电磁构音成像的原理比较容易理解，就是电磁场可以在金属线或线圈中诱发电流。这项技术在早期的言语/语音研究中主要见于呼吸相关研究和下颌运动的研究(Hixon, 1971; van der Giet, 1977)。最初的构音成像系统只能够记录2D中矢状面的运动。关于旧系统的具体情况可以参考其他文章(Perkell et al., 1992; Schönle et al., 1987; Van Lieshout, 2006)。2D系统在测量伪影的敏感性方面存在局限，这些伪影与中矢状面以外的线圈运动或旋转有关，同时它还限制了头部运动。正因为如此，这些系统不能提供关于侧向运动或是舌体旋转的有用信息，也不能研究携带副语言信息的头部运动(Hoole & Nguyen, 1999; Tiede et al., 2019)。这些问题的存在迫使研究人员最终开发出了能够记录3个运动方向和2个旋转角度的系统，一般称为5D电磁构音成像。Carsten's公司将其5D系统称为AG500系列，最新的版本是AG501。下图展示了三代AG系统（AG100、AG500、AG501），图中没有AG200，它基本上是AG100的改进版。

从左到右依次为AG100、AG500和AG501系统

所有构音成像系统（至少从AG系列开始）都是一组偶极子发射器（dipole transmitters）与单轴接收线圈（mono-axial receiver coils）相结合。每个接收器线圈有5个自由度（三个运动方向：前后、上下、左右，两个角度：方位角和仰角）。接收线圈不能垂直于3个发射器，因为围绕接收线圈主轴的旋转是没法被记录的。线圈中感应信号的强度与线圈至发射器的距离（半径的3次方）大致成反比。到2009年，AG500的原始传感器(HS220s)被输出量和信噪比更优秀的传感器(HQ220s)。AG501又使用了再次改进的传感器（HQ220-L120-B）。

AG500图解

AG500带有球形发射器，它被嵌在一个边长为50cm的有机玻璃立方体上。AG501有9个发射器线圈，被置于配准空间(registration volume)上方的三个矩形结构中。发射器的频率范围为7.5~13.75kHz，振幅范围为8.85~16.66μT(Stellaetal., 2012)。配准空间由标准化校准程序确定，而线圈位置则由配准空间中磁场空间格局的数学计算推导得到。EMA系统的球形配准空间的半径为150mm。线圈位置由电压与距离的函数计算，该函数通过对与发射器相关的频率使用窄带带通滤波推导得到。接收机线圈中感应信号的振幅将与计算得到的磁场表示的估计振幅进行比较。差异用RMS值表示，为了便于校准，建议将RMS误差保持在14位(14 digits)以下，这大致相当于5V范围的16位表示的1.12mV差值(Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。RMS误差基于阈值进行评估，用户可以更改该阈值。如果RMS误差超过该阈值，系统将重新计算差异，直到达到RMS阈值为止。根据校准程序，计算出的RMS值可用于检验和验证。

WAVE系统在磁场发生器中有若干的发射器线圈，其尺寸为20×20×7cm，可产生50×50×50cm或30×30×30cm的电磁配准空间。它可以在100到400Hz的频率下配准16个之多的接收器线圈（包括5D参考传感器）。WAVE的接收器线圈大小和形状都与EMA的线圈不同。WAVE线圈的屏蔽方式与AG线圈也不同，这使它们更容易受到外部磁场的干扰。

AG系统采用非线性根查找算法（nonlinear root-finding algorithm）来确定最佳线圈位置，该算法使用了6个方程（每个发射器一个）和5个未知变量，这些变量与两种运动和两个旋转维度有关。AG系统使用的近似算法称为牛顿-拉夫森方法（Newton-Raphson method），该方法在试图收敛于最小解的同时，通过迭代测量非线性系统的解景观来估计线圈位置和方向的值(Hoole & Zierdt, 2010; Kaburagi et al., 2005)。

