CN105167771B - 基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置，将骨组织看作磁信号传输通路，通过记录和分析动态磁激励离子谱和生物磁信号的分布情况，结合麦克斯韦方程，反演骨组织的内部结构情况；所述装置采用宽频磁信号作为激励信号测量动态磁激励离子谱，结合有源、无源方式局部屏蔽环境磁场干扰提高检测精度，抑自感式磁场检测探头减少激励磁场直接耦合到磁场接收单元的量以提高检测分辨率，且无需磁体实现垂直极化，可实现小型化、低功耗、低成本、高精度的骨组织无创检测。

Description

基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置

技术领域

本发明涉及电磁学、医疗检测等技术领域，具体涉及基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置。

背景技术

骨科是各大医院最常见的科室之一,常见病包括：骨病、骨质增生、骨折、骨质疏松、关节炎、颈椎病等。常用无创检测方法包括：X射线检查、电子计算机断层扫描（ComputedTomograhy，下文简称“CT”）和核磁共振成像技术（Magnetic Resonance Imaging， 下文简称“MRI”）。其中前两种检测方法，可检测骨骼、软组织，均采用X射线作为检测信号，存在一定的放射性污染，对人体、环境有害，且体积大、造价昂贵，不适合大范围使用。

相对于前两种检测方法，MRI对骨组织的检测更全面，精度更高，能很好地显示软组织如：骨髓、脂肪、肌肉、骨腱、韧带和软骨以及病变如：肿块、坏死、出血和水肿等。MRI采用磁信号作为检测信号，其存在无放射污染，对人无害等优点。MRI的分辨率与磁体的磁场强度密切相关，磁场强度越大，分辨率越高。MRI磁体实现方式主要有两种：超导磁体和永磁体，现有技术以前者为主。超导磁体需采用液氮实现低温超导，具有技术难度大、制造成本高、维护费用高、体积大等问题。另外永磁体虽然也可达到较高的磁场强度，但是磁体体积庞大，且磁场均匀度难以保证。因此MRI设备功耗大、体积大、造价昂贵、检查费用高，不适合大范围使用。

有鉴于此，本发明提出基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置，采用宽频动态磁信号作为激励信号以测量各种离子、离子团的感应磁场的频谱特性，结合有源、无源方式局部屏蔽环境磁场干扰以提高检测精度，采用抑自感式磁场检测探头减少激励磁场直接耦合到磁场接收单元的量以提高检测分辨率，且无需磁体，可极大地减少装置体积、功耗以及造价。相对于现有的MRI系统,本发明具有体积小、精度高、功耗低、成本低、使用灵活等优点，可作为现有MRI检测的一种有效的补充方法，广泛用于医疗检测、工业检测等领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有骨组织检测技术的不足，将信息技术、电磁学原理有机地结合在一起，提出基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置，具体原理如下：

从微观的角度看,生物组织均由分子、原子、离子组成。在生物组织中存在各种离子、离子基团，其质量、带电量、极性各不相同。根据麦克斯韦方程，离子在外磁场激励下，受洛仑兹力的作用转动，产生感应磁场。相对于电子来说，离子由于带有原子核，质量大很多（电子的质量比原子核小好几个数量级，通常可以忽略不计）,转动速度要慢很多。上述离子感应磁场的频率特性由转动速度成正比关系，因此相比于电子，离子感应磁场的频率小好几个量级，故本专利技术相对于MRI技术(以裸氢核的共振频率为例约400MHz），装置的数据采集难度大大降低，极大地降低硬件设计难度。

离子的质量由其结构所决定，其大小决定其感应磁场的频率特性。从整体上看，生物组织所含各种离子质量各不相同，因此该感应磁场是一个宽频信号，频谱范围可从几赫兹到几十兆赫兹。同时离子的极性和带电量决定了感应磁场的方向和大小。上述离子感应磁场的频谱特性，含频率特性、方向和大小，简称为“动态磁激励离子谱”，均由离子的本质属性决定。

骨组织含有不同的组织，包括骨质、肌肉、韧带、骨髓、骨膜、脂肪等，由于不同组织所含的主要离子成分有所差异，例如：骨质中富含钙离子（Ca²⁺）；红骨髓、骨膜中富含毛细血管、血红细胞，因此其富含亚铁离子（Fe²⁺）、钾离子（K⁺）、钠离子（Na⁺）等。因此通过分析和记录各种动态磁激励离子谱分布情况，结合麦克斯韦方程可反演出各种离子在人体内部的分布情况，实现人体内部的无创检查，包括被骨质完全包裹的骨髓。

另外肌肉、韧带上面富含丰富的神经，在骨运动时，由于神经上传导的生物电的传播，产生生物磁信号，并根据此磁信号可测得由于肌肉、韧带损伤产生的恒定磁场或者慢变化磁场，属于低频信号，频率范围是几赫兹到百赫兹以下。

