CN103405231B - 一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统及方法，其系统包括磁传感器阵列模块、传感器接口模块、信号调理模块、MCU控制模块、上位机、电源管理模块；磁传感器阵列模块包括高性能MI磁传感器、自适应校准电路和工作状态指示电路；传感器接口模块将传感器阵列的输出信号轮流传送到信号调理模块；信号调理模块将传感器阵列输出的微弱信号电压幅值进行放大、滤波。其方法：将磁传感器阵列模块、传感器接口模块放置于磁导率为400000的由80%铁镍合金制成的屏蔽室内；打开供电开关后系统硬件、系统运行程序初始化，打开上位机虚拟开关，系统建立通信、预热并复位所有的传感器；分别采集误差数据和正常数据，将数据上传至上位机进行处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种无损非接触生物信息采集技术，利用高性能磁传感器阵列获取生物体磁场信号。本发明属于生物医学工程中的生物信息采集技术领域。
背景技术
生物磁场中含有丰富的有关生物体内部器官和组织的信息。生物磁的产生之源有三大类：1、生物电磁场。生物体器官和组织在活动中会产生电子传递、离子转移、神经电活动等生物电的过程，这些生物电过程会产生生物电流，从而产生相应的微弱的生物磁场，如心磁场、脑磁场、神经磁场、肌磁场等。2、感应磁场。肝、脾等生物体组织是由“生物磁性材料”组成，在地磁场和其他外磁场的作用下产生的磁场就是感应磁场。3、剩余磁场。磁铁矿(Fe3O4)类的铁磁性物质的粉末、微粒通过食道进入胃、肠系统、通过呼吸道进入肺部等，这些磁性物质在外磁场的作用下被磁化，从而产生剩余磁场。
生物电是可兴奋细胞的电化学活动，而生物电又能产生生物磁，所以生物电能反映的生理信息，生物磁也可以反映。但生物磁反映的生理信息，生物电却不一定能够反映。所以生物磁在临床应用中具有明显的优势。脑磁信号与脑电信号相比，其优势在于：（1）脑磁信号采集无需参考点，无需与皮肤接触，不会出现伪差；（2）脑磁信号能直接反映脑内场源的活动状态，更能准确确定场源的强度和位置；（3）视觉诱发脑磁、听觉诱发脑磁等有很强的特异性，可以分辨出组织和功能上不同的细胞群体。用磁化肺磁信号减去去磁肺磁信号即得强磁性污染的剩余磁场在肺中的分布图，对于肺部职业病的诊断具有重要意义。视网膜磁信号采集不与受试者皮肤接触，避免了接触电位和参考点的问题，并能提供更多的信息。
生物磁场的强度一般都很微弱。地磁场强度约为10-4T，肺磁场强度约为10-11T至10-6T，心磁场强度约为10-10T，自发脑磁场强度为约10-12T，诱发脑磁场和视网膜磁场强度约为10-13T。微弱的生物磁场信号深埋在环境磁噪声之中，一般的探测仪器无法进行检测,随着科学技术的不断发展，问题逐步得到解决。1963年由美国锡拉丘兹大学的G.Balule和B.Mefee第一次利用200万匝的一组线圈记录到人体的心磁信号。目前，生物体磁场检测都是用超导量子干涉仪（SQUID，Superconducting Quantum Interference Device），其磁场检测灵敏度可达到10-16T。同时还具有检测频带宽、噪声低等优点。但是SQUID的应用必须在低温的环境下进行，通常采用液氦进行冷却。这使得SQUID的使用和维护价格昂贵。另外冷却装置的存在也使SQUID探头与人体之间有一定的距离，这对于提高分辨率也有一定的影响。
发明内容
所要解决的技术问题：针对以上问题本发明提供了一种价格低廉，日常维护费用低且简单的基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统及方法。
技术方案：针对以上不足本发明提供了一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统，其特征在于：包括磁传感器阵列模块、传感器接口模块、信号调理模块、MCU控制模块、上位机、电源管理模块；
所述的磁传感器阵列模块包括：传感器阵列和传感器外围电路；所述传感器阵列包括高性能MI（Magnetoimpedance）磁传感器；所述传感器外围电路包括自适应校准电路和工作状态指示电路；所述自适应校准电路可将磁传感器进行校准，恢复最佳性能；所述工作状态指示电路通过发光二极管的亮灭可判断系统是否正常运行；
所述的传感器接口模块包括：多路模拟信号切换电路及电路板上焊接弹性探针和标准接插件；所述多路模拟信号切换电路将传感器阵列的输出信号轮流传送到信号调理模块；所述弹性探针和高性能磁传感器阵列的输出引线相连接；标准的接插件直接与后端的信号调理模块相连，所有微弱信号走线的周围都由地线包围；
