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電磁構(gòu)音成像的原理比較容易理解，就是電磁場(chǎng)可以在金屬線或線圈中誘發(fā)電流。這項(xiàng)技術(shù)在早期的言語(yǔ)/語(yǔ)音研究中主要見于呼吸相關(guān)研究和下頜運(yùn)動(dòng)的研究(Hixon, 1971; van der Giet, 1977)。最初的構(gòu)音成像系統(tǒng)只能夠記錄2D中矢狀面的運(yùn)動(dòng)。關(guān)于舊系統(tǒng)的具體情況可以參考其他文章(Perkell et al., 1992; Sch?nle et al., 1987; Van Lieshout, 2006)。2D系統(tǒng)在測(cè)量偽影的敏感性方面存在局限，這些偽影與中矢狀面以外的線圈運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)有關(guān)，同時(shí)它還限制了頭部運(yùn)動(dòng)。正因?yàn)槿绱?，這些系統(tǒng)不能提供關(guān)于側(cè)向運(yùn)動(dòng)或是舌體旋轉(zhuǎn)的有用信息，也不能研究攜帶副語(yǔ)言信息的頭部運(yùn)動(dòng)(Hoole & Nguyen, 1999; Tiede et al., 2019)。這些問題的存在迫使研究人員最終開發(fā)出了能夠記錄3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向和2個(gè)旋轉(zhuǎn)角度的系統(tǒng)，一般稱為5D電磁構(gòu)音成像。Carsten's公司將其5D系統(tǒng)稱為AG500系列，最新的版本是AG501。下圖展示了三代AG系統(tǒng)（AG100、AG500、AG501），圖中沒有AG200，它基本上是AG100的改進(jìn)版。

從左到右依次為AG100、AG500和AG501系統(tǒng)

所有構(gòu)音成像系統(tǒng)（至少?gòu)腁G系列開始）都是一組偶極子發(fā)射器（dipole transmitters）與單軸接收線圈（mono-axial receiver coils）相結(jié)合。每個(gè)接收器線圈有5個(gè)自由度（三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向：前后、上下、左右，兩個(gè)角度：方位角和仰角）。接收線圈不能垂直于3個(gè)發(fā)射器，因?yàn)閲@接收線圈主軸的旋轉(zhuǎn)是沒法被記錄的。線圈中感應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度與線圈至發(fā)射器的距離（半徑的3次方）大致成反比。到2009年，AG500的原始傳感器(HS220s)被輸出量和信噪比更優(yōu)秀的傳感器(HQ220s)。AG501又使用了再次改進(jìn)的傳感器（HQ220-L120-B）。

AG500圖解

AG500帶有球形發(fā)射器，它被嵌在一個(gè)邊長(zhǎng)為50cm的有機(jī)玻璃立方體上。AG501有9個(gè)發(fā)射器線圈，被置于配準(zhǔn)空間(registration volume)上方的三個(gè)矩形結(jié)構(gòu)中。發(fā)射器的頻率范圍為7.5~13.75kHz，振幅范圍為8.85~16.66μT(Stellaetal., 2012)。配準(zhǔn)空間由標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)程序確定，而線圈位置則由配準(zhǔn)空間中磁場(chǎng)空間格局的數(shù)學(xué)計(jì)算推導(dǎo)得到。EMA系統(tǒng)的球形配準(zhǔn)空間的半徑為150mm。線圈位置由電壓與距離的函數(shù)計(jì)算，該函數(shù)通過對(duì)與發(fā)射器相關(guān)的頻率使用窄帶帶通濾波推導(dǎo)得到。接收機(jī)線圈中感應(yīng)信號(hào)的振幅將與計(jì)算得到的磁場(chǎng)表示的估計(jì)振幅進(jìn)行比較。差異用RMS值表示，為了便于校準(zhǔn)，建議將RMS誤差保持在14位(14 digits)以下，這大致相當(dāng)于5V范圍的16位表示的1.12mV差值(Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。RMS誤差基于閾值進(jìn)行評(píng)估，用戶可以更改該閾值。如果RMS誤差超過該閾值，系統(tǒng)將重新計(jì)算差異，直到達(dá)到RMS閾值為止。根據(jù)校準(zhǔn)程序，計(jì)算出的RMS值可用于檢驗(yàn)和驗(yàn)證。

WAVE系統(tǒng)在磁場(chǎng)發(fā)生器中有若干的發(fā)射器線圈，其尺寸為20×20×7cm，可產(chǎn)生50×50×50cm或30×30×30cm的電磁配準(zhǔn)空間。它可以在100到400Hz的頻率下配準(zhǔn)16個(gè)之多的接收器線圈（包括5D參考傳感器）。WAVE的接收器線圈大小和形狀都與EMA的線圈不同。WAVE線圈的屏蔽方式與AG線圈也不同，這使它們更容易受到外部磁場(chǎng)的干擾。

AG系統(tǒng)采用非線性根查找算法（nonlinear root-finding algorithm）來確定最佳線圈位置，該算法使用了6個(gè)方程（每個(gè)發(fā)射器一個(gè)）和5個(gè)未知變量，這些變量與兩種運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)維度有關(guān)。AG系統(tǒng)使用的近似算法稱為牛頓-拉夫森方法（Newton-Raphson method），該方法在試圖收斂于最小解的同時(shí)，通過迭代測(cè)量非線性系統(tǒng)的解景觀來估計(jì)線圈位置和方向的值(Hoole & Zierdt, 2010; Kaburagi et al., 2005)。

