CN103528495B - 一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，检测人体金属植入物是否正常，包含：设置在探测区域内的传感器阵列，与所述传感器阵列通过电路连接的激励与检测接收电路，与所述激励与检测接收电路通过电路连接的上位计算机；其中，所述探测区域用于放置已植入金属植入物的人体部位；所述传感器阵列包含若干个均匀分布在探测区域周围的电磁传感器，且所述若干个电磁传感器在同一平面内共圆。本发明还涉及一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测方法。本发明在不影响金属植入物正常使用的前提下，能够实现真正无接触的检测，并快速判断出人体内的金属植入物有无错位、脱落、变形、化学性质改变等异常情况发生，方便快速有效可靠。

Description

一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种对人体金属植入物的检测装置与检测方法，尤其是指一种基于电磁传感器的人体金属植入物的检测装置与检测方法，属于电磁传感技术领域。

背景技术

在现代医学领域中，人体金属植入物（如钢钉、钢板等）得到了大量广泛的应用，尤其是在骨伤的治疗与康复中起到了不可替代的作用。人体在植入金属物后，必须确保该金属植入物的植入位置和化学性质的稳定性，避免一些因不可抗因素而引起的金属植入物移位、脱落、变形、化学性质改变等问题。因此，首先需要解决的就是对该金属植入物的检测问题。

在已有的研究成果和实际应用中，对于人体金属植入物的检测几乎全部采用CT成像技术。CT技术是一种较为成熟的现有成像技术，其成像效果较好，能准确判断人体植入物的位置和状态。但CT设备非常复杂和昂贵，不便于一些金属植入物的患者在康复期间较频繁的测量。并且，由于CT成像检测采用的是放射技术，因此不可避免的会对被测人体造成一定的负面影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置与方法，在不影响金属植入物正常使用的前提下，能够实现真正无接触的检测，并快速判断出人体内的金属植入物有无错位、脱落、变形、化学性质改变等异常情况发生，方便快速有效可靠。

为实现上述目的，本发明提供一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，用于检测人体内的金属植入物是否处于正常状态，该检测装置包含：设置在探测区域内的传感器阵列，与所述传感器阵列通过电路连接的激励与检测接收电路，与所述激励与检测接收电路通过电路连接的上位计算机；其中，所述探测区域用于放置已植入金属植入物的人体部位；所述传感器阵列包含若干个均匀分布在探测区域周围的电磁传感器，且所述若干个电磁传感器在同一平面内共圆。

所述若干个电磁传感器均为螺旋电感传感器，由圆形线圈组成；该若干个电磁传感器的线圈绕线直径、绕制匝数、绕制方式和绕制密度均彼此相同。

所述电磁传感器的线圈绕线直径为0.1mm-10mm；线圈绕线匝数为3-200。

所述激励与检测接收电路包含激励电路和检测接收电路。

所述激励电路分别与若干个电磁传感器通过电路连接，依次分别对该若干个电磁传感器施加激励信号，使其他各个电磁传感器通过金属植入物形成互感检测信号。

所述激励电路采用数字频率合成器。

所述检测接收电路分别与若干个电磁传感器通过电路连接，依次分别接收与每个被激励的电磁传感器因金属植入物产生互感而在其他各个电磁传感器上所形成的互感检测信号。

所述检测接收电路采用多级增益放大电路。

所述上位计算机与所述检测接收电路之间通过USB数据传输线连接，其接收每个被激励的电磁传感器分别通过金属植入物与其他各个电磁传感器之间所产生互感检测信号，并与预先存储在该上位计算机中的互感标定信号进行对比，判定人体内的金属植入物是否处于正常状态。

本发明还提供一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测方法，具体包含以下步骤：

步骤1、在人体完成植入金属物手术之后，利用本发明所提供的检测装置对金属植入物进行标定检测；

步骤1.1、将已经植入金属物的人体部位放置入探测区域内，并记录此时人体部位在探测区域内的具体位置信息；

步骤1.2、采用分时复用循环检测的方式，依次测量两两电磁传感器之间的独立互感值，即使用激励电路依次对n个电磁传感器施加激励信号，并通过检测接收电路分别接收提取其余n-1个电磁传感器通过金属植入物而相应产生的互感检测信号；

