CN109009065A - 基于tmr弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统及方法，该系统由TMR弱磁传感器阵列检测模块和信号分析模块组成，该方法的步骤为：1)将带有TMR磁组传感器的圆锥形装配单元的磁阻传感器阵列结构安放在头部，形成脑磁传感层，由磁阻传感器阵列采集脑磁场信息；2）采用磁阻传感器阵列结构中TMR磁阻传感器产生的磁场方向相反的结构；3)由信号分析模块从TMR弱磁传感器阵列检测模块中磁阻元件的输出信号中提取奇次谐波，并对奇次谐波进行分析，再通过优化算法进行数据分析，从而准确的检测出脑磁信息。本发明具有简易的算法，实现方便，性能稳定，结果可靠、易于扩展、效益高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种脑磁信息检测系统及分析方法，特别是一种基于TMR弱磁传感器的脑磁信息检测系统及分析方法。
背景技术
超导传感器如SQUID用作测量脑部弱磁场，用无创的方式在靠近脑部的地方可以获得脑磁图，但是SQUID对环境有较高的要求，需要被浸在制冷剂中使用，加深了工艺制作的麻烦和增加了成本。
巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)被广泛应用于弱磁信号的探测和测量领域。如：磁力计、高度传感器、航向检测、地雷检测、电流传感器和磁场信号传感器。
带有磁感结构的GMR或者TMR传感器能输出线性可逆的响应电压作为施加磁场的函数。
隧道磁电阻TMR传感器具有灵敏的检测性能和方便灵巧的体积，通过增加补偿电阻可以免受环境温度变化的影响以及提高检测灵敏度。
在先技术中，脑磁测量采用头盔式屏蔽层或采用屏蔽室操作，成本高，操作麻烦也无法较好的避免身体本身产生的干扰磁场。采用SQUID传感器需要使用的制冷剂使得工艺复杂，也有成本高的缺点。在先技术中，对于脑磁恢复采用的MCG特征提取与分类方法、基于频域分析的特征提取算法以及基于时频分析的特征提取法可以对脑磁信号进行识别。
发明内容
本发明在现有技术的基础上提出一种由更简洁，可操作的脑磁检测系统及分析方法，更具体地涉及脑磁测量，具有算法简易、实现方便、性能稳定、结果可靠、易于扩展、提高效益的优点。
本发明的技术方案是：一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，由TMR弱磁传感器阵列检测模块和信号分析模块组成，所述TMR弱磁传感器阵列检测模块中具有固定磁层的磁场方向相反的磁阻传感器装配单元组成的磁阻传感器阵列结构，所述磁阻传感器装配单元包括TMR传感器结构、圆锥形装配单元的基片底层，TMR传感器结构贴片于圆锥形装配单元的基片底层上，TMR传感器结构中的补偿电阻与TMR磁阻元件的贴片连接，补偿电阻两个终端分别作为TMR磁阻元件的电源输入终端和信号输出终端，与TMR磁阻元件连接，所述TMR弱磁传感器阵列检测模块与信号分析模块相连接。
进一步，所述补偿电阻的电阻R是传感器敏感区域的应用脑部磁场Hhead的函数，其中，其中，i为偏置电流，Vs为依靠偏置电流和磁阻获得输出电压，R0为电阻的各向同性分量或偏移量，随温度变化,S为随磁场变化的分量，即响应曲线的斜率，dR为电阻的变化量。
进一步，所述磁阻传感器装配单元中将固定磁层有180度相对角的TMR弱磁传感器和其补偿电阻分别贴片于圆锥形装配单元的基片底层上形成基于外界磁场和身体磁场的非探测目标的磁场会产生不同方向磁场的两种不同的圆锥形隧道磁阻元件，其中，圆锥形隧道磁阻元件中间部分由隧道磁阻元件A组成，外圈部分由隧道磁阻元件B组成，便于使外部较宽泛的磁场抵消和更准确的测量小范围变化的脑磁场。
进一步，所述圆锥形隧道磁阻元件的固定磁层的磁场方向互相有180度的相对角，自由磁层的磁场方向与固定磁层的磁场方向的夹角固定为90度。
