一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置制造方法及图纸

一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置，利用两种相对独立的磁颗粒检测方法，以磁导率为隐变量建立感应线圈电压和感应线圈电感之间的联系，实现感应线圈电感理论值和测量值之间的误差提取，并由此得到感应电压误差和共振频率误差。本发明专利技术误差提取装置中，信号运算模块(8)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电压，计算感应线圈电感理论值。信号运算模块(8)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端。扫频测量模块(9)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电感值，扫频测量模块(9)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端。误差提取模块(10)计算感应线圈电感误差、电压误差和共振频率误差。

【技术实现步骤摘要】
一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置
本专利技术涉及一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置。
技术介绍
磁颗粒(magneticparticle,MP)是一种化学合成材料，采用铁磁材料作为内核，其粒径小(微米级甚至纳米级)，比表面极大，耦联容量高，具有磁响应性、生物相容性及非常高的吸附能力。基于这些特性，磁颗粒在磁性分离、生物样品处理、生物分子检测识别、药物靶向治疗、热疗、及组织工程等生物医药领域获得了广泛应用。磁颗粒具有高吸附能力，可作为生物大分子的载体，完成靶向治疗任务。另外，通过外加磁场可对磁颗粒进行操控，如聚集、移动、洗脱及定位等。利用磁颗粒的这两个特性可对核酸、蛋白质、病毒及微生物等生物样品进行分离、富集、提纯等处理，国内外也有多家公司开发出多种基于磁颗粒吸附特性的生物样品处理仪器，其检测过程均涉及磁颗粒检测。非线性磁化(non-linearmagnetization)是磁颗粒的一项重要的磁响应特性。由此开发的设备结构简单成本低、不易受外界环境影响、兼容不同的探针分子固定策略，兼容不同的容纳样品的器材的结构模式，正是由于这些特点，其是与样品处理过程集成联接的首选检测技术。磁颗粒检测(magneticparticledetection,MPD)系统是利用一种磁颗粒非线性磁化特性的检测系统，可用于检测磁颗粒浓度，半径及周边环境状态。其包含激励、接收装置，以及信号处理装置。它的激励磁场主要由通以交变电流的螺线管实现，由感应线圈捕获信号，并传递至信号处理装置进行处理，得到所需信息。MPD检测途径主要有两种，一种是通过检测感应线圈的电感，运用电感和磁颗粒状态之间的物理关系，得到磁颗粒自身及周边信息；另一种是通过检测感应线圈的感应电压，经傅里叶变换得到频谱信息，并通过特定频率的幅值来获取磁颗粒自身及周边信息。目前两种方法各自独立，且均存在一些难以消除的误差，影响磁颗粒检测结构的精度和质量，并对实际运用中的在体测量造成较大障碍。所述的磁颗粒检测系统两种检测方式产生误差的原因主要有两个：对于磁导率的简化处理，周边环境的影响。传统处理方式是尽可能减小周边环境，如地磁，温度的影响，例如采用差分式感应线圈的方式。而对于磁导率，很少有有效处理，虽部分文献采用加权平均近似的方式进行，并借此衍生出测量电感以实现浓度测量的方法，但并未对磁导率随着外磁场的变化而产生的变化量做出处理。μ＝wmpμmp+wairμair+wbufferμbuffer+wvμvμ是感应线圈内部整体的磁导率，μmp是待检测磁颗粒的磁导率，μbuffer是放置磁颗粒的缓冲液的磁导率，μv是感应线圈支撑结构的磁导率，wmp、wair、wbuffer、wv分别是各个材料磁导率占磁导率的权重，含量越高，权值越大。