Dreidimensionale Erfassung und Rekonstruktion schwach leitfähiger Körper mithilfe magnetischer Induktions-Tomografie
Die magnetische Induktions-Tomografie (MIT) ist eine berührungslose, schnelle und energiearme Methode zur Visualisierung der Leitfähigkeitsverteilung in einem Untersuchungsobjekt. Eine besonders anspruchsvolle Aufgabe ist die dreidimensionale (3D) Erfassung und Rekonstruktion voluminöser Körper im biomedizinischen Impedanzbereich. Allgemein gilt bei derartigen Rekonstruktionsversuchen das zu lösende inverse Problem der MIT als schlecht gestellt und zudem als nichtlinear, daher ist bei Messungen eine hohe Signalintegrität erforderlich. Diese wird bei experimentellen Messungen auch von mechanischen Vibrationen oder andersartigen Bewegungsartefakten beeinflusst. Zudem ist die Detektion innerer Anomalien stark von der räumlichen Empfindlichkeitsverteilung im Messobjekt abhängig; ideal wäre eine homogene Verteilung im gesamten Objekt. Bislang veröffentlichte MIT-Systeme weisen jedoch eine verschwindend geringe Empfindlichkeit im Inneren eines schwach leitfähigen Volumens auf. Aus diesem Grund wurden bei Rekonstruktionsversuchen leitfähige Inhomogenitäten in zentralen Bereichen voluminöser Körper bisher vermieden. Bei experimentellen Studien wird typischerweise auf flache Schichtmodelle, oberflächennahe Darstellungen oder hohe Leitfähigkeitskontraste zurückgegriffen. Zudem werden starre Testphantome verwendet, die kaum durch Bewegungsartefakte beeinflusst werden. Im Gegensatz dazu beschreibt die vorliegende Forschungsarbeit einen groß dimensionierten MIT-Scanner, der in der Lage ist, einen Menschen oder menschenähnliche Objekte zu messen und dennoch eine ausreichend hohe Signalqualität aufweist. Außerdem wird anhand theoriebasierter Simulationen die Ursache der geringen Empfindlichkeit im Inneren untersucht und auf Grundlage dessen ein neuartiges MIT-System entwickelt. Eine räumlich sinusförmige Senderfeld-Topologie induziert eine Wirbelstromverteilung mit einer besseren Durchdringung und höheren Ortsfrequenz im Messobjekt. Das daraus resultierende Sekundärfeld wird durch geometrisch angepasste Empfänger detektiert. Insgesamt erschließt sich dadurch eine Empfindlichkeitsverstärkung von mehr als 26 dB in den zentralen Bereichen. Aufgrund dieser Optimierungen ermöglicht der experimentelle Aufbau erstmalig eine 3D-Rekonstruktion der Leitfähigkeitsverteilung in der gesamten Tiefe biomedizinisch relevanter Körperphantome. Diese Machbarkeitsdemonstration bringt die MIT einen Schritt weiter auf dem Weg zur schnellen 3D-Bildgebung eines gering leitfähigen voluminösen Körpers, beispielsweise für eine schnelle, ungefährliche und berührungslose Thorax- oder Lungendiagnostik.
Magnetic induction tomography (MIT) is a contactless, fast and low-energy method used to visualize the conductivity distribution in an object under examination. A particularly challenging task is the three-dimensional (3D) detection and reconstruction of voluminous bodies in the biomedical impedance range. Generally, in these reconstruction attempts, the inverse problem connected with MIT that has to be solved is considered to be ill-posed and non-linear. Therefore, high signal integrity is required. This is influenced by mechanical vibrations or other types of motion artefacts in experimental measurements. In addition, the detection of internal anomalies is strongly dependent on the spatial sensitivity distribution in the measurement object. Ideally, the distribution would be homogeneous throughout the entire object. However, previously published MIT systems have had a vanishingly low sensitivity in the interior of a weakly conductive volume. For this reason, conductive inhomogeneities in central areas of voluminous bodies have so far been avoided in reconstruction experiments. Experimental studies typically rely on flat layer models, near-surface representations or high conductivity contrasts. In addition, rigid test phantoms have been used that have hardly been influenced by movement artefacts. In contrast, the present research describes a large-scale MIT scanner that is capable of measuring a human or human-like objects and still has sufficiently high signal quality. Moreover, theory-based simulations are used to investigate the origin of the low sensitivity in the interior and a novel MIT system is developed on this basis. A sinusoidal transmitter field topology induces an eddy current distribution with better penetration and higher spatial frequency in the object under examination. The resulting secondary field is detected by geometrically adapted receivers. Overall, this results in a sensitivity gain of more than 26 dB in the central areas. Due to these optimizations, the experimental setup enables for the first time a 3D reconstruction of the conductivity distribution in the entire depth of biomedically relevant body phantoms. This feasibility demonstration brings MIT a step further towards rapid 3D imaging of low conductive voluminous bodies, for example, for fast, harmless and contactless thorax or lung diagnostics.