一种采用基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统的脑磁信息检测分析方法，其步骤为：
1)将带有TMR磁组传感器的圆锥形装配单元的磁阻传感器阵列结构安放在头部，形成脑磁传感层，由磁阻传感器阵列采集脑磁场信息；
2)采用磁阻传感器阵列结构中TMR磁阻传感器产生的磁场方向相反的结构，使非探测目标的外部磁场以及身体其它部位产生的磁场相消，而互相有一定间隔的传感器阵列的排列使得脑部产生的弱磁场使得一部分传感器阵列产生阻值变化，另一部分由于距离较远不能产生阻值变化，从而测出脑磁；
3)由信号分析模块从TMR弱磁传感器阵列检测模块中磁阻元件的输出信号中提取奇次谐波，并对奇次谐波进行分析，再通过优化算法进行数据分析，从而准确的检测出脑磁信息。
所述步骤3)的具体方法为通过头部磁场原始数据采集，并传输给信号分析模块提取信息的奇次谐波，采用一次谐波作为测量曲线，根据脑磁场和输出电压在可测范围内呈线性关系，算出脑磁场脑磁的输出信息为奇次谐波的振幅在零磁场附近在确定范围内呈线性关系，以调制频率提取奇次谐波，测量出外部场，且测量结果与补偿电阻和热漂移独立并通过输出的信号强弱，定位出脑磁源。
所述一次谐波的振幅表示为 式中Ha代表施加的调制场的振幅，Hc代表输出信号电压对脑部磁场的响应曲线达到饱和状态时的脑部磁场值，Hhead代表所测量的脑磁信号，g1和g2是根据响应曲线所确定的关于斜率的参数；取H0等于Hc可以扩展测量范围，从参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha可获得外部磁场的测量数据。
通过仿真的测量曲线得到输出信号的一次谐波h1有更好的线性特性和测量灵敏度，由TMR传感器装配阵列的输出电压来测，通过传递函数的参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha，获得脑磁的直接测量方法。并通过磁阻传感器阵列输出信号的强弱位置，并分析信号位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)在先技术测量脑磁装备存在体积大，设备笨重的不足，选用体积小，灵敏的TMR传感器作为测量元件。并采用将TMR弱磁传感器和其补偿电阻分别贴片于尖头圆柱形隧道磁阻元件中，增加了接触测量的精确度，同时也减小了体积。具有提高效益、操作方便、重量较轻、使被测量者感受舒适，结果更准确和性能稳定的特点。
2)在先技术用遮蔽物或者屏蔽层的无法消除身体其他部位磁场干扰的不足上进行布局设计，在传感器装配的元件结构布局上，契合脑部形状设计的圆形弱磁传感器装配阵列结构，其内圆采用的A类弱磁传感器结构和外环采用的B类弱磁传感器结构能够较好的消除源于相对宽的人身体的或外界环境的磁场改变的外部磁场干扰。具有操作简单方便，实用性强的特点。
3)在先技术的输出信号的分析方法上进行优化简化，仿真曲线表明一次谐波有较好的线性特性和灵敏度因此选用一次谐波作为测量曲线，并据此选取线性函数段作为输出的作为所施加场的函数的线性和可逆响应。在一定的测量范围一个磁阻元件和偏置电流产生的元件，并进一步的用限制频率和振幅的磁调制场测量方式，一个同步探测所述元件输出信号的仪器来测量输出信号奇次谐波的振幅。具有便于分析脑磁场的大小和位置，算法可逆简便，结果准确等特点。
附图说明
图1a是传感器阵列的装配单元的纵面剖视图；
图1b是传感器阵列的装配单元的整体外观图；
图2是传感器阵列电路的连接图；
图3为表示A和B固定磁层的磁场方向相反的两种隧道磁阻元件在环境大磁场H和小磁场Hs的影响下分别的阻值变化曲线；
其中：A1表示自由磁层与固定磁层的磁场方向呈90度的角；B1表示自由磁层与固定磁层的磁场方向相反；A2表示自由磁层与固定磁层的磁场方向一致并呈一角度；B2表示自由磁层与固定磁层的磁场方向相反并呈一角度；
