CN102841128B - 用于生物组织识别的电涡流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于生物组织识别的电涡流传感器，该传感器由激励线圈、接收器、补偿器和处理电路组成；接收器和补偿器布置于激励线圈轴线位置，且激励线圈、接收器和补偿器均与处理电路相连；处理电路产生正弦信号通入激励线圈，在激励线圈的周围产生交变的主磁场，该主磁场会在被测的生物组织内部产生感应电涡流，从而产生次级磁场，接收器用于感测该次级磁场，并产生相应的电信号，该电信号将被送到处理电路进行处理，实现对不同生物组织的识别；补偿器用于修正激励线圈产生的轴向磁场的影响。本发明采用电涡流方法和巨磁阻传感器实现生物组织电导率的非接触检测，并可探测前方一定距离的组织特性变化，可以满足临床手术要求。

Description

用于生物组织识别的电涡流传感器

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程领域的生物传感器，具体地说，是指一种用于识别不同生物组织的电涡流传感器。

背景技术

根据电导率的不同进行生物组织的识别，是目前生物医学领域研究的热点问题。最常用的研究方法是电阻抗断层成像法（EIT）和磁感应断层成像法（MIT）。EIT技术在实际应用过程中需要将电极与生物组织接触或者是通过感应的方法对被测目标施加安全激励，再直接测量目标表面的电流，通过所测得的电流信息来重建生物组织的内部结构。EIT技术最主要的问题在于由于电极与被测对象的接触，存在电极极化的现象，不能获得可靠而充足的测量数据，会对测量结果造成很大的影响，而且无法探测前方一定距离的生物组织特性。MIT是一种非接触式测量组织电阻电导率的成像技术,它依据的原理是把被测生物组织置于激励磁场中,利用生物组织内感应出的微弱涡流的扰动磁场进行检测。MIT的主要优点是:MIT方法可以获取前方一定距离处生物组织的电磁特性，从而实现非接触检测。而且MIT技术无漏电流产生，可以获得阻抗绝对值，抗噪性能好等。

由于生物组织的电导率远远低于金属材料，因此利用MIT技术在生物组织内产生的涡流信号及其微弱。因此，如果提供检测的灵敏度，是成功的关键所在。

目前常见的电涡流传感器根据线圈数量的多少可以分成单线圈、双线圈、三线圈以及线圈阵列四大类。

对于单线圈形式的电涡流传感器，这是最传统的形式，传感器只有一个线圈，它既是激励器，在周围空间产生交变磁场，同时也是检测器圈，接收涡流信号。这种形式具有结构简单的优点，缺点就是有效探测距离短、灵敏度低，通常是不到线圈外径的1/2，很难满足生物组织识别的要求。

对于双线圈形式的电涡流传感器，一共有两个线圈：一个线圈是作为激励线圈，通以激励电流，在周围空间产生交变磁场；另外一个线圈是作为检测线圈，接收涡流信号。根据激励线圈、检测线圈以及被测体之间的相对位置又可以分成两种形式：一种是反射式结构，激励线圈与检测线圈位于被测导体的同一侧，例如张卫平、施立亭、赵徐森提出的“长距离双线圈电涡流传感器的原理与设计”（电子学报，1998，26（12）：61-64）。这种形式的问题在于形成的传感器体积较大。另外一种是透射式结构，激励线圈与检测线圈分别位于被测导体的两侧，例如Griffiths H.提出的“Magnetic induction tomography”（Meas.Sci.techno,2001,35(12)）。这种形式不适于生物组织的识别。

对于三线圈形式的电涡流传感器，具有一个激励线圈和两个接收线圈，或者具有两个激励线圈和一个接收线圈。例如何文辉、颜国正、郭旭东提出的“一种新型电涡流传感器的理论分析”（上海交通大学学报，2006，40（3）：495-498），这种结构的内层和外层激励线圈都通以交变电流，检测线圈位于内层和外层激励线圈之间。实验结果表明此种同轴三线圈结构涡流传感器能够有效提高信号的灵敏度，同时也能提高有效探测距离。缺点就是涡流探头会做得很大。另外其研究的被测物是金属导体，未有对生物组织电导率的测量进行研究。