此外，人体的磁场的强度（例如：心磁10^-6高斯、骨胳肌磁10^-8高斯、脑磁10^-9高斯）相对于地磁场的强度（5*10^-1高斯）、城市电磁干扰（5*10^-3高斯）比较微弱，因此需要屏蔽环境磁场干扰，以提升检测精度。同时动态磁激励离子谱、生物磁信号相对于激励磁场是一种微弱信号，因此需要抑制自感，减少由于激励磁场直接耦合到接收装置的磁场强度，以保证检测分辨率。

综上所述，本发明将骨组织看作磁信号的传输通路，通过记录磁场（含：动态磁激励离子谱、生物磁信号）的分布情况，结合麦克斯韦方程，反演出骨组织的内部结构情况。本发明以宽频磁信号作为检测信号，采用有源/无源局部磁屏蔽结构、抑自感式磁场检测探头，实现高精度、小型化的骨组织无创检测。

为了达到以上目的，本发明所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置由局部磁场屏蔽罩101、抑自感式检测前端102、信号处理端103三部分组成。其中局部磁场屏蔽罩101构成整个装置的外壳，负责环境磁场干扰；抑自感式检测前端102放置在在局部磁场屏蔽罩101的内部，负责宽频检测磁信号的发射和磁感应信号的接收；信号处理端103可以是一台远程计算机或者服务器，负责控制信息的产生和接收磁感应信号的存储和分析处理；三个部分之间通过无线或者有线方式相连接，如图1所示。

其中，基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置的局部磁场屏蔽罩101负责屏蔽环境磁场的干扰，包括无源屏蔽罩201、有源柔性PCB屏蔽罩202、通信单元203、控制单元204，如图2所述。其中，所述的无源屏蔽罩201是一个由高磁导率硬性材料制成的筒状体，也可根据所检测的骨的形状的不同制作成各种形状；有源柔性PCB屏蔽罩202在无源屏蔽罩的内部，其作用在于进一步屏蔽环境磁场；通信单元203在无源屏蔽罩的外部，与控制单元204相连接，负责实现与抑自感式检测前端102、信号处理端103的通信，可采用有线或者无线通信模式；控制单元204负责根据抑自感式检测前端102经通信单元203所反馈的磁场接收信息，独立调节上述有源柔性PCB屏蔽罩202上的各个金属线圈的电流，将环境磁场抵消到更低的水平，以保证探测精度，其包含电源单元、处理器和功率放大单元。

上述有源柔性PCB屏蔽罩202，如图3所示，由多层柔性PCB板301组成，每层柔性PCB板上布有不同宽度、长度和间距的曲折金属线302，以提供电流的通路。每层的金属线可互相垂直、平行以及成一定角度。层间用按照一定顺序排列的短路线303连接，将各层金属线连接起来，组成多个立体金属线圈。金属线圈可与筒状体的横切面成一定角度或分布在筒状体的内表面上，且每个线圈独立供电。

所述基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置的抑自感式检测前端102负责宽频检测磁信号的发射和磁感应信号的接收，包括抑自感式磁场探头阵列401、信号收发单元402、扫描单元403、通信单元404和电源单元405，如图4所述。其中，抑自感式磁场探头阵列401主要负责磁场信号的发射和接收，其结构如图5所示，每个阵元包括多个磁场发射线圈501和多个磁敏接收单元502，它们按照一定的方式排列在一个平面上，其中每个磁场发射线圈501通以频率、幅度、相位不同的交流电或者直流电，用于发射宽频检测磁信号，同时综合调整各个磁场发射线圈501的位置以及电流的幅度和相位，使得磁敏接收单元502处在与磁场发射线圈所产生的磁场的相对正交的位置，以保证磁场发射线圈所发射的激励磁场直接耦合到磁敏接收单元的量最小，从而提高检测的分辨率，同时此结构无需磁体实现垂直极化，可有效地减少装置的整体尺寸；每个磁敏接收单元502用于接收磁感应信号，并转化为电信号；信号收发单元402与抑自感式磁场探头阵列401相连接，负责磁场发射线圈上的电信号的产生和磁敏接收单元上接收电信号的预处理，其由处理器、功率放大单元、低噪放大单元、存储单元组成；扫描单元403负责在信号收发单元402的控制下,驱动抑自感式磁场探头阵列401运动，使得后者能遍历局部磁场屏蔽罩101内部的整个骨组织数据采集区域，其由处理器、步进电机组成；通信单元404与信号收发单元402相连接，负责实现与局部磁场屏蔽罩101、信号处理端103的通信，可采用有线或者无线通信模式；电源单元405负责对抑自感式检测前端102各个功能模块的供电，可采用有线电源或者电池实现。

