一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，克服现有技术中利用磁感应相移技术在检测肝脏组织、乳房组织、膀胱组织等生物组织时，无法准确得出生物组织是否异常的问题，包括信号源模块、放大激励模块、磁电传感器以及信号处理模块，所述信号源模块的输出端分别连接放大激励模块的输入端和信号处理模块的参考信号端，放大激励模块的输出端与磁电传感器的连接，输出端连接信号处理模块的输入端。利用了磁电传感器在kHz的谐振频率处可以探测到10

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统


[0001]本专利技术涉及生物医学设备
，特别涉及了一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统。

技术介绍

[0002]磁感应相移技术(Magnetic Induction Phase Shift，MIPS)是利用磁感应原理，将生物组织放置在激励线圈和探测磁场传感器之间，通有交流电的激励线圈产生交变的激励磁场B穿过生物组织时，在生物组织内产生感应电流，该电流又产生感应磁场ΔB，探测磁场传感器可以检测到ΔB。当生物组织的电导率σ发生变化时，会影响到感应电流的强度和分布，测得的ΔB可以反映电导率的变化，由B与ΔB的矢量关系，可以推导激励磁场和感应磁场之间发生的相移θ，通过检测相位移θ就可以反映电导率变化。因此通过相位差的变化可以来判断生物组织是否有异常。
[0003]生物组织，例如人类的头颅，在兆赫兹频率的激励磁场作用下的相位差才会显得明显，并且线圈或天线在探测兆赫兹及以上的磁场具有十分突出的表现，因此常常被作为探测该频段的感应磁场的传感器使用。中国专利局2021年7月20日公开了一种名称为一种基于磁感应相位移的生物组织血流实时监测系统及模拟监测系统的专利技术，其公开号为CN113133753A。该专利技术包括信号源、激励线圈单元、接收线圈单元、数字化仪、上位机PC；信号源输出两个频率和相位相同的正弦信号，分别与激励线圈单元和数字化仪连接，接收线圈单元与数字化仪连接，用于采集由激励线圈单元发出的并经过待检测部位后在接收线圈单元中生成的输出信号，传输到上位机中进行分析处理得到待检测部位实时状态。该专利技术提供的系统利用磁感应相位移监测脑血流搏动状况，通过动脉血流动力学理论与磁感应相移检测原理相结合，对脑血流搏动的变化进行持续有效的监测，该系统具有无创、安全、非接触、体积小、穿透性强的优点。但该系统以线圈为磁场传感器，受限于线圈的灵敏度不足，且激励频率往往处于1
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100MHz，由于趋肤效应，探测深度不够。且不同的生物组织有不同的特点，例如肝脏组织、乳房组织、膀胱组织等，它们在千赫兹频率的激励磁场作用下便显出明显的相位差，但是线圈或天线在千赫兹频率的性能表现的不是十分出色。
[0004]而磁电传感器因其在室温下操作方便、灵敏度高而受到广泛关注，尤其是其在千赫兹的谐振频率处性能表现十分突出，并且根据制备磁电传感器的材料及尺寸的不同可以使磁电传感器的谐振频率处于零到千赫兹区间。此外，磁电传感器的输出响应取决于压磁系数，而压磁系数会随着直流偏置磁场呈先上升后下降趋势，在某一直流偏置磁场下，压磁系数会达到最大，此时的直流偏置磁场即为最优直流偏置磁场，在该直流磁场下，传感器的性能可以提升几十倍乃至几千倍。目前，利用磁致伸缩材料Metglas和压电材料铌酸锂，在最优直流偏置磁场5 Oe下，在谐振频率6.862 kHz下可以探测到200 fT的交流磁场。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中利用磁感应相移技术在检测肝脏组织、乳房组
织、膀胱组织等生物组织时，无法准确得出生物组织是否异常的问题，提供了一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，利用了磁电传感器在kHz的谐振频率处可以探测到10
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T量级的磁场的性能，能更好地探测到感应磁场，提升了整个系统对生物组织电导率变化的灵敏度，实现了对生物组织更加内部的探测。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：包括：信号源模块：输出两个频率和相位相同的交流信号，其中一个信号传递到放大激励模块，生成激励信号，另一个信号传递到信号处理模块，生成参考信号；放大激励模块：放大信号源模块提供的信号，并同时产生交流激励磁场和直流偏置磁场；磁电传感器：同时探测放大激励模块产生的激励磁场与生物组织产生的感应磁场，并生成输出信号到信号处理模块；信号处理模块：对磁电传感器的输出信号以及信号源模块提供的参考信号进行处理得到相位差，并通过相位差的变化判断被测组织是否存在异常。