图4为表示由两种类型的隧道磁阻元件A和B组成的基于TMR的弱磁传感器阵列的脑磁测量装置，其中两类隧道磁阻元件A和B的个数和分别形成圆圈的圈数可以根据需要设定；
图5为表示图4的装置戴在检测者的头上；
图6为表示输出信号Vs是所施加磁场的函数；
图7为表示输出信号的前四次谐波的振幅是所施加磁场的函数；
图8为表示在调制场的直流分量等于饱和场值Hc的情形下，一次谐波的振幅变化。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基于TMR磁阻传感器阵列的脑磁信息检测分析方法，如图3所示，是基于磁阻传感器的电阻随着外界磁场的改变而发生阻值的改变的原理和输出电压信号的振幅与外界磁场程线性关系的原理，利用相反方向的布局放置装配元件的固定磁层，消除非探测目标磁场的干扰。利用对输出信号一次谐波的线性函数段的分析实现在可测范围内的脑磁测量。
如图1a，1b，图2所示，一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，由TMR弱磁传感器阵列检测模块7和信号分析模块13组成。TMR弱磁传感器阵列检测模块7中具有固定磁层的磁场方向相反的磁阻传感器装配单元组成的磁阻传感器阵列结构，磁阻传感器装配单元包括TMR传感器结构、圆锥形装配单元6的基片底层4，TMR传感器结构贴片于圆锥形装配单元6的基片底层4上，TMR传感器结构中的补偿电阻1与TMR磁阻元件12的贴片连接，补偿电阻1两个终端分别作为TMR磁阻元件12的电源输入终端和信号输出终端，与TMR磁阻元件12连接。TMR弱磁传感器阵列检测模块7与信号分析模块13相连接。补偿电阻1的电阻R是传感器敏感区域的应用脑部磁场Hhead的函数，其中，其中，i为偏置电流，Vs为依靠偏置电流和磁阻获得输出电压，R0为电阻的各向同性分量或偏移量，随温度变化,S为随磁场变化的分量，即响应曲线的斜率，dR为电阻的变化量。
磁阻传感器装配单元中将固定磁层有180度相对角的TMR弱磁传感器和其补偿电阻分别贴片于圆锥形装配单元6的基片底层4上形成基于外界磁场和身体磁场的非探测目标的磁场会产生不同方向磁场的两种不同的圆锥形隧道磁阻元件，其中，圆锥形隧道磁阻元件中间部分由隧道磁阻元件A组成，外圈部分由隧道磁阻元件B组成，便于使外部较宽泛的磁场抵消和更准确的测量小范围变化的脑磁场。圆锥形隧道磁阻元件的固定磁层的磁场方向互相有180度的相对角，自由磁层的磁场方向与固定磁层的磁场方向的夹角固定为90度。
一种基于TMR弱磁传感器的脑磁图系统的检测分析方法，步骤为：1)将带有TMR磁组传感器的圆锥装配单元的磁阻传感器阵列结构安放在头部，形成脑磁传感层，磁阻传感器阵列采集脑磁场信息；2)采用磁阻传感器产生的磁场方向相反的结构(图3)，使非探测目标的外部磁场以及身体其它部位产生的磁场相消，而互相有一定间隔的传感器阵列的排列使得脑部产生的弱磁场使得一部分传感器阵列产生阻值变化，另一部分由于距离较远不能产生阻值变化，从而测出脑磁。3)发现输出信号的奇次谐波在0磁场可测范围内成附近成线性分布；4)通过对奇次谐波进行提取分析，再通过优化算法进行数据分析，从而准确的检测出脑磁信息。本发明具有简易的算法，实现方便，性能稳定，结果可靠、易于扩展的优点。
所述步骤1)的具体方法为：首先，将由弱磁传感器构成的电路贴片置于锥形外壳中，尖端能更好的收集信号，将其组成弱磁传感器阵列。为利用脑部磁场的条件下磁阻传感器发生的电阻的变化，需要在该传感器中应用偏置电流i。依靠偏置电流和磁阻获得输出电压Vs。因此能够获得所施加脑磁的值一个用偏置电流的磁阻元件测量弱磁场，包括在磁阻元件的敏感区域施加调制磁场的应用，和从上述磁阻元件的输出信号中提取奇次谐波，来在所述的谐波上实现弱磁场的测量。