所述基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置的信号处理端103可以是计算机、网络云处理终端及他移动计算设备（例如：智能手机），负责控制信息的产生和接收磁感应信号的存储和分析处理，包括通信单元601、数据分析单元602、显示单元603、人机交互单元604、处理单元605、存储单元606及电源单元，如图6所示。其中通信单元601负责与局部磁场屏蔽罩101、抑自感式检测前端102之间数据和控制信息的传输，可采用有线或者无线通信模式；上述抑自感式检测前端102中的磁敏接收单元502所接收的磁感应信号，通过抑自感式检测前端102和信号处理端103各自的通信单元传输到数据分析单元602；数据分析单元602负责对上述接收磁感应信号进行频谱特性分析、时域特性分析、电磁特性反演；显示单元603负责数据频谱特性、时域特性、电磁特性的二维、三维显示，控制信息的显示；人机交互单元604负责提供人机交互的界面和外设，用于发射信号参数、控制参数、采集数据参数和成像显示方式的设置；处理单元605负责整个信号处理端103各个功能模块的调度和数据的控制；存储单元606负责发射信号参数、控制参数、采集数据参数、磁敏接收单元所接收磁信号数据和分析结果的存储；电源单元负责整个信号处理端103各个单元、器件的供电，可采用有线电源、无线电源或者电池。

本发明的另一目的在于提出基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法，具体实现步骤如下（如图7所述）：

步骤1：样本数据采集。采集样本数据包括以下步骤：

1.1单离子团样本数据采集。将各种单一离子溶液注入到模具中，并记录其动态磁激励离子谱作为样本数据，以作为装置重要校准数据，用于训练装置的算法和精度。

1.2人体样本数据采集。数据类型包括不同年龄段、不同性别、不同身体状况、不同部位的骨组织、不同的病症情况，并建立特征库。样本数据用于训练本发明装置，并将数据存储于信号处理端的存储单元中，作为检测过程中骨组织的组织成分和伤损识别的参考依据，以提高检测的精度和速度。

以上步骤仅供训练装置用，训练完成后，每次检测可直接从步骤2开始。

步骤2：检查前准备。在进行检查前先进行以下准备步骤：

2.1系统参数设置。检测人员通过信号处理端的人机交单元,设置装置的控制参数。控制参数包括：通信单元参数、抑自感式磁场探头阵列的发射信号参数(含：扫频范围、幅度、相位)、接收信号参数、数据分析参数、显示参数、最小环境磁场阈值参数，最小自感磁场阈值参数。

2.2装置各组成部分状态自动检测。检测内容包括：局部磁场屏蔽罩、抑自感式检测前端、信号处理端三者内部各个单元、模块的连接情况，即三者之间的通信单元的连接状态。

2.3检测前PCB屏蔽罩校准。具体过程如下：在无检测物的情况下，将抑自感式检测前端的抑自感式磁场探头阵列上的磁敏接收单元在扫描单元的驱动下检查局部磁场屏蔽罩内部磁场分布情况，并将接收数据传输到信号处理端进行处理。根据信号处理端的分析结果，经通信单元传输控制指令到局部磁场屏蔽罩，控制单元反馈的磁场接收信息，调节有源柔性PCB屏蔽罩上的各个金属线圈的电流，将环境磁场抵消到更低的水平。此步骤需重复多次，直到磁敏接收单元所接收的磁场低于步骤2.1所设置的最小环境磁场阈值参数，并将此时内部磁场分布情况记录下来，作为校准数据。此步骤的作用在于采用有源屏蔽的方法，将环境磁场的干扰降到最小，提高检测的精度。

2.4 检测前抑自感式探头阵列校准。具体过程如下，抑自感式磁场探头阵列上的磁场发射线圈发射宽频信号，并通过磁敏接收单元接收磁场信号，将数据传输到信号处理端进行处理。根据信号处理端的分析结果，经通信单元传输控制指令到抑自感式监测前端，控制磁场发射线圈的电流，使得磁敏接收单元接收到的激励磁场直接耦合到磁敏接收单元的量最小。此步骤需重复多次，直到磁敏接收单元所接收的磁场低于步骤2.1所设置的最小自感磁场阈值参数，并将此时内部磁场分布情况记录下来，作为校准数据。

步骤3：检测数据采集。本步骤需采集两种磁信号，包括生物磁信号和动态磁激励离子谱，将装置穿戴在被检测者需检查的部位，然后进行如下操作：

3.1 生物磁信号数据采集。抑自感式检测前端的通信单元接收信号处理端的控制信息，通过磁敏接收单元接收生物磁信号。所接收的生物磁信号传输至信号收发单元作预处理，然后经通信单元把数据传输到信号处理端，接收磁信号在信号处理端中经过信号处理和数据分析，将结果保存在存储单元中，然后抑自感式磁场探头阵列在扫描单元的驱动下移动，重复上述过程直至所有被检测区域的数据采集结束。此步骤的目的在于记录骨组织生物磁信号，作骨组织上的肌肉、韧带上伤损分析。

