Forward and Inverse Modelling of Magnetic Induction Tomography (MIT) for Biomedical Application

Cette thèse développe un outil de simulation destiné au design d'instruments de tomographie par induction magnétique (MIT pour Magnetic Induction Tomography). Ce simulateur permet d'investiguer la possibilité d'utiliser la méthode d'imagerie par tomographie par induction magnétique afin de faire la conception d'un dispositif sans-contact capable de détecter une hémorragie à l'intérieur du crâne humain. La méthode spécifique de calcul numérique utilisée pour la simulation du dispositif de même que le calcul de la sensibilité avec la méthode directe (introduite dans cette thèse) et la résolution du problème inverse, qui construit une carte de la conductivité à partir des résultats de simulation, sont optimisés afin de simuler un dispositif opérant à 50 kHz. Ce dispositif est capable de détecter le changement de la conductivité dans une gamme se rapprochant de celle des tissus biologiques. Le fonctionnement de base de la tomographie par induction magnétique repose sur les mesures des propriétés électromagnétiques dites passives telles que la conductivité. L'utilisation d'une telle méthode pour détecter les hémorragies cérébrales se justifie par le fait que la conductivité du sang est plus élevée que la conductivité des autres tissus constituant le cerveau. Une autre application potentielle de cette méthode est le suivi en temps réel, de manière non invasive,de l'altération des tissus qui peut s'observer à partir d'un changement de conductivité, par exemple les problèmes respiratoires, la guérison de plaies ainsi que les processus ischémiques. Les bobines d'induction dans le dispositif de tomographie par induction magnétique produisent un champ magnétique primaire dans la région d'intérêt (ROI pour Region of Interest)et ce champ alternatif induit des courants alternatifs (courants de Foucault) dans les régions conductrices. Ces courants induits produisent à leur tour un champ magnétique secondaire dans la région d'intérêt. Ce champ magnétique secondaire produit un champ aux bobines de réception qui est utilisé pour reconstruire la distribution de la conductivité dans la région d'intérêt. Un défi important concernant l'état de l'art de ces dispositifs est la détection du signal secondaire en présence du signal primaire, qui est plusieurs ordres de grandeur plus fort. Le dispositif présente utilise une géométrie pour l'induction et la détection spécialement conçue pour opérer dans les basses fréquences avec un ratio signal sur bruit acceptable de même qu'une configuration du détecteur qui est moins sensible au champ primaire. La méthode directe du calcul de la matrice de sensibilité introduite dans cette thèse nous fournit une méthode numérique robuste pour la reconstruction d'images, ce qui résulte en une qualité d'image supérieure par rapport aux autres méthodes proposées dans la littérature.

Abstract

This thesis develops a simulation package for the design of Magnetic Induction Tomography (MIT) instruments and exploit the simulator to investigate the possibility of using the magnetic induction tomography imaging method to design a non-contact device capable of detecting a blood hemorrhage inside the skull. The specific numerical method (full Maxwell's equation) used for simulation of the device, followed by calculation of the sensitivity with the direct method (introduced in this dissertation) and a regularized inverse solver which reconstruct the conductivity map from the simulation outputs (magnetic field), are optimized to simulate a device operating at 50 kHz. This device is capable of detecting the change in conductivity in ranges close to biological tissues. MIT operates based on the measurement of passive electromagnetic properties such as conductivity. The rationale behind using this method for detecting cerebral stroke is based on the fact that the conductivity of the blood is larger than that of the other tissues in the head. Other potential medical applications for this device are real-time, non-invasive monitoring of tissue alterations which are refected in the change of the conductivity, e.g. ventilation disorders, wound healing and ischemic processes. The inductive coils in the MIT device produce a primary magnetic field in the region of interest (ROI) and this alternating magnetic field induces alternating (eddy) currents in the conductive regions. These eddy currents, in turn, generate a secondary magnetic field in the ROI. This secondary magnetic field generates a field at the receivers, which is used to reconstruct the conductivity distribution of the ROI. An important challenge in the state of art devices is the detection of the secondary signal in the presence of the primary signal, which is orders of magnitude stronger. The device uses a geometry in induction and detection designed to operate in low frequencies with acceptable SNR and detector configuration that is least sensitive to the primary field. The direct method of calculating the sensitivity matrix introduced in this thesis provides us with a robust numerical method for image reconstruction which results in superior image quality compared to other proposed methods in the state of the art. The proposed configurations involves a cylindrical shape device with 6 concentric excitation coils which are located at different heights on the outer surface of the cylinder. These coils produce a primary magnetic �eld with majority of the field lines parallel to the main axis of the cylinder, where we position the object of interest. This primary field induces eddy currents (conduction and displacement current) in the conductive regions of the ROI, which generate a secondary magnetic field.