所述的信号调理模块包括：信号预处理模块和A/D转换电路；所述信号预处理模块包括前置可编程仪表放大电路、二级固定增益放大电路、低通滤波电路；前置可编程仪表放大电路和二级固定增益放大电路将传感器阵列输出的微弱信号电压幅值进行放大后经低通滤波电路滤除干扰信号；所述A/D转换电路，将模拟信号转换为数字信号；
所述的MCU控制模块包括：RS232串口通信电路和信号控制模块；所述RS232串口通信电路将A/D转换后的数字信号传送到上位机；所述信号控制模块包括多路模拟信号切换控制电路和A/D转换控制电路；
电源管理模块为整体系统供电。
所述前置可编程仪表放大电路将传感器阵列输出的微弱信号电压幅值放大至mV级；所述二级固定增益放大电路，放大倍数为100，输出电压幅值范围为：0.8～5V；所述低通滤波电路选用有源五阶低通滤波电路；所述A/D转换电路，采用高性能多通道16位A/D转换器。
所述的上位机指安装LABVIEW虚拟仪器开发软件的PC机，利用LabVIEW虚拟仪器开发软件进行编程接收RS232串口通信电路传来的数据，并对数据进行处理。
所述的电源管理模块包括变压电路和稳压电路；所述变压模块将220V交流电压转换电压转换为±12V直流电压；所述稳压模块将转换后的±12V直流电压转换为±5V直流电压，再将转换后的5V直流电压分别转换为1.8V、2.5V和3.3V电压；其中的±5V直流电压为前置可编程仪表放大电路、二级固定增益放大电路、低通滤波电路和A/D转换电路供电；1.8V为传感器供电；2.5V为自适应校准电路、工作状态指示电路供电；3.3V为MCU控制器供电。
所述系统还包括两个开关；一个是供电开关，控制整个系统的元器件是否工作，另一个为虚拟开关，位于上位机虚拟仪器开发的人机交互界面，控制何时开始建立通信并进行数据采集与处理。
根据所述系统的一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集方法，其特征在于：（1）将磁传感器阵列模块、传感器接口模块放置于磁导率为400000的由80%铁镍合金制成的屏蔽室内；（2）打开供电开关后系统硬件进行初始化然后系统运行程序初始化；（3）打开上位机软件打开虚拟开关，系统建立通信，预热系统并复位所有的传感器；（4）分别采集误差数据和正常数据，将数据上传至上位机进行处理。
有益效果：本发明提供的微弱生物磁信号采集系统是通过一种高性能MI磁传感器就能采集到微弱生物磁信号，该系统可室温使用且价格低廉，日常维护简单。
附图说明
图1为本发明系统的结构框图；
图2为本发明系统的具体结构原理图；
图3为本发明系统的硬件驱动流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1和2所示，本发明提供的一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统，包括磁传感器阵列模块、传感器接口模块、信号调理模块、MCU控制模块、上位机（PC机）、电源管理模块；
磁传感器阵列模块包括：传感器阵列和传感器外围电路；所述传感器阵列由高性能MI（Magnetoimpedance）磁传感器组成；所述传感器外围电路包括自适应校准电路和工作状态指示电路；所述自适应校准电路可将磁传感器进行校准，恢复最佳性能；所述工作状态指示电路通过发光二极管的亮灭可判断系统是否正常运行；
传感器接口模块包括：多路模拟信号切换电路及电路板上焊接弹性探针和标准接插件；所述多路模拟信号切换电路将传感器阵列的输出信号轮流传送到信号调理模块；所述弹性探针和高性能磁传感器阵列的输出引线相连接；标准的接插件可直接与后端的信号调理模块相连，所有微弱信号走线的周围都由地线包围；
信号调理模块包括：信号预处理模块和A/D转换电路；所述信号预处理模块包括前置可编程仪表放大电路、二级固定增益放大电路、低通滤波电路；前置可编程仪表放大电路和二级固定增益放大电路将传感器阵列输出的微弱信号电压幅值进行放大后经低通滤波电路滤除干扰信号；
所述前置可编程仪表放大电路将传感器阵列输出的微弱信号电压幅值放大至mV级；所述二级固定增益放大电路，放大倍数为100，输出电压幅值范围为：0.8～5V；所述低通滤波电路选用有源五阶低通滤波电路；所述A/D转换电路，采用高性能多通道16位A/D转换器。
MCU控制模块包括：RS232串口通信电路和信号控制模块；所述RS232串口通信电路将A/D转换后的数字信号传送到上位机；所述信号控制模块包括多路模拟信号切换控制电路和A/D转换控制电路；
上位机指安装LABVIEW虚拟仪器开发软件的PC机，利用LabVIEW虚拟仪器开发软件进行编程接收RS232串口通信电路传来的数据，并对数据进行处理。
整个系统电源管理模块包括变压电路和稳压电路；
所述变压模块将220V交流电压转换电压转换为±12V直流电压；