3.2动态磁激励离子谱数据采集。抑自感式磁场检测前端通信单元接收信号处理端的控制信息，信号收发单元产生相应的发射电信号，并通过抑自感式磁场探头阵列的磁场发射线圈向被检测部位发射宽频磁信号，并通过磁敏接收单元接收感应磁场信号。所接收的感应磁场信号传输至信号收发单元作预处理，然后经通信单元把数据传输到信号处理端。接收磁信号在信号处理端中经过信号处理和数据分析，将结果保存在存储单元中，然后抑自感式磁场探头阵列在扫描单元的驱动下移动，重复上述过程直至所有被检测区域的数据采集结束。然后上述所采集的数据与步骤3.1所采集的数据比较分析，以软抑制的方式屏蔽生物磁信号在进行动态激励离子谱检测时的干扰，以此步骤的目的在于记录骨组织在动态磁激励离子谱的分布情况，用于反演其内部结构情况。

步骤4：接收数据分析及显示。

进行了步骤3的各个步骤后，信号处理端将从抑自感式检测前端所采集的磁信号进行提取，并根据人机交互单元的输入命令进行频谱特性分析、时域特性分析、电磁特性反演和成像显示。

本发明所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置,具有如下优点：

1）本发明以动态磁激励离子谱作为检测目标，相比于电子，离子感应磁场的频率小好几个量级。因此相对于MRI技术，本发明可大大降低数据采集难度及硬件设计难度。

2）本发明采用有源和无源方式局部屏蔽环境磁场干扰，采用抑自感式探头提高装置的分辨率，且无需磁体实现垂直极化，可极大地减少装置体积、功耗以及造价。因此相对于现有的MRI设备，本发明在保证检测精度的条件下，体积更小、功耗更低、成本更低、使用更灵活。

3）本发明分别采集生物磁信号和动态磁激励离子谱，既可对肌肉、韧带实现伤损分析，又可检查骨组织的内部结构，可实现对全面的骨组织检查，包括在被骨质完全包裹得骨髓，属于一种无创、非损伤性技术，可广泛应用于医疗与工业检测领域。

4）本发明采用磁场作为检测对象，可在非接触的条件下实现检查，避免由于与被检查者身体的直接接触产生的电磁干扰。同时相对于生物电测量，磁场的探头，可分辨到几毫米尺寸的电磁变化，精度更高；磁场探头能测得交变和恒定的磁场，适应范围更广。

综上，本发明具有对人无害、非接触式、体积小、精度高、功耗低、使用灵活等优点，是现有医疗检查方法的一种有效补充，同时适当地加以改造可广泛用于工业检测及其它领域。

附图说明

图1为本发明所述基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置结构图；

图2为本发明所述局部磁场屏蔽罩的结构图；

图3 为本发明所述有源柔性PCB屏蔽罩的示意图；

图4 为本发明所述抑自感式检测前端的结构图；

图5 为本发明所述抑自感式磁场探头阵列的示意图；

图6 为本发明所述信号处理端的结构图；

图7 为本发明的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法的流程图。

具体实施方式

本发明将电磁学、信息学和医疗检测等技术有机地结合在一起，根据骨组织上不同组织的动态磁激励离子谱的分布情况，实现骨组织结构的无创检测。下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1-图7为本发明的一种具体实施方式。

本发明所述基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置的结构图如图1所示，其由局部磁场屏蔽罩101、抑自感式检测前端102、信号处理端103三部分组成，三个部分之间通过无线或者有线方式相连接。其中局部磁场屏蔽罩101构成整个装置的外壳，负责屏蔽环境磁场干扰。抑自感式检测前端102放置在局部磁场屏蔽罩101的内部，负责宽频检测磁信号的发射和磁感应信号的接收。信号处理端103可以是一台远程计算机或者服务器，负责控制信息的产生和接收磁感应信号的存储和分析处理。

本发明的局部磁场屏蔽罩101，如图2所示。其中，无源屏蔽罩201是一个由高磁导率硬性材料（例如：坡莫合金、硬磁铁等）制成的筒状体，也可根据所检测的骨的形状的不同制作成各种形状（如：用于手臂、腿部检测的小圆筒状；用于头部检测的头盔状；用于腰部、骨盆检测的椭圆筒状）。有源柔性PCB屏蔽罩202在无源屏蔽罩的内部，其作用在于进一步屏蔽环境磁场。通信单元203在无源屏蔽罩的外部，与控制单元204相连接，负责实现与抑自感式检测前端102、信号处理端103的通信，可采用有线或者无线通信模式。控制单元204负责根据抑自感式检测前端102经通信单元203所反馈的磁场接收信息，独立调节上述有源柔性PCB屏蔽罩202上的各个金属线圈的电流，将环境磁场的抵消到更低的水平，以保证探测精度，其包含电源单元、处理器和功率放大单元。