对于线圈阵列形式的电涡流传感器，主要采用单线圈激励多线圈接收的方式，多通道接收线圈呈阵列结构布局，是一种封闭区间成像模式，例如秦明新、吕华提出的“脑磁感应断层成像”（国外医学生物医学工程分册，2005，28（4）：218~221）。目前这种结构的传感器广泛应用于对脑颅骨的监测实验中，可以实现部分生物组织的识别。缺点就是实验装置会做得比较庞大，不利于系统的集成微型化，更无法满足外科等临床手术的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电涡流技术的不足，提出了一种线圈激励、巨磁阻检测的电涡流传感器，可实现生物组织电导率的高灵敏检测，从而达到识别不同生物组织的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种电涡流传感器，该传感器由激励线圈、接收器、补偿器和处理电路组成；所述接收器和补偿器布置于激励线圈轴线位置，且激励线圈、接收器和补偿器均与处理电路相连；所述处理电路产生正弦信号通入激励线圈，在激励线圈的周围产生交变的主磁场，根据电涡流效应的基本原理，该主磁场会在被测的生物组织内部产生感应电涡流，从而产生次级磁场，接收器用于感测该次级磁场，并产生相应的电信号，该电信号将被送到处理电路进行处理，实现对不同生物组织的识别；补偿器用于修正激励线圈产生的轴向磁场的影响。

本发明的激励线圈，其特殊之处在于采用扁平式环形线圈形式。激励线圈的外径保证传感器达到设定的探测距离，一般激励线圈的外径尽可能大些，以保证传感器具有足够远的探测距离，满足外科手术的预警探测需求。另一方面，激励线圈的外径也受限于传感器的总体外形尺寸，以保证传感器整体小型化。激励线圈的内径在保证接收器和补偿器的前提下，可以适当缩小，以便增大线圈的匝数。激励线圈的厚度可根据线圈电气参数要求来选择。

本发明的接收器，其特殊之处在于采用了巨磁阻传感器来探测被测生物组织内产生的涡流信号。由于巨磁阻传感器具有比传统磁阻传感器更高的灵敏度，因此可以较为容易地获取被测生物组织内产生的微弱涡流信号，识别不同生物组织的识别。更好的，本发明接收器可以采用了三维巨磁阻传感器来同时检测三个方向的磁场变化，一个方向与激励线圈产生的磁场方向相同（即轴向），两个方向与激励线圈产生的磁场方向垂直（即横向）。由此可以适应于各种复杂的被测生物组织的不同特性，满足临床识别生物组织的需要。

本发明的补偿器，其特殊之处在于补偿器同样采用巨磁阻传感器。更好的，补偿器采用一维巨磁阻传感器，其磁场检测方向与激励线圈产生的磁场方向相同（即轴向）。这样，补偿器检测到的轴向磁场信号与接收器检测到的轴向磁场信号一致，由此可修正激励线圈产生的轴向磁场的影响。

本发明的处理电路的作用，一方面是为激励线圈提供交流激励电流，另一方面是接触来自接收器和补偿器的输出信号，并对信号进行处理。本发明的处理电路主要由激励电路、加法电路、减法电路、控制电路、显示器和电源等部分组成。其中：激励电路为激励线圈提供激励信号，并在被测组织者产生涡流；加法电路负责处理来自接收器的两个横向磁场信号，并将两个横向磁场信号直接相加，得到总的横向磁场信号，送入控制电路；减法器负责处理接收器检测到的轴向磁场信号和补偿器检测到的轴向磁场信号，并将两个信号相减，形成差动，从而消除激励线圈产生的轴向磁场信号对测量的影响，并将此差动轴向磁场信号送入控制电路。控制电路将总的横向磁场信号与差动轴向磁场信号求和，得到最终的磁场信号，并在显示器上进行显示。该信号与生物组织的导电率直接相关，由此可以得到生物组织的导电特性，并可以实现不同生物组织的识别。

