一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统

1.本发明涉及生物医学设备技术领域，特别涉及了一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统。


背景技术：

2.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。
3.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发明，其公开号为cn113133753a。该发明包括信号源、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。该发明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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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10-13
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。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：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。
7.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。
8.本发明利用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10-9
t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×
10-9
t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。因此本发明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10-13
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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.作为优选，所述的激励线圈为亥姆赫兹线圈，所述亥姆赫兹线圈包括左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈，所述磁电传感器设置于左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈之间，所述被测组织设置于磁电传感器与右亥姆赫兹线圈之间。亥姆霍兹线圈是一种制造小范围区域均匀磁场的器件，具有开敞性质，很容易地可以将其它仪器置入或移出。左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈产生一个大范围的均匀场，均匀场中包括交流激励磁场与直流偏置磁场，磁电传感器与被测组织处于此均匀场中。
14.作为优选，所述左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈可以与磁电传感器垂直，也可以呈夹角。磁电传感器所在的水平线与左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈所在的平面可以垂直，也可以成夹角。左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈产生一个大范围的均匀场，均匀场中包括交流激励磁场与直流偏置磁场，均匀场方向与磁电传感器灵敏方向呈一定角度，那么磁电传感器对于激励磁场的响应就会减弱，但却几乎不会影响磁电传感器对被测物体产生的感应磁场的探测，因此可以提高磁电传感器对感应磁场的鉴别能力。
15.作为优选，所述直流偏置模块产生的直流偏置磁场大小为磁电传感器的最优直流偏置磁场大小。通过调节直流偏置模块使直流偏置磁场的大小等于磁电传感器的最优直流偏置磁场大小，此大小下的直流偏置磁场能够最大程度提升磁电传感器的性能。
16.作为优选，所述的信号处理模块包括：前置放大模块：放大磁电传感器的输出信号；滤波器：对放大后的输出信号进行滤波；鉴相模块：对信号源模块的参考信号以及放大和滤波后的磁电传感器输出信号进行处理分析得到相位差。