上述局部磁场屏蔽罩101，其中所述有源柔性PCB屏蔽罩202，如图3所示，由多层柔性PCB板301组成，每层柔性PCB板上布有不同宽度、长度和间距的曲折金属线302，以提供电流的通路。每层的金属线可互相垂直、平行以及成一定角度。层间用按照一定顺序排列的短路线303连接，将各层金属线连接起来，组成多个立体金属线圈。金属线圈可与筒状体的横切面成一定角度或分布在筒状体的内表面上（如：筒状体内表面均匀分布的曲折线圈；在筒状体横截面上的线圈；在与筒状体横截面成一定角度的线圈，或者这些类型线圈的一种复合连接），且每个线圈独立供电。

本发明的抑自感式检测前端102，如图4所示。其中抑自感式磁场探头阵列401主要负责磁场信号的发射和接收。信号收发单元402与抑自感式磁场探头阵列401相连接，负责磁场发射线圈上的电信号的产生和磁敏接收单元上接收电信号的预处理，其由处理器、功率放大单元、低噪放大单元、存储单元组成。扫描单元403负责在信号收发单元402的控制下,驱动抑自感式磁场探头阵列401运动，使得后者能遍历的局部磁场屏蔽罩101内部的整个骨组织数据采集区域，其由处理器、步进电机组成。通信单元404与信号收发单元402相连接，负责实现与局部磁场屏蔽罩101、信号处理端103的通信，可采用有线或者无线通信模式。电源单元405负责对抑自感式检测前端102各个功能模块的供电，可采用有线电源或者电池实现。

上述抑自感式检测前端102，其中所述的抑自感式磁场探头阵列401，如图5所示，每个阵元包括多个磁场发射线圈501和多个磁敏接收单元502，它们按照一定的方式排列在一个平面上。每个磁场发射线圈501通以频率、幅度、相位不同的交流电或者直流电，用于发射宽频检测磁信号。同时综合调整各个磁场发射线圈501的位置以及电流的幅度和相位，使得磁敏接收单元502处在与磁场发射线圈所产生的磁场的相对正交的位置，以保证磁场发射线圈所发射的激励磁场直接耦合到磁敏接收单元的量最小，从而提高检测的分辨率，同时此结构无需磁体实现垂直极化，可有效地减少装置的整体尺寸。每个磁敏接收单元502用于接收磁感应信号，并转化为电信号；

本发明的信号处理端103，如图6所示。其中，通信单元601负责与局部磁场屏蔽罩101、抑自感式检测前端102之间数据和控制信息的传输，可采用有线或者无线通信模式。上述抑自感式检测前端102中的磁敏接收单元502所接收的磁感应信号，通过抑自感式检测前端102和信号处理端103各自的通信单元传输到数据分析单元602；数据分析单元602负责对上述接收磁感应信号进行频谱特性分析、时域特性分析、电磁特性反演。显示单元603负责数据频谱特性、时频特性、电磁特性的二维、三维显示，控制信息的显示。人机交互单元604负责提供人机交互的界面和外设，用于发射信号参数、控制参数、采集数据参数和成像显示方式的设置。处理单元605负责整个信号处理端103各个功能模块的调度和数据的控制。存储单元606负责发射数据参数、控制参数、采集数据参数、磁敏接收单元所接收磁信号数据和分析结果的存储。电源单元负责整个信号处理端103各个单元、器件的供电，可采用有线电源、无线电源或者电池。

本实施例的具体操作步骤如下（如图7所述）：

步骤1：样本数据采集。采集样本数据包括以下步骤：

1.1单离子团样本数据采集。将各种单一离子溶液注入到模具中，并记录其动态磁激励离子谱作为样本数据，以作为装置重要校准数据，用于训练装置的算法和精度。

1.2人体样本数据采集。数据类型包括不同年龄段、不同性别、不同身体状况、不同部位的骨组织、不同的病症情况，并建立特征库。样本数据用于训练本发明装置，并将数据存储于信号处理端的存储单元中，作为检测过程中骨组织的组织成分和伤损识别的参考依据，以提高检测的精度和速度。