采用上述技术方案之后，本发明具有以下有益效果：采用电涡流方法和巨磁阻传感器实现生物组织电导率的非接触检测，并可探测前方一定距离的组织特性变化，可以满足临床手术要求，可广泛应用于各种外科手术导航或生物医学工程应用。

附图说明

图1为本发明的传感器结构组成示意图。

图2为本发明的激励线圈结构示意图。

图3为本发明的接收器结构示意图。

图4为本发明的补偿器结构示意图。

图5为本发明的处理电路组成示意图。

图中，1-被测组织，2-接收器，3-激励线圈，4-补偿器，5-处理电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的描述。

如图1所示，本发明的电涡流传感器由接收器2、激励线圈3、补偿器4和处理电路5组成。激励线圈3为中空环形线圈，接收器2和补偿器4布置于激励线圈3轴线位置，接收器2在激励线圈3前面，补偿器4在激励线圈3后面，激励线圈3、接收器2和补偿器4均与处理电路5相连。

该传感器工作时，由处理电路5产生的正弦信号通入激励线圈3，会在激励线圈3的周围产生交变的主磁场。根据电涡流效应的基本原理，该主磁场会在被测的生物组织1内部产生感应电涡流，从而产生次级磁场。接收器2用于感测该次级磁场，并产生相应的电信号。该电信号将被送到后续的处理电路5进行处理。由于不同生物组织具有不同电导率，因此不同组织产生的电信号强度是不同的，由此可以实现对不同生物组织的识别。由于采用激励线圈3在被测生物组织内产生涡流信号，因此本发明的传感器可以探测前方一定距离的组织特性并予以识别。补偿器4的作用是修正激励线圈3产生的轴向磁场的影响，提高检测的准确性和稳定性。

本实施例中，激励线圈3如图2所示，采用扁平式环形线圈形式。激励线圈3的外径D尽可能大些，以保证传感器具有足够远的探测距离，满足外科手术的预警探测需求。另一方面，激励线圈3的外径D也受限于传感器的总体外形尺寸，以保证传感器整体小型化。例如，假设传感器整体外形尺寸要求控制在5mm，传感器外科壁厚约为0.5mm，则激励线圈3的外径D应不超过4mm。

本实施例中，激励线圈3的内径d在保证接收器2和补偿器4的前提下，可以适当缩小，以便增大线圈的匝数。例如，假设接收器2和补偿器4的最大外形尺寸为2.5mm，则激励线圈3的内径d应略大于2.5mm。激励线圈3的厚度t根据线圈电气参数要求来选择。厚度t的增加将直接改变激励线圈3的匝数，由此可以增加激励线圈3的电感量L和内阻R。

本实施例中，接收器2如图3所示，较好的，采用了巨磁阻传感器来探测被测生物组织1内产生的涡流信号。由于巨磁阻传感器具有比传统磁阻传感器更高的灵敏度，因此可以较为容易地获取被测生物组织内产生的微弱涡流信号，识别不同生物组织的识别。更好的，接收器2采用了三维巨磁阻传感器来同时检测三个方向的磁场变化，一个方向与激励线圈3产生的磁场方向相同（即轴向z），两个方向与激励线圈3产生的磁场方向垂直（即横向x和y）。由此可以适应于各种复杂的被测生物组织的不同特性，满足临床识别生物组织的需要。

本实施例中，补偿器4如图4所示，补偿器4同样采用巨磁阻传感器，被置于接收器2的上方（或称后方），补偿器4与接收器2均处于激励线圈3的轴线位置上。补偿器4采用一维巨磁阻传感器，其磁场检测方向与激励线圈3产生的磁场方向相同（即轴向z）。这样，补偿器4检测到的轴向磁场信号与接收器2检测到的轴向磁场信号一致，由此可修正激励线圈3产生的轴向磁场的影响。