步骤1.3、通过USB数据传输线，将上述检测接收到的互感检测信号传输至上位计算机中，作为标定值；

步骤1.4、上位计算机对上述接收到的标定值数据进行归一化处理，得到标准标定值数列；步骤2、在患者定期复查时，利用本发明的检测装置对金属植入物进行实时检测；

步骤2.1、将已经植入金属物的人体部位放置入探测区域内与术后标定检测时的相同位置处；

步骤2.2、采用分时复用循环检测的方式，依次测量两两电磁传感器之间的独立互感值，即使用激励电路依次对n个电磁传感器施加激励信号，并通过检测接收电路分别接收提取其余n-1个电磁传感器通过金属植入物而相应产生的互感检测信号；

步骤2.3、通过USB数据传输线，将上述检测接收到的互感检测信号传输至上位计算机中，作为测量值；

步骤2.4、上位计算机对上述接收到的测量值数据进行归一化处理，得到实时测量值数列；

步骤3、上位计算机计算标准标定值数列和此次实时测量值数列之间的累积误差；

当累积误差S的值大于预先设定的阈值时，则判定人体内的金属植入物已经发生移位、脱落、变形、化学性质改变等情况，需要立即采取进一步的校正手段；

当累积误差S的值小于等于预先设定的阈值时，则判定人体内的金属植入物正常。

综上所述，本发明所提供的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置与方法，与现有技术中的CT成像检测技术相比，其检测装置结构简单，实用方便，检测方法简单快速，极具可行性。并且，本发明能够实现在不接触人体、不影响金属植入物正常使用的前提下，方便快速的判断出人体内的金属植入物的工作状态是否正常，是否存在金属植入物移位、脱落、变形、化学性质改变等异常情况，从而为进一步的诊断治疗提供可靠信息。

附图说明

图1为本发明中基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置的原理图；

图2为本发明中电磁传感器的分布结构示意图；

图3为本发明中激励电路的电路框图；

图4为本发明中检测接收电路的电路框图。

具体实施方式

以下结合图1～图4，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明所提供的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置的原理图。该检测装置用于对人体金属植入物进行检测，其包含：设置在探测区域4内的传感器阵列1，与所述传感器阵列1通过电路连接的激励与检测接收电路2，与所述激励与检测接收电路2通过电路连接的上位计算机3；其中，所述探测区域4用于放置已植入金属植入物的人体部位。

其中，所述传感器阵列1包含若干个均匀分布在探测区域4周围的电磁传感器11，且所述若干个电磁传感器11在同一平面内共圆。如图2所示，在本发明的一个优选实施例中，所述传感器阵列1包含四个均匀分布在探测区域4周围的电磁传感器11，且所述四个电磁传感器11在同一平面内共圆。图2中分别显示在四个电磁传感器上的数字“1,2,3,4”是对该四个电磁传感器11的编号，以便于后续描述。该四个电磁传感器11均为螺旋电感传感器，由圆形线圈组成；该四个电磁传感器11的线圈绕线直径、绕制匝数、绕制方式和绕制密度均彼此相同，既可用于激励，同时也可用于检测。在本发明的一个优选实施例中，所述电磁传感器11的线圈绕线直径为0.1mm-10mm；线圈绕线匝数为3-200。

所述激励与检测接收电路2包含激励电路和检测接收电路。其中，所述激励电路分别与所述四个电磁传感器11通过电路连接，依次分别对该四个电磁传感器11施加激励信号，使每个被激励的电磁传感器11都能通过放置在检测区域4内的人体部位中的金属植入物，与其他各个用于检测的电磁传感器11之间产生互感，从而在其他各个用于检测的电磁传感器11上形成互感检测信号。

如图3所示，在本发明的一个优选实施例中，所述激励电路采用的是数字频率合成器（DDS），其向所述电磁传感器11施加的激励信号是由数字频率合成器以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的交流正弦信号。该DDS包含通过电路连接的数控振荡器21（NCO）和数模（D/A）转换器22；而所述数控振荡器21则包含通过电路连接的相位累加器211和幅度/相位转换器212。其中，所述相位累加器211在每来到一个时钟脉冲fCLK时，将输入的频率控制字与N位累加寄存器输出的累加相位数据进行累加运算，并传输至幅度/相位转换器212；所述幅度/相位转换器212是一个波形寄存器，以供正弦查表使用，根据输入的频率累加值，对应输出相应的数字波形幅度数据；所述数模转换器22将数控振荡器21产生的数字波形幅度数据高速、线性的转换为模拟幅度值，以生成用于激励所述电磁传感器11的激励信号。