以上步骤仅供训练装置用，训练完成后，每次检测可直接从步骤2开始。

步骤2：检查前准备。在进行检查前先进行以下准备步骤：

2.1系统参数设置。检测人员通过信号处理端的人机交单元,设置装置的控制参数。控制参数包括：通信单元参数、抑自感式磁场探头阵列的发射信号参数(含：扫频范围、幅度、相位)、接收信号参数、数据分析参数、显示参数、最小环境磁场阈值参数、最小自感磁场阈值参数。

2.2装置各组成部分状态自动检测。检测内容包括：局部磁场屏蔽罩、抑自感式检测前端、信号处理端三者内部各个单元、模块的连接情况，即三者之间的通信单元的连接状态；

2.3检测前PCB屏蔽罩校准。具体过程如下：在无检测物的情况下，将抑自感式检测前端的抑自感式磁场探头阵列上的磁敏接收单元在扫描单元的驱动下检查局部磁场屏蔽罩内部磁场分布情况，并将接收数据传输到信号处理端进行处理。根据信号处理端的分析结果，经通信单元传输控制指令到局部磁场屏蔽罩，控制单元反馈的磁场接收信息，调节有源柔性PCB屏蔽罩上的各个金属线圈的电流，将环境磁场抵消到更低的水平。此步骤需重复多次，直到磁敏接收单元所接收的磁场低于步骤2.1所设置的最小环境磁场阈值参数，并将此时内部磁场分布情况记录下来，作为校准数据。此步骤的作用在于采用有源屏蔽的方法，将环境磁场的干扰降到最小，提高检测的精度。

2.4 检测前抑自感式探头阵列校准。具体过程如下，抑自感式磁场探头阵列上的磁场发射线圈发射宽频信号，并通过磁敏接收单元接收磁场信号，将数据传输到信号处理端进行处理。根据信号处理端的分析结果，经通信单元传输控制指令到抑自感式监测前端，控制磁场发射线圈的电流，使得磁敏接收单元接收到的激励磁场直接耦合到磁敏接收单元的量最小。此步骤需重复多次，直到磁敏接收单元所接收的磁场低于步骤2.1所设置的最小自感磁场阈值参数，并将此时内部磁场分布情况记录下来，作为校准数据。

步骤3：检测数据采集。本步骤需采集两种磁信号，包括生物磁信号和动态磁激励离子谱，将装置穿戴在被检测者需检查的部位，然后进行如下操作：

3.1 生物磁信号数据采集。抑自感式检测前端的通信单元接收信号处理端的控制信息，通过磁敏接收单元接收生物磁信号。所接收的生物磁信号传输至信号收发单元作预处理，然后经通信单元把数据传输到信号处理端，接收磁信号在信号处理端中经过信号处理和数据分析，将结果保存在存储单元中，然后抑自感式磁场探头阵列在扫描单元的驱动下移动，重复上述过程直至所有被检测区域的数据采集结束。此步骤的目的在于记录骨组织生物磁信号，作骨组织上的肌肉、韧带上伤损分析。

3.2动态磁激励离子谱数据采集。抑自感式磁场检测前端通信单元接收信号处理端的控制信息，信号收发单元产生相应的发射电信号，并通过抑自感式磁场探头阵列的磁场发射线圈向被检测部位发射宽频磁信号，并通过磁敏接收单元接收感应磁场信号。所接收的感应磁场信号传输至信号收发单元作预处理，然后经通信单元把数据传输到信号处理端。接收磁信号在信号处理端中经过信号处理和数据分析，将结果保存在存储单元中，然后抑自感式磁场探头阵列在扫描单元的驱动下移动，重复上述过程直至所有被检测区域的数据采集结束。然后上述所采集的数据与步骤3.1所采集的数据比较分析，以软抑制的方式屏蔽生物磁信号在进行动态激励离子谱检测时的干扰，此步骤的目的在于记录骨组织在动态磁激励离子谱的分布情况，用于反演其内部结构情况。

步骤4：接收数据分析及显示。

进行了步骤3的各个步骤后，信号处理端将从抑自感式检测前端所采集的磁信号进行提取，并根据人机交互单元的输入命令进行频谱特性分析、时域特性分析、电磁特性反演和成像显示。

Claims (7)

1.基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法，其特征在于根据骨组织中不同组织所含的离子成分的差异，采用宽频动态磁信号作为激励信号以测量各种离子的动态磁激励离子谱,包含测量感应磁场的频率特性、方向和大小，结合麦克斯韦方程反演各种离子的分布情况；同时记录无激励状态下的生物磁信号。