在過去的10年里，有很多研究測(cè)試了卡斯滕斯的AG系統(tǒng)和NDI的Wave系統(tǒng)的測(cè)量精度。例如，Savariaux及其同事的文章(Savariaux et al., 2017) 概述了2008年至2013年期間發(fā)表的論文，包括他們自己測(cè)試了幾個(gè)系統(tǒng)。Sigona等人的最新論文對(duì)AG500和AG501系統(tǒng)進(jìn)行了直接比較(Sigona et al., 2018)。在我們自己的實(shí)驗(yàn)室中，我們還使用定制的校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)AG500和AG501進(jìn)行了直接比較(Lau, 2013)。我們可以從這些非常多樣化的研究結(jié)果中，對(duì)不同的構(gòu)音成像系統(tǒng)(AG500、AG501、Wave)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行一些一般的推斷。關(guān)于測(cè)量最準(zhǔn)確的配準(zhǔn)空間，對(duì)AG系統(tǒng)的建議是應(yīng)在半徑為100mm的球形體積內(nèi)(Sigona et al., 2018; Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。這將大致相當(dāng)于一個(gè)普通的人類頭部的大小，它應(yīng)該以測(cè)量磁場(chǎng)的原點(diǎn)為中心。對(duì)于Wave系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)平均追蹤誤差在距離磁場(chǎng)發(fā)生器約200mm范圍內(nèi)最小，對(duì)300mm3的磁場(chǎng)體積配置略有改善(Berry, 2011; Savariaux et al., 2017)。

為了避免鄰近接收機(jī)線圈的信號(hào)之間的串?dāng)_，AG系統(tǒng)的制造商建議將它們之間的最小距離保持在8mm。但是在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)較短距離的線圈相互移動(dòng)時(shí)，就很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。Stella和他的同事(Stella et al., 2012)的研究測(cè)試了15mm和30mm的線圈間距，沒有發(fā)現(xiàn)對(duì)線圈信號(hào)有任何顯著影響。值得注意的是，測(cè)試過AG500和AG501系統(tǒng)性能的研究通常使用接收器線圈之間的固定距離(Lau, 2013; Savariaux et al., 2017; Sigona et al., 2015; Sigona et al., 2018; Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。

跟我們想的一樣，這些系統(tǒng)的總體測(cè)量精度各不相同。事實(shí)上，即使在不同實(shí)驗(yàn)室的相同系統(tǒng)中，它們也會(huì)有所不同(Savariaux et al., 2017)。理想情況下，人們希望看到測(cè)量誤差小于0.5mm，并且對(duì)于這里描述的三個(gè)系統(tǒng)，如果將測(cè)量限制在理想的工作空間內(nèi)（見上文），這是可以實(shí)現(xiàn)的。遠(yuǎn)離發(fā)射器并超出理想空間確實(shí)會(huì)引入更大的誤差 (Lau, 2013; Savariaux et al., 2017; Sigona et al., 2018; Stella et al., 2012)。該變化如下圖所示，顯示了AG500和AG501的空間誤差圖(Lau, 2013)。通常，誤差似乎與接收器線圈的運(yùn)動(dòng)無關(guān) (Kroos, 2012; Lau, 2013; Savariaux et al., 2017)。對(duì)于AG500，一些（相對(duì)較大的幅度）誤差跟用來推導(dǎo)線圈位置的算法有關(guān)，這些位置基于幅度測(cè)量，而幅度測(cè)量與磁場(chǎng)估算相關(guān)。(Stella et al., 2012; see also Hoole & Zierdt, 2010; Kaburagi et al., 2005)。

在多倫多大學(xué)口腔動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的AG500（上）和AG501（下）系統(tǒng)中，沿x-y平面的位置誤差幅度的映射，標(biāo)度為毫米。該曲面圖中的垂直維度表示該x-y位置中的點(diǎn)的位置誤差大小。立面（紅色）表示高誤差區(qū)域；波谷（藍(lán)色）表示低誤差區(qū)域（Lau，2013）

對(duì)于那些使用語(yǔ)音任務(wù)（如段落閱讀）的研究，AG500的研究結(jié)果顯示，95%的誤差在可接受范圍內(nèi)，即0.25mm-1.72mm(Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。對(duì)于Wave系統(tǒng)，一種類似的方法在個(gè)體間產(chǎn)生的誤差范圍在0.08mm到0.55mm之間(Berry，2011)。在Sigona等人的(Sigona et al., 2018)論文中，他們對(duì)3個(gè)假詞進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)AG501能準(zhǔn)確追蹤線圈并得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但AG500表現(xiàn)更差，誤差顯得很隨機(jī)，不可預(yù)測(cè)。Kroos（2012）還將AG500與視線系統(tǒng)(line-of-sight system，Vicon，Vicon運(yùn)動(dòng)系統(tǒng))進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)AG500在不同條件下（基于兩個(gè)系統(tǒng)位置的歐幾里德距離估算）的平均均方根誤差為1.38mm。角均方根誤差為50度，均基于使用AG500專有軟件。根據(jù)本文提到的所有研究的測(cè)試結(jié)果，似乎AG501是目前最精確的設(shè)計(jì)(Kroos, 2012; Lau 2013; Savariaux et al., 2017;Sigona et al., 2018)。然而，如前所述，對(duì)于AG系統(tǒng)，需要進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算程序以獲得可靠的數(shù)據(jù)，一些作者就如何檢查錯(cuò)誤提出了建議（如Kroos, 2012; Lau, 2013; Savariaux et al., 2017; Sigona et al., 2018; Yunusova et al., 2009）。Wave系統(tǒng)不需要用戶進(jìn)行校準(zhǔn)，這使得該系統(tǒng)在技術(shù)受限的條件下更容易使用(Berry, 2011)。