所述步骤2)的具体方法为：装配包含的隧道磁阻元件，其固定磁层的磁场方向互相有180度的相对角，自由磁层的磁场方向与固定磁层的磁场方向的夹角固定为90度。当源于相对宽的人身体的或外界环境的磁场发生改变，不是探测目标。隧道磁阻元件的阻值发生相反的变化，因此能够取消整个传感器阵列的阻值变化。而对于脑磁和小范围的变化，由于靠近脑磁的一部分阵列中的传感器的自由磁层的磁场方向受其影响发生改变，而固定磁层的磁场方向不发生改变，所以阵列中的这部分传感器发生阻值改变。而相距较远的另一部分的传感器的阻值由于相距太远而无法发生改变。所以装配能够表现出阻值变化，因此脑磁可以被测得。
所述步骤3)的具体方法为通过头部磁场原始数据采集，并传输给信息分析设备。提取信息的奇次谐波，仿真曲线表明一次谐波有较好的线性特性和灵敏度因此选用一次谐波作为测量曲线。
一次谐波的振幅表示为 式中Ha代表施加的调制场的振幅，Hc代表输出信号电压对脑部磁场的响应曲线达到饱和状态时的脑部磁场值，Hhead代表所测量的脑磁信号，g1和g2是根据响应曲线所确定的关于斜率的参数；取H0等于Hc可以扩展测量范围，从参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha可获得外部磁场的测量数据。通过仿真的测量曲线得到输出信号的一次谐波h1有更好的线性特性和测量灵敏度，由TMR传感器装配阵列的输出电压来测，通过传递函数的参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha，获得脑磁的直接测量方法。并通过磁阻传感器阵列输出信号的强弱位置，并分析信号位置，如图6至图8所示。
所述步骤4)的具体方法为根据脑磁场和输出电压在可测范围内呈线性关系，算出脑磁场脑磁的输出信息为奇次谐波的振幅在零磁场附近在确定范围内呈线性关系。以调制频率提取奇次谐波，能够测量出外部场。且该结果与传感器的补偿电阻R0和热漂移独立并通过输出的信号强弱，能定位出脑磁源。
所述步骤1)中的TMR弱磁传感器元件有一个固定磁场方向的固定磁层和一个有可变磁场方向的自由磁层，其方向受外界磁场的影响。在没有施加外部磁场时，两层磁场方向的夹角为90度，在TMR磁阻元件中没有施加磁场的自由磁层和固定磁层的磁场方向彼此不同。
所述步骤1)中的隧道磁阻元件的固定磁层以彼此间相对角180度放置，这样可以消除阻值受非探测目标的环境或人身体磁场的影响。而对于弱磁场则可以探测出。
所述步骤4)中的输出的作为所施加场的函数的线性和可逆响应的传感器在一定的测量范围。
本实施例的具体实现步骤为：
步骤(1)构建TMR传感器结构，每个TMR磁阻元件12有一个固定磁场方向的固定磁层10，一个有可变磁场方向的自由磁层11，自由磁层11的磁场方向受外部磁通影响。
步骤(2)构建磁阻传感器装配单元，TMR传感器结构贴片于圆锥形装配单元6的基片底层4上，补偿电阻1与TMR传感器结构的贴片连接，两个终端分别作为TMR磁阻元件12的电源输入终端和信号输出终端，并与TMR磁阻元件12相连接。
步骤(3)构建磁阻传感器阵列，两种类型的固定磁层的磁场方向相反的隧道磁阻元件6A和隧道磁阻元件6B构建磁阻传感器阵列。如图4所示，采用中间部分A类传感器，外围部分B类传感器的结构。隧道磁阻元件6A和隧道磁阻元件6B的固定磁层11的磁场方向S与彼此相反。隧道磁阻元件6A和隧道磁阻元件6B固定在TMR弱磁传感器阵列检测模块7中要留以预定的空间。如图5所示，装配好的TMR弱磁传感器阵列检测模块7可以弯曲贴合人头部曲线排列。