2.根据权利要求1所述方法的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置，其特征在于包括局部磁场屏蔽罩、抑自感式检测前端、信号处理端；其中局部磁场屏蔽罩构成整个装置的外壳，负责屏蔽环境磁场干扰；抑自感式检测前端放置在在局部磁场屏蔽罩的内部，负责宽频检测磁信号的发射和磁感应信号的接收；信号处理端可以是一台远程计算机或者服务器，负责控制信息的产生和接收磁感应信号的存储和分析处理；所述局部磁场屏蔽罩、抑自感式检测前端、信号处理端三个部分之间通过无线或者有线方式相连接；装置采用有源、无源方式局部屏蔽环境磁场干扰以提高检测精度，采用抑自感式磁场检测探头减少激励磁场直接耦合到磁场接收单元的量以提高检测分辨率，且无需磁体实现垂直极化。

3.根据权利要求2所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置，其特征在于所述的局部磁场屏蔽罩，包括无源屏蔽罩、有源柔性PCB屏蔽罩、通信单元、控制单元；

上述的无源屏蔽罩是由高磁导率硬性材料制成的一个筒状体，或者根据所检测的骨的形状的不同制作成其他形状；

上述有源柔性PCB屏蔽罩在无源屏蔽罩的内部，其作用在于进一步屏蔽环境磁场；

上述通信单元在无源屏蔽罩的外部，与控制单元相连接，负责实现与抑自感式检测前端、信号处理端的通信，可采用有线或者无线通信模式；

上述控制单元负责根据抑自感式检测前端通过通信单元所反馈的磁场接收信息，独立调节上述有源柔性PCB屏蔽罩上的各个金属线圈的电流，将环境磁场的抵消到更低的水平，以保证探测精度，其包含电源单元、处理器和功率放大单元。

4.根据权利要求3所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置，其特征在于所述的有源柔性PCB屏蔽罩，由多层柔性PCB板组成，每层柔性PCB板上布有不同宽度、长度和间距的曲折金属线，以提供电流通路；每层的金属线可相互垂直、平行或成一定角度；层间用按照一定顺序排列的短路线连接，将各层金属线连接起来，组成多个立体金属线圈；金属线圈可与筒状体的横切面成一定角度或分布在筒状体的内表面上，且每个线圈独立供电。

5.根据权利要求2所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置，其特征在于所述的抑自感式检测前端，包括抑自感式磁场探头阵列、信号收发单元、扫描单元、通信单元和电源单元；

上述抑自感式磁场探头阵列主要负责磁场信号的发射和接收；所述阵列每个阵元包括多个磁场发射线圈和多个磁敏接收单元，它们按照一定的方式排列在一个平面上；每个磁场发射线圈用于发射宽频检测磁信号；同时调整各个磁场发射线圈的位置和电流，以保证磁场发射线圈所发射的激励磁场直接耦合到磁敏接收单元的量最小，提高检测的分辨率，同时此结构无需磁体实现垂直极化，可有效地减少装置的整体尺寸；每个磁敏接收单元用于接收磁感应信号，并转化为电信号；

上述信号收发单元与抑自感式磁场探头阵列相连接，负责磁场发射线圈上的电信号的产生和磁敏接收单元上接收电信号的预处理，上述信号收发单元由处理器、功率放大单元、低噪放大单元、存储单元组成；

上述扫描单元负责在信号收发单元的控制下，驱动抑自感式磁场探头阵列运动，使得后者能遍历局部磁场屏蔽罩内部的整个骨组织数据采集区域，上述扫描单元由处理器、步进电机组成；

上述通信单元与信号收发单元相连接，负责实现与局部磁场屏蔽罩、信号处理端的通信，可采用有线或者无线通信模式；

上述电源单元负责对抑自感式检测前端的抑自感式磁场探头阵列、信号收发单元、扫描单元和通信单元的供电，可采用有线电源或者电池实现。

6.根据权利要求2所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置，其特征在于所述的信号处理端，包括通信单元、数据分析单元、显示单元、人机交互单元、处理单元、存储单元及电源单元；

上述通信单元负责与局部磁场屏蔽罩、抑自感式检测前端之间数据和控制信息的传输，可采用有线或者无线通信模式；

权利要求5所述的抑自感式检测前端中的磁敏接收单元所接收的磁感应信号，通过抑自感式检测前端和信号处理端各自的通信单元传输到数据分析单元；数据分析单元负责对上述接收磁感应信号进行频谱特性分析、时域特性分析、电磁特性反演；上述显示单元负责数据频谱特性、时域特性、电磁特性的二维、三维显示，控制信息的显示；

上述人机交互单元负责提供人机交互的界面和外设，用于发射信号参数、控制参数、采集数据参数和成像显示方式的设置；

上述处理单元负责整个信号处理端的通信单元、数据分析单元、显示单元、人机交互单元、存储单元及电源单元的调度和数据的控制；

上述存储单元负责发射信号参数、控制参数、采集数据参数、磁敏接收单元所接收磁信号数据和分析结果的存储；

上述电源单元负责整个信号处理端各个单元、器件的供电，可采用有线电源或者无线电源。

7.根据权利要求1所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：样本数据采集；采集样本数据包括以下步骤：