所述检测接收电路分别与所述四个电磁传感器11通过电路连接，依次分别接收与每个被激励的电磁传感器11因金属植入物产生互感而在其他各个用于检测的电磁传感器11上所形成的互感检测信号。

如图4所示，在本发明的一个优选实施例中，所述检测接收电路采用的是多级增益放大电路，其包含依次连接的共四级放大器25，每级放大器25的输出端分别与多路选择器26连接，该多路选择器26根据被激励的电磁传感器和当前与该被激励的电磁传感器发生互感而形成互感检测信号的用于检测的电磁传感器之间的相对位置，利用FPGA控制信号对分别经过了一级、二级、三级和四级放大后的互感检测信号进行相应的增益选择，从而优化互感检测信号的提取质量，提高信噪比，并将该优化信噪比的互感检测信号通过USB数据传输线传输至上位计算机3中。

所述上位计算机3接收每个被激励的电磁传感器11分别通过金属植入物与其他各个用于检测的电磁传感器11之间所产生互感检测信号，并与预先存储在该上位计算机3中的互感标定信号进行对比，通过计算两者之间的累积误差，判定人体内金属植入物是否存在移位、脱落、变形、化学性质改变等情况，继而能够通知患者及时进行校正，有效避免情况继续恶化。

本发明所提供的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，其在实际使用过程中，具体检测方法如下所述。

步骤1、在人体完成植入金属物手术之后，利用本发明的检测装置对金属植入物进行标定检测；具体包含以下步骤：

步骤1.1、将已经植入金属物的人体部位放置入探测区域4内，并记录此时人体部位在探测区域4内的具体位置信息；

步骤1.2、采用分时复用循环检测的方式，依次测量两两电磁传感器之间的独立互感值，即使用激励电路依次对四个电磁传感器11施加激励信号，并通过检测接收电路分别接收提取其余各个电磁传感器11通过金属植入物而相应产生的互感检测信号；

本实施例中，能够依次得到共6组独立测量的互感检测信号数据，分别是：第1和第2电磁传感器之间的互感值、第1和第3电磁传感器之间的互感值、第1和第4电磁传感器之间的互感值、第2和第3电磁传感器之间的互感值、第2和第4电磁传感器之间的互感值、以及第3和第4电磁传感器之间的互感值；

步骤1.3、通过USB数据传输线，将上述检测接收到的互感检测信号传输至上位计算机3中，作为标定值；

步骤1.4、上位计算机3对上述接收到的标定值数据进行归一化处理，得到标准标定值数列。

步骤2、在患者定期复查时，利用本发明的检测装置对金属植入物进行实时检测；其具体操作方法和步骤1中所述的操作方法相同，具体包含以下步骤：

步骤2.1、将已经植入金属物的人体部位放置入探测区域4内与术后标定检测时的相同位置处；

步骤2.2、采用分时复用循环检测的方式，依次测量两两电磁传感器之间的独立互感值，即使用激励电路依次对四个电磁传感器11施加激励信号，并通过检测接收电路分别接收提取其余各个电磁传感器11通过金属植入物而相应产生的互感检测信号；

本实施例中，能够依次得到共6组独立测量的互感检测信号数据，分别是：第1和第2电磁传感器之间的互感值、第1和第3电磁传感器之间的互感值、第1和第4电磁传感器之间的互感值、第2和第3电磁传感器之间的互感值、第2和第4电磁传感器之间的互感值、以及第3和第4电磁传感器之间的互感值；

步骤2.3、通过USB数据传输线，将上述检测接收到的互感检测信号传输至上位计算机3中，作为测量值；

步骤2.4、上位计算机3对上述接收到的测量值数据进行归一化处理，得到实时测量值数列。

步骤3、上位计算机3计算标准标定值数列和此次实时测量值数列之间的累积误差；

当累积误差S的值大于预先设定的阈值时，则判定人体内的金属植入物已经发生移位、脱落、变形、化学性质改变等情况，需要立即采取进一步的校正手段；

当累积误差S的值小于等于预先设定的阈值时，则判定人体内的金属植入物正常。

综上所述，本发明所提供的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置与方法，与现有技术中的CT成像检测技术相比，其检测装置结构简单，实用方便，检测方法简单快速，极具可行性。并且，本发明能够实现在不接触人体、不影响金属植入物正常使用的前提下，方便快速的判断出人体内的金属植入物的工作状态是否正常，是否存在金属植入物移位、脱落、变形、化学性质改变等异常情况，从而为进一步的诊断治疗提供可靠信息。