在过去的10年里，有很多研究测试了卡斯滕斯的AG系统和NDI的Wave系统的测量精度。例如，Savariaux及其同事的文章(Savariaux et al., 2017) 概述了2008年至2013年期间发表的论文，包括他们自己测试了几个系统。Sigona等人的最新论文对AG500和AG501系统进行了直接比较(Sigona et al., 2018)。在我们自己的实验室中，我们还使用定制的校准设备对AG500和AG501进行了直接比较(Lau, 2013)。我们可以从这些非常多样化的研究结果中，对不同的构音成像系统(AG500、AG501、Wave)的稳定性和准确性进行一些一般的推断。关于测量最准确的配准空间，对AG系统的建议是应在半径为100mm的球形体积内(Sigona et al., 2018; Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。这将大致相当于一个普通的人类头部的大小，它应该以测量磁场的原点为中心。对于Wave系统，我们发现平均追踪误差在距离磁场发生器约200mm范围内最小，对300mm3的磁场体积配置略有改善(Berry, 2011; Savariaux et al., 2017)。

为了避免邻近接收机线圈的信号之间的串扰，AG系统的制造商建议将它们之间的最小距离保持在8mm。但是在实验中，当较短距离的线圈相互移动时，就很难实现这一点。Stella和他的同事(Stella et al., 2012)的研究测试了15mm和30mm的线圈间距，没有发现对线圈信号有任何显著影响。值得注意的是，测试过AG500和AG501系统性能的研究通常使用接收器线圈之间的固定距离(Lau, 2013; Savariaux et al., 2017; Sigona et al., 2015; Sigona et al., 2018; Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。

跟我们想的一样，这些系统的总体测量精度各不相同。事实上，即使在不同实验室的相同系统中，它们也会有所不同(Savariaux et al., 2017)。理想情况下，人们希望看到测量误差小于0.5mm，并且对于这里描述的三个系统，如果将测量限制在理想的工作空间内（见上文），这是可以实现的。远离发射器并超出理想空间确实会引入更大的误差 (Lau, 2013; Savariaux et al., 2017; Sigona et al., 2018; Stella et al., 2012)。该变化如下图所示，显示了AG500和AG501的空间误差图(Lau, 2013)。通常，误差似乎与接收器线圈的运动无关 (Kroos, 2012; Lau, 2013; Savariaux et al., 2017)。对于AG500，一些（相对较大的幅度）误差跟用来推导线圈位置的算法有关，这些位置基于幅度测量，而幅度测量与磁场估算相关。(Stella et al., 2012; see also Hoole & Zierdt, 2010; Kaburagi et al., 2005)。

在多伦多大学口腔动力学实验室中使用的AG500（上）和AG501（下）系统中，沿x-y平面的位置误差幅度的映射，标度为毫米。该曲面图中的垂直维度表示该x-y位置中的点的位置误差大小。立面（红色）表示高误差区域；波谷（蓝色）表示低误差区域（Lau，2013）

对于那些使用语音任务（如段落阅读）的研究，AG500的研究结果显示，95%的误差在可接受范围内，即0.25mm-1.72mm(Stella et al., 2012; Yunusova et al., 2009)。对于Wave系统，一种类似的方法在个体间产生的误差范围在0.08mm到0.55mm之间(Berry，2011)。在Sigona等人的(Sigona et al., 2018)论文中，他们对3个假词进行了重复实验，发现AG501能准确追踪线圈并得到准确数据，但AG500表现更差，误差显得很随机，不可预测。Kroos（2012）还将AG500与视线系统(line-of-sight system，Vicon，Vicon运动系统)进行比较，发现AG500在不同条件下（基于两个系统位置的欧几里德距离估算）的平均均方根误差为1.38mm。角均方根误差为50度，均基于使用AG500专有软件。根据本文提到的所有研究的测试结果，似乎AG501是目前最精确的设计(Kroos, 2012; Lau 2013; Savariaux et al., 2017;Sigona et al., 2018)。然而，如前所述，对于AG系统，需要进行仔细的计算程序以获得可靠的数据，一些作者就如何检查错误提出了建议（如Kroos, 2012; Lau, 2013; Savariaux et al., 2017; Sigona et al., 2018; Yunusova et al., 2009）。Wave系统不需要用户进行校准，这使得该系统在技术受限的条件下更容易使用(Berry, 2011)。