1.1单离子团样本数据采集；将各种单一离子溶液注入到模具中，并记录其动态磁激励离子谱作为样本数据，以作为装置重要校准数据，用于训练装置的算法和精度；

1.2人体样本数据采集；数据类型包括不同年龄段、不同性别、不同身体状况、不同部位的骨组织、不同的病症情况，并建立特征库；人体样本数据用于训练权利要求2所述的装置，并将数据存储于信号处理端的存储单元中，作为检测过程中骨组织的组织成分和伤损识别的参考依据，以提高检测的精度和速度；

以上步骤仅供训练装置用，训练完成后，每次检测可直接从步骤2开始；

步骤2：检查前准备；在进行检查前先进行以下准备步骤：

2.1系统参数设置；检测人员通过信号处理端的人机交互单元，设置装置的控制参数，控制参数包括：通信单元参数、抑自感式磁场探头阵列的发射信号参数，含：扫频范围、幅度、相位，以及接收信号参数、数据分析参数、显示参数、最小环境磁场阈值参数、最小自感磁场阈值参数；

2.2装置各组成部分状态自动检测；检测内容包括：局部磁场屏蔽罩、抑自感式检测前端、信号处理端三者内部各个单元、模块的连接情况，即三者之间的通信单元的连接状态；

2.3检测前PCB屏蔽罩校准；具体过程如下：在无检测物的情况下，将抑自感式检测前端的抑自感式磁场探头阵列上的磁敏接收单元在扫描单元的驱动下检查局部磁场屏蔽罩内部磁场分布情况，并将接收数据传输到信号处理端进行处理；根据信号处理端的分析结果，经通信单元传输控制指令到局部磁场屏蔽罩，控制单元反馈的磁场接收信息，调节有源柔性PCB屏蔽罩上的各个金属线圈的电流，将环境磁场抵消到更低的水平；此步骤需重复多次，直到磁敏接收单元所接收的磁场低于步骤2.1所设置的最小环境磁场阈值参数，并将此时内部磁场分布情况记录下来，作为校准数据；此步骤的作用在于采用有源屏蔽的方法，将环境磁场的干扰降到最小，提高检测的精度；

2.4检测前抑自感式探头阵列校准；具体过程如下，抑自感式磁场探头阵列上的磁场发射线圈发射宽频信号，并通过磁敏接收单元接收磁场信号，将数据传输到信号处理端进行处理；根据信号处理端的分析结果，经通信单元传输控制指令到抑自感式检测前端，控制磁场发射线圈的电流，使得磁敏接收单元接收到的激励磁场直接耦合到磁敏接收单元的量最小；此步骤需重复多次，直到磁敏接收单元所接收的磁场低于步骤2.1所设置的最小自感磁场阈值参数，并将此时内部磁场分布情况记录下来，作为校准数据；

步骤3：检测数据采集；本步骤需采集两种磁信号，包括生物磁信号和动态磁激励离子谱，将装置穿戴在被检测者需检查的部位，然后进行如下操作：

3.1生物磁信号数据采集；抑自感式检测前端的通信单元接收信号处理端的控制信息，通过磁敏接收单元接收生物磁信号；所接收的生物磁信号传输至信号收发单元作预处理，然后通过通信单元把数据传输到信号处理端，接收磁信号在信号处理端中经过信号处理和数据分析，将结果保存在存储单元中，然后抑自感式磁场探头阵列在扫描单元的驱动下移动，重复上述过程直至所有被检测区域的数据采集结束；

3.2动态磁激励离子谱数据采集；抑自感式磁场检测前端通信单元接收信号处理端的控制信息，信号收发单元产生相应的发射电信号，并通过抑自感式磁场探头阵列的磁场发射线圈向被检测部位发射宽频磁信号，并通过磁敏接收单元接收感应磁场信号；所接收的感应磁场信号传输至信号收发单元作预处理，然后经通信单元把数据传输到信号处理端；接收磁信号在信号处理端中经过信号处理和数据分析，将结果保存在存储单元中，然后抑自感式磁场探头阵列在扫描单元的驱动下移动，重复上述过程直至所有被检测区域的数据采集结束；然后本步骤所采集的数据与步骤3.1所采集的数据比较分析，以软抑制的方式屏蔽生物磁信号在进行动态激励离子谱检测时的干扰，此步骤的目的在于记录动态磁激励离子谱在骨组织的分布情况，用于反演其内部结构情况；

步骤4：接收数据分析及显示；

进行了步骤3的各个步骤后，信号处理端将从抑自感式检测前端所采集的磁信号进行提取，并根据人机交互单元的输入命令进行频谱特性分析、时域特性分析、电磁特性反演和成像显示。