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 (7)

1.一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，用于检测人体内的金属植入物是否处于正常状态，其特征在于，该检测装置包含：

设置在探测区域（4）内的传感器阵列（1），与所述传感器阵列（1）通过电路连接的激励与检测接收电路（2），与所述激励与检测接收电路（2）通过电路连接的上位计算机（3）；

其中，所述探测区域（4）用于放置已植入金属植入物的人体部位；

所述传感器阵列（1）包含若干个均匀分布在探测区域（4）周围的电磁传感器（11），且若干个所述电磁传感器（11）在同一平面内共圆；

所述若干个电磁传感器（11）均为螺旋电感传感器，由圆形线圈组成；该若干个电磁传感器（11）的线圈绕线直径、绕制匝数、绕制方式和绕制密度均彼此相同；

所述电磁传感器（11）的线圈绕线直径为0.1mm-10mm；线圈绕线匝数为3-200；

所述激励与检测接收电路（2）包含激励电路和检测接收电路。

2.如权利要求1所述的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，其特征在于，所述激励电路分别与若干个电磁传感器（11）通过电路连接，依次分别对该若干个电磁传感器（11）施加激励信号，使其他各个电磁传感器（11）通过金属植入物形成互感检测信号。

3.如权利要求2所述的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，其特征在于，所述激励电路采用数字频率合成器。

4.如权利要求2所述的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，其特征在于，所述检测接收电路分别与若干个电磁传感器（11）通过电路连接，依次分别接收与每个被激励的电磁传感器（11）因金属植入物产生互感而在其他各个电磁传感器（11）上所形成的互感检测信号。

5.如权利要求4所述的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，其特征在于，所述检测接收电路采用多级增益放大电路。

6.如权利要求4所述的基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置，其特征在于，所述上位计算机（3）与所述检测接收电路之间通过USB数据传输线连接，其接收每个被激励的电磁传感器（11）分别通过金属植入物与其他各个电磁传感器（11）之间所产生互感检测信号，并与预先存储在该上位计算机（3）中的互感标定信号进行对比，判定人体内的金属植入物是否处于正常状态。

7.一种基于电磁传感器的人体金属植入物检测方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

步骤1、在人体完成植入金属物手术之后，利用基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置对金属植入物进行标定检测；

步骤1.1、将已经植入金属物的人体部位放置入探测区域（4）内，并记录此时人体部位在探测区域（4）内的具体位置信息；

步骤1.2、采用分时复用循环检测的方式，依次测量两两电磁传感器之间的独立互感值，即使用激励电路依次对n个电磁传感器（11）施加激励信号，并通过检测接收电路分别接收提取其余n-1个电磁传感器（11）通过金属植入物而相应产生的互感检测信号；

步骤1.3、通过USB数据传输线，将上述检测接收到的互感检测信号传输至上位计算机（3）中，作为标定值；

步骤1.4、上位计算机（3）对上述标定值进行归一化处理，得到标准标定值数列；

步骤2、在患者定期复查时，利用基于电磁传感器的人体金属植入物检测装置对金属植入物进行实时检测；

步骤2.1、将已经植入金属物的人体部位放置入探测区域（4）内与术后标定检测时的相同位置处；

步骤2.2、采用分时复用循环检测的方式，依次测量两两电磁传感器之间的独立互感值，即使用激励电路依次对n个电磁传感器（11）施加激励信号，并通过检测接收电路分别接收提取其余n-1个电磁传感器（11）通过金属植入物而相应产生的互感检测信号；

步骤2.3、通过USB数据传输线，将上述检测接收到的互感检测信号传输至上位计算机（3）中，作为测量值；

步骤2.4、上位计算机（3）对测量值进行归一化处理，得到实时测量值数列；

步骤3、上位计算机（3）计算标准标定值数列和此次实时测量值数列之间的累积误差；

当累积误差S的值大于预先设定的阈值时，则判定人体内的金属植入物已经发生移位、脱落、变形、化学性质改变的情况，需要立即采取进一步的校正手段；

当累积误差S的值小于等于预先设定的阈值时，则判定人体内的金属植入物正常。