本实施例中，处理电路5的主要作用，一是为激励线圈3提供激励信号，二是接收来自接收器2和补偿器4的电信号，三是对接收信号进行处理，得出所需的结果。本发明的处理电路5如图5所示，主要由激励电路、加法电路、减法电路、控制电路、显示器和电源等部分组成。其中：激励电路、加法电路、减法电路以及显示器均与控制电路连接。激励电路为激励线圈3提供激励信号G，并在被测组织者产生涡流。加法电路负责处理接收器2检测到的两个横向磁场信号R_X和R_Y，并将两个横向磁场信号直接相加，得到总的横向磁场信号M_H，送入控制电路。减法器负责处理接收器2检测到的轴向磁场信号R_Z和补偿器4检测到的轴向磁场信号C_Z，并将两个信号相减，形成差动轴向磁场信号M_D，从而消除激励线圈3产生的轴向磁场信号对测量的影响，并将此轴向磁场信号M_D送入控制电路。控制电路将总的横向磁场信号M_H与差动轴向磁场信号M_D求和，得到最终的磁场信号，并在显示器上进行显示。该信号与生物组织的导电率直接相关，由此可以得到生物组织的导电特性，并可以实现不同生物组织的识别。

本发明的传感器采用电涡流方法和巨磁阻传感器实现生物组织电导率的非接触检测，并可探测前方一定距离的组织特性变化，可以满足临床手术要求，可广泛应用于各种外科手术导航或生物医学工程应用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种用于生物组织识别的电涡流传感器，其特征在于：该传感器由激励线圈、接收器、补偿器和处理电路组成；所述接收器和补偿器布置于激励线圈轴线位置，且激励线圈、接收器和补偿器均与处理电路相连；所述处理电路产生正弦信号通入激励线圈，在激励线圈的周围产生交变的主磁场，根据电涡流效应的基本原理，该主磁场会在被测的生物组织内部产生感应电涡流，从而产生次级磁场，接收器用于感测该次级磁场，并产生相应的电信号，该电信号将被送到处理电路进行处理，实现对不同生物组织的识别；补偿器用于修正激励线圈产生的轴向磁场的影响；所述的接收器采用三维巨磁阻传感器来同时检测三个方向的磁场变化，一个方向与激励线圈产生的磁场方向相同，两个方向与激励线圈产生的磁场方向垂直。

2.如权利要求1所述的用于生物组织识别的电涡流传感器，其特征在于：所述激励线圈采用扁平式环形线圈形式，激励线圈的外径保证传感器达到设定的探测距离。

3.如权利要求1所述的用于生物组织识别的电涡流传感器，其特征在于：所述的补偿器采用巨磁阻传感器来实现磁场检测，且补偿器被置于接收器的上方。

4.如权利要求3所述的用于生物组织识别的电涡流传感器，其特征在于：所述的补偿器采用一维巨磁阻传感器，其磁场检测方向与激励线圈产生的磁场方向相同。

5.如权利要求1-4任一项所述的用于生物组织识别的电涡流传感器，其特征在于：所述的处理电路由激励电路、加法电路、减法电路、控制电路、显示器和电源组成；其中：激励电路为激励线圈提供激励信号，并在被测组织者产生涡流；加法电路负责处理来自接收器的两个横向磁场信号，并将两个横向磁场信号直接相加，得到总的横向磁场信号，送入控制电路；减法器负责处理接收器检测到的轴向磁场信号和补偿器检测到的轴向磁场信号，并将两个信号相减，形成差动，从而消除激励线圈产生的轴向磁场信号对测量的影响，并将此差动轴向磁场信号送入控制电路；控制电路将总的横向磁场信号与差动轴向磁场信号求和，得到最终的磁场信号，并在显示器上进行显示。