2, ES3) aufweist, wobei Sende-und Empfangsspulen stationär bezüglich des Objekts angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungs-und/oder Empfangsspulen (SSi) zumindest in einem Freiheitsgrad beweglich angeordnet sind, sodass eine Bewegung auf zumindest eine der Spule eingebracht werden kann.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmittel (ANT) zum Einbringen einer Bewegung auf zumindest eine der Spulen vorgesehen ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Spulenanordnung ein bewegbarer, leitfähiger Störkörper vorgesehen ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspulen (ES1, ES2, ES3) als Gradiometerspulen ausgebildet sind. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 9/15