17.所述前置放大模块的输入端连接磁电传感器的输出端，滤波器的输入端连接前置放大模块的输出端，鉴相模块的输入端同时连接滤波器的输出端及信号源模块的参考信号输出端。鉴相模块对草考信号和输出信号进行处理得到相位差，一旦被测组织的电导率或者体积发生改变，最终输出的相位就会发生变化，通过相位的变化可以推出被测组织发生了异常。
18.作为优选，所述的滤波器既可以是硬件电路，也可以是软件程序。滤波器是一种常见的仪器，其硬件电路主要由电容、电感和电阻组成，可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。
19.作为优选，所述的鉴相模块既可以是硬件电路，也可以是软件程序。鉴相模块也属
于现有技术中已有的。
20.因此，本发明具有如下有益效果：1、能够有效探测到肝脏组织、乳房组织、膀胱组织等生物组织在千赫兹频率的激励磁场作用下产生的感应磁场；2、能够在室温下工作，实时动态，结构简单，操作方便及成本低廉；3、利用磁电传感器作为探测传感器，在khz的谐振频率处可以探测到10-13
t量级的磁场，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，实现对生物组织更加内部的探测。
附图说明
21.图1是本发明激励线圈为螺线管的结构示意图；图2是本发明激励线圈为亥姆赫兹线圈的一种结构示意图；图3是本发明激励线圈为亥姆赫兹线圈的另一种结构示意图；图4是本发明测试结果曲线图；图5是本发明磁电传感器为两个的结构示意图；图6是本发明磁电传感器有两个信号输出口的结构示意图；图中：1、鉴相模块；2、滤波器；3、前置放大模块；4、螺线管；5、磁电传感器；6、被测组织；7、信号源模块；8、电流放大器；9、直流偏置模块；10、左亥姆赫兹线圈；11、右亥姆赫兹线圈；12、采集模块；13、鉴相器；14、第一磁电传感器；15第二磁电传感器；16、磁致伸缩材料；17、第一压电材料；18、第二压电材料；19、电荷放大器；20、差分放大器。
具体实施方式
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：本实施例为一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其中激励线圈为激励线圈为螺线管，其结构如图1所示，包括鉴相模块1、滤波器2、前置放大模块3、螺线管4、磁电传感器5、信号源模块7、电流放大器8及直流偏置模块9。所述信号源模块的输出端分别连接电流放大器的输入端及鉴相模块的参考信号端，电流放大器的输出端连接直流偏置模块的输入端，直流偏置模块的输出端连接螺线管，被测组织6位于螺线管右侧，螺线管同时产生交流激励磁场和直流偏置磁场，磁电传感器探测到激励磁场与生物组织产生的感应磁场，其输出端连接前置放大模块，前置放大模块的输出端通过滤波器2与鉴相模块连接。
23.工作时，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，通过调节直流偏置模块使直流偏置磁场的大小等于磁电传感器的最优直流偏置磁场大小。磁电传感器在探测到激励磁场和感应磁场后，经过前置放大和滤波，在鉴相模块中与参考信号进行相位分析，得到相位差。
24.本实施例为一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其中激励线圈为激励线圈为亥姆赫兹线圈，其结构如图2所示，信号源模块7的输出端分别与电流放大器8的输入端、鉴相器13的输入端连接，给电流放大器提供激励信号、给鉴相器提供参考信号，电流放大器输出端与直流偏置模块9的输入端连接，直流偏置模块的两个输出端分别连接左亥姆赫兹线圈10、右亥姆赫兹线圈11。左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈之间依次摆放磁电传感器5、被测组织6，且磁电传感器与生物组织在同一直线上，该直线与左亥姆赫兹线圈和右
亥姆赫兹线圈的线圈所在的平面垂直。磁电传感器输出端与前置放大模块输入端连接，前置放大模块输出端与滤波器输入端连接，滤波器输出端与鉴相器输入端连接，鉴相器输出端连接采集模块。