步骤(4)在图3中，在无施加的磁场的条件下，自由磁层11的磁场方向用箭头F表示。它与固定磁层10的磁场方向S呈90度的角。隧道磁阻元件6A(如图3A1所示)的固定磁层10的磁场方向S与隧道磁阻元件6B(如图3B1所示)的固定磁层10的磁场方向S相反。当施加外部大范围磁场或身体磁场等非探测目标磁场时，隧道磁阻元件6A的自由磁层11的磁场方向F用箭头A表示(如图3A2所示)，隧道磁阻元件6B的自由磁层11的磁场方向F用箭头B表示(如图3B2所示)。同时，在隧道磁组元件6A中，自由磁层11的磁场方向F转向的方向A与固定磁层10的磁场方向S相同，自由磁层11的磁场方向F转向的方向B与固定磁层10的磁场方向S相反。在TMR磁阻元件12中，当自由磁层11的磁场方向F转到与固定磁层10的磁场方向S相同时，电阻值减小；反之电阻值增加。由于阻值的变化是相反且连续的，所以当自然环境和人体的噪声被探测到时，隧道磁阻元件6A和隧道磁阻元件6B的阻值有不同的符号且绝对值相等，因此它们互相抵消使得最后测量的阻值结果相等。另一方面，当从脑部发出微弱磁场时，作用于隧道磁阻元件6A和隧道磁阻元件6B,是不同的。即它们中其中一个的阻值发生巨大的变化，另一个趋于不变。因此，当一个弱磁通靠近有组合装配组成的一个传感器，两种类型的装配的绝对值输出阻值不同。而大磁场引起的阻值变化会被抵消。
步骤(5)分析输出信号，仿真曲线表明一次谐波有较好的线性特性和灵敏度，因此选用一次谐波作为测量曲线，并据此选取线性函数段作为输出的作为所施加场的函数的线性和可逆响应。在一定的测量范围一个磁阻元件和偏置电流产生的元件，并进一步的用限制频率和振幅的磁调制场测量方式，一个同步探测所述元件输出信号的信号分析模块13来测量输出信号奇次谐波的振幅。在测得参数g1、g2和调制场的Ha实现脑磁的测量并能根据信号的强弱位置实现对脑磁信号的定位。
本实例的在结构设计上采用了装配单元A和B分别安装于贴合脑部的中心圆和外环上，从结构上克服了强磁的干扰，并且贴片的尖头圆柱形装配单元使用方便，接触准确，灵活轻便并且舒适度高。补偿电阻提高了测量灵敏度和避免了环境温度的影响。使得该款检测系统的使用可以不受环境温度和场地的影响。具有可实现性高、操作方便和结果可靠的特点。
测量方式是接触测量，不会对人体产生任何副作用和存在任何安全隐患。
本发明中采用的隧道磁组传感器(TMR)是成熟技术，本发明的发明点在于基于是基于磁阻传感器的电阻随着外界磁场的改变而发生阻值的改变的原理和输出电压信号的振幅与外界磁场程线性关系的原理，利用相反方向的布局放置装配元件的固定磁层，消除非探测目标磁场的干扰。利用对输出信号一次谐波的线性函数段的分析实现在可测范围内的脑磁测量。给出了一种方法简单、便于构建、不受环境因素限制、客观可靠、无安全隐患、响应速度快、功能易于扩充、应用范围广的基于TMR磁阻传感器阵列的脑磁信息检测分析方法。
Claims (8)
1.一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，由TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)和信号分析模块(13)组成，其特征在于：所述TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)中具有固定磁层的磁场方向相反的磁阻传感器装配单元组成的磁阻传感器阵列结构，所述磁阻传感器装配单元包括TMR传感器结构、圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)，TMR传感器结构贴片于圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)上，TMR传感器结构中的补偿电阻(1)与TMR磁阻元件(12)的贴片连接，补偿电阻(1)两个终端分别作为TMR磁阻元件(12)的电源输入终端和信号输出终端，与TMR磁阻元件(12)连接，所述TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)与信号分析模块(13)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，其特征在于：所述补偿电阻(1)的电阻R是传感器敏感区域的应用脑部磁场Hhead的函数，其中，i为偏置电流，Vs为依靠偏置电流和磁阻获得输出电压，R0为电阻的各向同性分量或偏移量，随温度变化,S为随磁场变化的分量，即响应曲线的斜率，dR为电阻的变化量。