所述稳压模块将转换后的±12V直流电压转换为±5V直流电压，再将转换后的5V直流电压分别转换为1.8V、2.5V和3.3V电压；其中的±5V直流电压为前置可编程仪表放大电路、二级固定增益放大电路、低通滤波电路和A/D转换电路供电；1.8V为传感器供电；2.5V为自适应校准电路、工作状态指示电路供电；3.3V为MCU控制器供电；
所述系统包括两个开关；一个是供电开关，控制整个系统的元器件是否工作，另一个为虚拟开关，位于上位机虚拟仪器开发的人机交互界面，控制何时开始建立通信并进行数据采集与处理。
如图3所示，具体使用本发明系统时，将该系统的磁传感器阵列模块、传感器接口模块放置于磁导率为400000的由80%铁镍合金制成的屏蔽室内。首先打开供电开关后系统硬件进行初始化然后系统运行程序初始化；其次打开上位机软件打开虚拟开关，系统建立通信，预热系统并复位所有的传感器；然后分别采集误差数据和正常数据，将数据上传至上位机进行处理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统，其特征在于：包括磁传感器阵列模块、传感器接口模块、信号调理模块、MCU控制模块、上位机、电源管理模块；
所述的磁传感器阵列模块包括：传感器阵列和传感器外围电路；所述传感器阵列包括高性能MI（Magnetoimpedance）磁传感器；所述传感器外围电路包括自适应校准电路和工作状态指示电路；所述自适应校准电路可将磁传感器进行校准，恢复最佳性能；所述工作状态指示电路通过发光二极管的亮灭可判断系统是否正常运行；
所述的传感器接口模块包括：多路模拟信号切换电路及电路板上焊接弹性探针和标准接插件；所述多路模拟信号切换电路将传感器阵列的输出信号轮流传送到信号调理模块；所述弹性探针和高性能磁传感器阵列的输出引线相连接；标准的接插件直接与后端的信号调理模块相连，所有微弱信号走线的周围都由地线包围；
所述的信号调理模块包括：信号预处理模块和A/D转换电路；所述信号预处理模块包括前置可编程仪表放大电路、二级固定增益放大电路、低通滤波电路；前置可编程仪表放大电路和二级固定增益放大电路将传感器阵列输出的微弱信号电压幅值进行放大后经低通滤波电路滤除干扰信号；所述A/D转换电路，将模拟信号转换为数字信号；
所述的MCU控制模块包括：RS232串口通信电路和信号控制模块；所述RS232串口通信电路将A/D转换后的数字信号传送到上位机；所述信号控制模块包括多路模拟信号切换控制电路和A/D转换控制电路；
电源管理模块为整体系统供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统，其特征在于：
所述前置可编程仪表放大电路将传感器阵列输出的微弱信号电压幅值放大至mV级；所述二级固定增益放大电路，放大倍数为100，输出电压幅值范围为：0.8~5V；所述低通滤波电路选用有源五阶低通滤波电路；所述A/D转换电路，采用高性能多通道16位A/D转换器。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统，其特征在于：所述的上位机指安装LABVIEW虚拟仪器开发软件的PC机，利用LabVIEW虚拟仪器开发软件进行编程接收RS232串口通信电路传来的数据，并对数据进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统，其特征在于：
所述的电源管理模块包括变压电路和稳压电路；变压模块将220V交流电压转换电压转换为±12V直流电压；稳压模块将转换后的±12V直流电压转换为±5V直流电压，再将转换后的5V直流电压分别转换为1.8V、2.5V和3.3V电压；其中的±5V直流电压为前置可编程仪表放大电路、二级固定增益放大电路、低通滤波电路和A/D转换电路供电；1.8V为传感器供电；2.5V为自适应校准电路、工作状态指示电路供电；3.3V为MCU控制器供电。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集系统，其特征在于：
还包括两个开关；一个是供电开关，控制整个系统的元器件是否工作，另一个为虚拟开关，位于上位机虚拟仪器开发的人机交互界面，控制何时开始建立通信并进行数据采集与处理。
6.根据权利要求1所述系统的一种基于磁传感器的微弱生物磁信号采集方法，其特征在于：（1）将磁传感器阵列模块、传感器接口模块放置于磁导率为400000的由80%铁镍合金制成的屏蔽室内；（2）打开供电开关后系统硬件进行初始化然后系统运行程序初始化；（3）打开上位机软件打开虚拟开关，系统建立通信，预热系统并复位所有的传感器；（4）分别采集误差数据和正常数据，将数据上传至上位机进行处理。
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