但这种处理方式仅适合在外磁场影响下磁导率变化不大的情况，对于铁磁材料并不适用。传统磁颗粒检测(MPD)系统对于磁颗粒浓度的检测主要有两种相对独立的检测方式，一种是通过检测感应线圈的电感，运用电感和磁颗粒状态之间的物理关系，得到磁颗粒自身及周边信息；另一种是通过检测感应线圈的感应电压，经傅里叶变换得到频谱信息，并通过特定频率的幅值来获取磁颗粒自身及周边信息。所述的磁颗粒检测系统包含激励线圈、感应线圈、激励电源、运算放大器及示波器。激励线圈和激励电源组成激励模块。感应线圈作为感应模块。运算放大器及示波器用于信号处理和显示。所述的激励模块中，激励电源是交流电源，激励电源连接激励线圈，产生激励磁场。所述的激励线圈采用螺线管结构。所述的感应模块中，感应线圈采用螺线管结构，和激励线圈同轴放置，组成线圈系统。待检测的磁颗粒试剂放置于感应线圈内。工作时由激励电源产生交流电，通入激励线圈，产生激励磁场，并在感应线圈中得到感应电压信号。所述的磁颗粒检测系统是通过电磁感应现象，利用激励线圈、磁颗粒和外加交流电源的共同作用，得到感应电压u，即为感应线圈的感应电压信号，表达式为：其中u为感应电压，k为与线圈结构有关的恒定系数，是真空磁导率、线圈灵敏度以及线圈内部体积的乘积，M为磁化强度。所述的MPD两种检测方式主要存在的误差因素包含磁导率变化和环境不确定因素。对于磁导率的影响，运用电感进行检测的方法中，普遍将磁导率进行了加权平均近似；运用电压进行检测的方法中，普遍将磁导率假设为定值。虽然这两种方法使得磁颗粒浓度的检测成为可能，但均完全忽视了磁导率在激励磁场下的变动，也就对结果产生了较大的误差。对于环境因素，如地磁的影响，电感法并未考虑，电压法涉及差分式线圈设计，做到了部分补偿以减小影响，但均未对影响效果做出量化分析。所述的MPD两种检测方式相对独立，以前在磁颗粒检测领域仅有对误差尽可能降低的手段，如差分式线圈设计，中国专利201410018349.8，但仅能对环境磁场影响进行部分去除，且无效果分析，也存在尚未考虑磁导率变化影响的问题。中国专利201410337351.1，一种基于磁珠非线性磁化特性的生物样品检测器，尚未考虑磁导率变化影响以及环境影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有的磁颗粒检测过程中存在较大误差的缺点，提出一种磁颗粒检测系统的误差提取方法和装置。本专利技术利用两种相对独立的磁颗粒检测方式，以磁导率为隐变量建立感应线圈电压和感应线圈电感之间的联系，完成感应线圈电感理论值和测量值之间的误差提取，并借此得到感应电压误差和共振频率误差。本专利技术利用郎之万顺磁理论，不再将磁导率看做不变的常数，利用已知的两种相对独立的检测手段，提取各自的一个核心变量：感应线圈电压与感应线圈电感，将两者共同的基础——磁导率作为隐变量，建立感应线圈电压与感应线圈电感之间的联系，并将感应线圈电感理论值与测量值进行比较，提取差值，再经一系列运算，完成误差的提取，即可获得核心变量误差随外磁场变化而变化的量化值。在实际测量过程中，通过对感应线圈电感误差的计算，再经计算得到感应线圈电压误差和共振频率误差，可用于完成对测量结果的校准，显著提高精度，也可通过对误差信号的进一步分析，增加对磁颗粒周边环境的认知，有助于磁颗粒成像效果的提升，使磁颗粒检测得以更加广泛的运用。本专利技术利用相对独立的两种磁颗粒检测方式，通过理论值和测量值之间的对比，得到相对差值，实现对目标值的测量的误差提取。本专利技术误差提取方法包含测量感应线圈电压、计算电感理论值、测量感应线圈电感、计算感应线圈电感误差、计算感应线圈电压误差和计算共振频率误差的步骤。本专利技术的误差提取方法步骤如下：1、通过测量得到感应线圈电压，并通过此感应线圈电压计算感应线圈电感理论值；2、通过测量感应线圈电感得到感应线圈电感测量值；3、计算感应线圈电感误差；4、计算感应线圈电压误差，计算频率误差得到共振频率误差，完成误差提取。通过提取的误差信号，可实现对测量结果的校准，显著提高测量精度，也可通过对误差信号的进一步分析，增加对磁颗粒周边环境的认知，有助于磁颗粒成像效果的提升，使磁颗粒检测得以更加广泛的运用。