[0007]所述信号源模块的输出端分别连接放大激励模块的输入端和信号处理模块的参考信号端，放大激励模块的输出端与磁电传感器的连接，输出端连接信号处理模块的输入端。所述磁电传感器不少于一个。生物组织在交流激励磁场作用下由于涡流效应产生感应磁场，其中感应磁场与激励磁场存在相位差。磁电传感器同时探测到激励磁场与生物组织产生的感应磁场，磁电传感器的输出信号通过信号处理模块与信号源模块提供的参考信号进行处理得到相位差，通过相位差的变化判断颅内压是否变化。
[0008]本专利技术利用kHz的激励磁场，根据趋肤效应，激励磁场频率越低，所能探测深度越深，相比于目前已有的采用MHz乃至GHz的激励磁场，系统所能探测的深度得到大幅提升，因此采用kHz的激励磁场能够实现对生物组织更加内部的探测，而不仅仅局限于表面。而目前常见的高精度的磁场传感器包括磁通门计、超导量子干涉仪以及光泵磁力仪，但磁通门计仅能够实现对10
‑9T量级的磁场探测且成本较高；超导量子干涉仪只能在很小范围内的磁场大小进行测量，成本太高且无法在室温下工作，需要用液氦制冷使SQUID正常工作，体积庞大，不易携带；光泵磁力仪只能够探测
±5×
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‑9T内的磁场大小、带宽低、成本高且对周围环境的屏蔽性能要求高。因此本专利技术利用频率和最优偏置磁场下具有优异性能的磁电传感器来探测肝脏组织、乳房组织、膀胱组织等生物组织在激励磁场作用下产生的感应磁场，并且对磁电传感器的输出信号进行信号处理，得到感应磁场与激励磁场的相位差，通过相位差的变化来判断生物组织是否存在异常。磁电传感器在kHz的谐振频率点性能极为优异，能实现对10
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T量级磁场的探测，而激励磁场频率仅仅需要一个频率点，因此能更好地探测到感应磁场，从而提升整个系统对生物组织电导率变化的灵敏度，且磁电传感器成本低、能在室温下工作，体积小，易携带。
[0009]作为优选，所述的信号源模块产生的交流信号频率与磁电传感器的谐振频率相同。此频率下，磁电传感器性能最佳。
[0010]作为优选，所述的放大激励模块包括：电流放大器：放大信号源模块产生的信号；直流偏置模块：产生直流偏置电流，对电流放大器放大后的信号进行直流偏置，并将放大后的信号作用到激励线圈；
激励线圈：同时产生交流激励磁场及直流偏置磁场。
[0011]所述电流放大器的输入端与信号源模块的输出端连接，电流放大器的输出端与直流偏置模块的输入端连接，所述直流偏置模块的输出端与激励线圈连接。信号源模块产生与磁电传感器谐振频率相同频率的交流信号，经过电流放大器放大后的信号再经过直流偏置模块进行直流偏置，最终的输出信号作用到激励线圈上，激励线圈同时产生交流激励磁场和直流偏置磁场。
[0012]作为优选，所述激励线圈为缠绕于磁电传感器上的螺线管，所述螺线管的两端分别与直流偏置模块的输出端连接，所述被测组织设置于螺线管右侧。激励线圈缠绕于磁电传感器上，可以减小体积，方便操作。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其特征在于，包括：信号源模块（7）：输出两个频率和相位相同的交流信号，其中一个信号传递到放大激励模块，生成激励信号，另一个信号传递到信号处理模块，生成参考信号；放大激励模块：放大信号源模块提供的信号，并同时产生交流激励磁场和直流偏置磁场；磁电传感器（5）：同时探测放大激励模块产生的激励磁场与生物组织产生的感应磁场，并生成输出信号到信号处理模块；信号处理模块：对磁电传感器（5）的输出信号以及信号源模块提供的参考信号进行处理得到相位差，并通过相位差的变化判断被测组织是否存在异常。2.根据权利要求1所述的一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其特征在于，所述的信号源模块产生的交流信号频率与磁电传感器（5）的谐振频率相同。3.根据权利要求1所述的一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其特征在于，所述的放大激励模块包括：电流放大器（8）：放大信号源模块（7）产生的信号；直流偏置模块（9）：产生直流偏置电流，对电流放大器（8）放大后的信号进行直流偏置，并将放大后的信号作用到激励线圈；激励线圈：同时产生交流激励磁场及直流偏置磁场。4.根据权利要求3所述的一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其特征在于，所述激励线圈为缠绕于磁电传感器上的螺线管（4），所述螺线管（4）的两端分别与直流偏置模块（9）的输出端连接，所述被测组织设置于螺线管（4）右侧。5.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：周浩淼，罗京，邱阳，朱明敏，郁国良，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：