25.工作时，信号源模块通过电流放大器、直流偏置模块与左亥姆赫兹线圈10和右亥姆赫兹线圈11相连，此处直流偏置模块为电压偏置调节电路，左亥姆赫兹线圈与右亥姆赫兹线圈产生一个大范围的均匀场，均匀场中包括交流激励磁场与直流偏置磁场，其中交流激励磁场频率为磁电传感器的谐振频率，直流偏置模块产生的直流偏置磁场大小为磁电传感器的最优偏置磁场大小，磁电传感器与被测组织6处于此均匀场中，此时，激励磁场方向与磁电传感器灵敏方向相同。磁电传感器探测到激励磁场与被测组织产生的感应磁场，磁电传感器输出接前置放大模块，此处前置放大模块为电荷前置放大器。电荷前置放大器经过滤波器与鉴相模块连接，此处鉴相模块包括鉴相器和采集模块。与此同时，信号源模块的参考信号接鉴相器。采集模块12采集到鉴相器输出的直流量大小，通过鉴相器本身直流量与相位的关系特性得到相位，一旦被测组织的电导率或者体积发生改变，最终输出的相位就会发生变化，通过相位的变化可以推出被测物体发生了异常。
26.本实施例为一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其中激励线圈为激励线圈为亥姆赫兹线圈，其结构如图3所示，信号源模块7的输出端分别与电流放大器8的输入端、鉴相器13的输入端连接，给电流放大器提供激励信号、给鉴相器提供参考信号，电流放大器输出端与直流偏置模块9的输入端连接，直流偏置模块的两个输出端分别连接左亥姆赫兹线圈10、右亥姆赫兹线圈11。左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈之间依次摆放磁电传感器5、被测组织6，且磁电传感器与生物组织在同一直线上，该直线与左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈的线圈所在的平面成角度。磁电传感器输出端与前置放大模块输入端连接，前置放大模块输出端与滤波器输入端连接，滤波器输出端与鉴相器输入端连接，鉴相器输出端连接采集模块。
27.工作时，信号源模块通过电流放大器、直流偏置模块与左亥姆赫兹线圈10和右亥姆赫兹线圈11相连，此处直流偏置模块为电压偏置调节电路，左亥姆赫兹线圈与右亥姆赫兹线圈产生一个大范围的均匀场，均匀场中包括交流激励磁场与直流偏置磁场，其中交流激励磁场频率为磁电传感器的谐振频率，直流偏置模块产生的直流偏置磁场大小为磁电传感器的最优偏置磁场大小，磁电传感器与被测组织6处于此均匀场中。此时均匀场方向与磁电传感器灵敏方向呈一定角度，那么磁电传感器对于激励磁场的响应就会减弱，但却几乎不会影响磁电传感器对被测组织产生的感应磁场的探测，因此可以提高磁电传感器对感应磁场的鉴别能力。磁电传感器探测到激励磁场与被测组织产生的感应磁场，磁电传感器输出接前置放大模块，此处前置放大模块为电荷前置放大器。电荷前置放大器经过滤波器与鉴相模块连接，此处鉴相模块包括ad8302鉴相器和采集模块。与此同时，信号源模块的参考信号接鉴相器。采集模块12采集到ad8302鉴相器输出的直流量大小，通过鉴相器本身直流量与相位的关系特性得到相位，一旦被测组织的电导率或者体积发生改变，最终输出的相位就会发生变化，通过相位的变化可以推出被测物体发生了异常。
28.采用此结构，利用基于metglas（磁致伸缩材料）/pzt（压电材料）的磁电传感器进行测试，此磁电传感器的谐振频率为19.8khz，最优偏置磁场为9.6oe，因此激励磁场频率选择19.8khz，电压偏置调节电路将直流磁场调节到9.6oe。为了测试系统的可行性，用黄铜球
以及20%浓度的盐水作为被测组织进行试验，结果如图4所示。从图中可以看出随着黄铜球或者盐水体积的增加，系统输出的相位逐渐增大，由此可以反映系统在测试同一电导率、不同体积的被测物体时存在可行性。
29.本实施例为一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其中激励线圈为激励线圈为亥姆赫兹线圈，磁电感应器有两个，其结构如图5所示，此时前置放大模块包括两个完全相同的电荷放大器19和一个差分放大器20，鉴相模块包括鉴相器和采集模块，所述鉴相器优选为ad8302鉴相器，磁电传感器有两个，包括第一磁电传感器和第二磁电传感器。信号源模块7的输出端分别与电流放大器8的输入端、鉴相器13的输入端连接，给电流放大器提供激励信号、给鉴相器提供参考信号，电流放大器输出端与直流偏置模块9的输入端连接，直流偏置模块的两个输出端分别连接左亥姆赫兹线圈10、右亥姆赫兹线圈11。左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈之间依次摆放磁电传感器、被测组织6，第一磁电传感器14和第二磁电传感器15上下平行放置，第一磁电传感器与生物组织在同一水平直线上，该直线与左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈的线圈所在的平面成角度。两个磁电传感器输出端与分别与一个电荷放大器的输入端连接，两个电荷放大器的输出端均与差分放大器输入端连接，差分放大器输出端与滤波器输入端连接，滤波器输出端与鉴相器输入端连接，鉴相器输出端连接采集模块。