3.根据权利要求1所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，其特征在于：所述磁阻传感器装配单元中将固定磁层有180度相对角的TMR弱磁传感器和其补偿电阻分别贴片于圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)上形成基于外界磁场和身体磁场的非探测目标的磁场会产生不同方向磁场的两种不同的圆锥形隧道磁阻元件，其中，圆锥形隧道磁阻元件中间部分由隧道磁阻元件A组成，外圈部分由隧道磁阻元件B组成，便于使外部较宽泛的磁场抵消和更准确的测量小范围变化的脑磁场。
4.根据权利要求1所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，其特征在于：所述圆锥形隧道磁阻元件的固定磁层的磁场方向互相有180度的相对角，自由磁层的磁场方向与固定磁层的磁场方向的夹角固定为90度。
5.一种采用权利要求1-4任一所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统的脑磁信息检测分析方法，其特征在于，其步骤为：
1)将带有TMR磁组传感器的圆锥形装配单元的磁阻传感器阵列结构安放在头部，形成脑磁传感层，由磁阻传感器阵列采集脑磁场信息；
2)采用磁阻传感器阵列结构中TMR磁阻传感器产生的磁场方向相反的结构，使非探测目标的外部磁场以及身体其它部位产生的磁场相消，而互相有一定间隔的传感器阵列的排列使得脑部产生的弱磁场使得一部分传感器阵列产生阻值变化，另一部分由于距离较远不能产生阻值变化，从而测出脑磁；
3)由信号分析模块从TMR弱磁传感器阵列检测模块中磁阻元件的输出信号中提取奇次谐波，并对奇次谐波进行分析，再通过优化算法进行数据分析，从而准确的检测出脑磁信息。
6.根据权利要求4所述的脑磁信息检测分析方法，其特征在于：所述步骤3)的具体方法为通过头部磁场原始数据采集，并传输给信号分析模块提取信息的奇次谐波，采用一次谐波作为测量曲线，根据脑磁场和输出电压在可测范围内呈线性关系，算出脑磁场脑磁的输出信息为奇次谐波的振幅在零磁场附近在确定范围内呈线性关系，以调制频率提取奇次谐波，测量出外部场，且测量结果与补偿电阻和热漂移独立并通过输出的信号强弱，定位出脑磁源。
7.根据权利要求5所述的脑磁信息检测分析方法，其特征在于：所述一次谐波的振幅表示为 式中Ha代表施加的调制场的振幅，Hc代表输出信号电压对脑部磁场的响应曲线达到饱和状态时的脑部磁场值，Hhead代表所测量的脑磁信号，g1和g2是根据响应曲线所确定的关于斜率的参数；取H0等于Hc可以扩展测量范围，从参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha可获得外部磁场的测量数据。
8.根据权利要求6所述的脑磁信息检测分析方法，其特征在于：通过仿真的测量曲线得到输出信号的一次谐波h1有更好的线性特性和测量灵敏度，由TMR传感器装配阵列的输出电压来测，通过传递函数的参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha，获得脑磁的直接测量方法。并通过磁阻传感器阵列输出信号的强弱位置，并分析信号位置。
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