应用本专利技术的误差提取方法的装置包含扫频测量模块、信号运算模块和误差提取模块。信号运算模块的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电压，并计算感应线圈电感理论值；信号运算模块的输出端连接误差提取模块的输入端。扫频测量模块的输入端连接磁颗粒检测系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁颗粒检测系统的误差提取方法，其特征是：所述方法利用两种相对独立的磁颗粒检测方式，以磁导率为隐变量建立感应线圈电压和感应线圈电感之间的联系，实现感应线圈电感理论值和测量值之间的误差提取，并由此得到感应电压误差和共振频率误差；具体步骤如下：(1)通过测量得到感应线圈电压，并使用此感应线圈电压计算感应线圈电感理论值；(2)通过测量感应线圈电感得到感应线圈电感测量值；(3)计算感应线圈电感误差；(4)计算感应线圈电压误差，计算频率误差得到共振频率误差，完成误差提取。

【技术特征摘要】
1.一种磁颗粒检测系统的误差提取方法，其特征是：所述方法利用两种相对独立的磁颗粒检测方式，以磁导率为隐变量建立感应线圈电压和感应线圈电感之间的联系，实现感应线圈电感理论值和测量值之间的误差提取，并由此得到感应电压误差和共振频率误差；具体步骤如下：(1)通过测量得到感应线圈电压，并使用此感应线圈电压计算感应线圈电感理论值；(2)通过测量感应线圈电感得到感应线圈电感测量值；(3)计算感应线圈电感误差；(4)计算感应线圈电压误差，计算频率误差得到共振频率误差，完成误差提取。2.应用权利要求1所述的磁颗粒检测系统的误差提取方法的误差提取装置，其特征是：所述的误差提取装置包含信号运算模块(8)、扫频测量模块(9)和误差提取模块(10)；信号运算模块(8)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电压，并计算感应线圈电感理论值；信号运算模块(8)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端；扫频测量模块(9)的输入端连接磁颗粒检测系统的感应线圈，测量感应线圈的电感值，扫频测量模块(9)的输出端连接误差提取模块(10)的输入端；误差提取模块(10)获取电感的测量值和理论值，计算感应线圈电感误差、电压误差和共振频率误差。3.按照权利要求2所述的误差提取装置，其特征是：所述的扫频测量模块(9)包含主控制器(1)、直接数字式频率合成器(DDS)模块(2)、滤波模块(3)、自动增益控制(AGC)模块(4)、测量电路(5)、检波器(6)和显示屏(7)；主控制器(1)采用ARM7单片机；ARM7单片机的输出端分别连接显示屏(7)的输入端和直接数字式频率合成器(DDS)模块(2)的输入端，直接数字式频率合成器(DDS)模块(2)的输出端连接滤波模块(3)的输入端，滤波模块(3)的输出端连接连接自动增益控制(AGC)模块(4)的输入端，自动增益控制(AGC)模块(4)的输出端连接测量电路(5)的电源端口；测量电路(5)的LC串联电路两端连接在检波器(6)的输入端，检波器(6)的输出端连接主控制器(1)的输入端。4.按照权利要求2所述的误差提取装置，其特征是：所述的信号运算模块(8)运用测得的感应电压u，推导出感应线圈的电感L，得到感应线圈电感L的理论值L1，方法如下：(1)首先通过感应电压u得到磁化强度M，表达式为：考虑到当M＝0时，u＝0,故取初值M(0)＝0，式中，K为与线圈结构有关的恒定系数，是真空磁导率、线圈灵敏度以及线圈内部体积的乘积；(2)再由磁化强度M得到关于磁导率μ的表达式，由郎之万顺磁理论可知，其中Ms是饱和磁化强度，为郎之万方程，x和磁颗粒磁导率μmp正相关：其中，m0是单个磁颗粒的磁矩，kB是玻尔兹曼常数，T是温度，H是激励...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东旭，王明，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11