30.工作时，信号源模块通过电流放大器、直流偏置模块与左亥姆赫兹线圈10和右亥姆赫兹线圈11相连，此处直流偏置模块为电压偏置调节电路，左亥姆赫兹线圈与右亥姆赫兹线圈产生一个大范围的均匀场，均匀场中包括交流激励磁场与直流偏置磁场，其中交流激励磁场频率为磁电传感器的谐振频率，直流偏置模块产生的直流偏置磁场大小为磁电传感器的最优偏置磁场大小，两个磁电传感器与被测组织6处于此均匀场中。
31.此时均匀场方向与两个传感器灵敏方向呈一定角度，那么磁电传感器对于激励磁场的响应就会减弱，除此之外，两个磁电传感器完全相同，第一磁电传感器14作为主传感器，第二磁电传感器15为参考传感器，主传感器距离被测组织近，因此既可以探测到激励磁场又可以探测到感应磁场，而参考传感器距离被测组织远，并且感应磁场随着距离的增加而减小，因此参考传感器主要探测到激励磁场，两个磁电传感器的输出分别通过完全相同的电荷放大器与差分放大器相连，经过差分放大，出来的信号即为探测到感应磁场所产生的电压信号。差分放大器经过滤波器与鉴相器相连，与此同时，信号源模块的参考信号接鉴相器，鉴相器经过采集模块采集到ad8302鉴相器输出的直流量大小，通过鉴相器本身直流量与相位的关系特性得到相位，一旦被测组织的电导率或者体积发生改变，最终输出的相位就会发生变化，通过相位的变化可以推出被测物体发生了异常。
32.本实施例为一种基于磁电传感器的磁感应相移测量系统，其中激励线圈为激励线圈为亥姆赫兹线圈，磁电感应器为自己组装的包括两个信号输出口的磁电感应器，其结构如图6所示，其中磁电感应器包括磁致伸缩材料16、第一压电材料17和第二压电材料18，前置放大模块包括两个完全相同的电荷放大器19和一个差分放大器20，鉴相模块包括鉴相器和采集模块，所述鉴相器优选为ad8302鉴相器。信号源模块7的输出端分别与电流放大器8的输入端、鉴相器13的输入端连接，给电流放大器提供激励信号、给鉴相器提供参考信号，电流放大器输出端与直流偏置模块9的输入端连接，直流偏置模块的两个输出端分别连接左亥姆赫兹线圈10、右亥姆赫兹线圈11。左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈之间依次摆放
磁电传感器、被测组织6，第一压电材料17和第二压电材料18套设在磁致伸缩材料16上，第一压电材料和第二压电材料上下平行放置，第一压电材料与生物组织在同一水平直线上，该直线与左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈的线圈所在的平面成角度。第一压电材料和第二压电材料作为磁电传感器的两个输出端，分别连接一个电荷放大器，两个电荷放大器的输出端均与差分放大器输入端连接，差分放大器输出端与滤波器输入端连接，滤波器输出端与鉴相器输入端连接，鉴相器输出端连接采集模块。
33.工作时，信号源模块通过电流放大器、直流偏置模块与左亥姆赫兹线圈和右亥姆赫兹线圈相连，此处直流偏置模块为电压偏置调节电路，左亥姆赫兹线圈与右亥姆赫兹线圈产生一个大范围的均匀场，均匀场中包括交流激励磁场与直流偏置磁场。
34.磁致伸缩材料、第一压电材料与第二压电材料组成了有两个信号输出口的磁电传感器，其中第一压电材料与第二压电材料完全相同，作为磁电传感器的两个信号输出口a和b，并且第一压电材料与第二压电材料套设在磁致伸缩材料上，且关于磁致伸缩材料中心对称。由亥姆赫兹线圈产生的均匀场中，交流激励磁场频率为磁电传感器的谐振频率，直流偏置模块产生的直流偏置磁场大小为磁电传感器的最优偏置磁场大小，两个磁电传感器与被测组织6处于此均匀场中。此时均匀场方向与传感器灵敏方向呈一定角度，那么磁电传感器对于激励磁场的响应就会减弱。除此之外，磁电传感器的信号输出口a作为主输出口，信号输出口b为参考输出口，主输出口距离被测组织近，因此输出信号包括探测到激励磁场和感应磁场后产生的信号，而参考输出口距离被测组织远，并且感应磁场随着距离的增加而减小，因此输出信号只有探测到激励磁场后产生的信号，两个信号输出口的输出分别通过完全相同的电荷放大器与差分放大器相连，经过差分放大，出来的信号即为探测到感应磁场所产生的电压信号。差分放大器经过滤波器与鉴相器相连，与此同时，信号源模块的参考信号接鉴相器，鉴相器经过采集模块采集到鉴相器输出的直流量大小，通过鉴相器本身直流量与相位的关系特性得到相位，一旦被测组织的电导率或者体积发生改变，最终输出的相位就会发生变化，通过相位的变化可以推出被测物体发生了异常。
35.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。