CN114545309A - 一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，属于医学电磁技术领域。该设备包括：线圈探头、小型化磁感应相移谱仪；磁控管线圈与环形螺线管线圈分别用于检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量，匹配电路将激励线圈匹配到激励频率和50欧姆阻抗，将磁控管线圈和环形螺线管线圈匹配到50欧姆阻抗；本发明结构简单、体积小、重量轻、检测灵敏度高，可实现均匀旋转激励磁场和正交无屏蔽检测，对不同位置、方向的脑部疾病比如脑出血、脑梗塞和脑水肿引起的磁感应相移变化检测敏感。

Description

一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备

技术领域

本发明属于医学电磁技术领域，涉及一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备。

背景技术

“脑卒中”(cerebral stroke)又称“中风”、“脑血管意外”(cerebralvascularaccident，CVA)。是一种急性脑血管疾病，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性卒中的发病率高于出血性卒中，占脑卒中总数的60％～70％。颈内动脉和椎动脉闭塞和狭窄可引起缺血性脑卒中，严重者可引起死亡。出血性卒中的死亡率较高。调查显示，脑卒中具有发病率高、死亡率高和致残率高的特点。当前脑卒中的检测主要依靠CT和MRI等影像设备，但其无法满足连续监护、急救后送以及社区医疗等需要。磁感应相位移(MIPS)技术基于生物组织的电磁特性，具有非接触、无创伤、连续测量等特点，是脑卒中检测的备选方法之一。因此，MIPS具有巨大的应用前景。

目前传统磁场感应检测设备采用单激励线圈单接收线圈的方式，其激励磁场非均匀，在检测区域不同位置的激励磁场是不同的，此外，接收线圈在检测区域不同点的灵敏度也是不同的，因此对于相同出血量在不同检测不同位置的磁感应相位移信号差异很大，这极大影响了磁感应相位移的定量检测。同时激励磁场和外部干扰直接耦合到检测线圈上，对信号检测也有影响。采用基于均匀旋转激励磁场和正交检测的方式，可以克服以上两方面的不利因素，同时具有非接触、无创伤、连续测量等特点，因此具有广泛应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备。实现结构简单、体积小、重量轻、性能可靠，属于无创检测的正交旋转激励场磁感应检测设备。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，该设备包括：线圈探头1和小型化磁感应相移谱仪2；

谱仪包括现场可编程门阵列FPGA3、信号发送电路4和信号接收电路5；

所述线圈探头1包括激励用的低通鸟笼激励线圈6、检测用的磁控管线圈7与环形螺线管线圈8、四个匹配电路：阻抗匹配电路一9、阻抗匹配电路二10、阻抗匹配电路三11和阻抗匹配电路四12；

低通鸟笼激励线圈6产生产生幅度均匀、相位逐渐改变且在与鸟笼线圈轴向垂直的平面上旋转的激励磁场，磁控管线圈7与环形螺线管线圈8分别用于检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量，匹配电路9和匹配电路10将激励线圈匹配到激励频率和50欧姆阻抗，匹配电路11和匹配电路12将磁控管线圈和环形螺线管线圈分别匹配到50欧姆阻抗；

小型化磁感应相移谱仪2的现场可编程门阵列3，用于产生两路幅值与频率相等且相位相差90°的高精度正弦激励信号、信号采集和数据处理；

信号发送电路4用于激励信号的放大和滤波；

信号接收电路5用于磁感应相移检测信号的合成、放大、滤波和数字化采集。

可选的，所述小型化磁感应相移谱仪2的现场可编程门阵列FPGA3内部有脉冲编程器二 13和脉冲编程器一14；脉冲编程器一14控制FPGA内部直接数字频率合成器一一16产生频率为相位为θ1的正弦信号，脉冲编程器一14控制FPGA外部直接数字频率合成器一二18产生频率为f0的正弦信号，以上两路正弦信号通过发送电路一20调制滤波输出频率为f、相位为θ1、幅度为V的正弦信号，经过射频功率放大器一22的放大，经过阻抗匹配电路二10 接入激励鸟笼线圈；同时，脉冲编程器二13控制FPGA内部直接数字频率合成器二二15产生频率为相位为θ2θ2＝θ1+90°、正弦信号，脉冲编程器二13控制FPGA外部直接数字频率合成器二二17产生频率为f0的正弦信号，以上两路正弦信号通过发送电路二19调制滤波输出频率为f、相位为θ2、幅度为V的的正弦信号，经过射频功率放大器二21的放大，经过阻抗匹配电路一9接入激励鸟笼线圈另一位置相位相差90度的端口。

可选的，所述磁控管线圈7与环形螺线管线圈8分别检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量；磁控管线圈7与环形螺线管线圈8的安装方式特殊，对鸟笼线圈能产生均匀旋转的激励磁场和由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的径向分量不灵敏，即鸟笼线圈能产生均匀旋转的激励磁场和由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的径向分量在磁控管线圈7与环形螺线管线圈8上面没有磁通量的变化，磁控管线圈7与环形螺线管线圈8这种正交检测方式能够消除鸟笼线圈能产生均匀旋转的激励磁场和由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的径向分量的影响。

可选的，所述磁控管线圈7和环形螺线管线圈8位于低通鸟笼激励线圈6的内部，且低通鸟笼激励线圈6的磁力线不穿过磁控管线圈7和环形螺线管线圈8，在实现正交检测的同时，鸟笼激励线圈6对外部干扰实现屏蔽，外部干扰也不会直接耦合到检测线圈上，提高信号检测的灵敏度。

可选的，所述低通鸟笼激励线圈6由两个端环和多条腿例如8条组成，上端环与下端环将各条腿连接，且各条腿在中心位置处断开分为两部分，然后经调谐电容串联；低通鸟笼激励线圈6各条腿上的电流呈正弦电流分布，且由两个相互正交即电流相位相差90度的正、余弦电流源激励。

可选的，所述低通鸟笼激励线圈6的两个电流源激励输入端口均经过匹配电路9和匹配电路10匹配至电阻50欧姆，并调制到谐振频率f，磁控管线圈7和环形螺线管线圈8由匹配电路11和匹配电路12分别匹配到50欧姆阻抗。

可选的，所述磁控管线圈7与环形螺线管线圈8分别检测到的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量先经过信号合成器23，然后经过前置放大器24的信号放大，送入接收电路 25进行解调、滤波和再放大，最后由FPGA3实现信号采集处理。

可选的，所述低通鸟笼激励线圈6、磁控管线圈7与环形螺线管线圈8和四个匹配电路采用一体化结构，支撑壳体采用无磁性的工程塑料。

本发明的有益效果在于：本发明提供的基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备适用于患者局部部分的磁感应相移检测，尤其适用于脑部疾病患者，该装置结构简单、体积小、重量轻、性能可靠，可实现脑卒中的的无创连续监测。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备的整体示意图；

图2为鸟笼激励线圈、磁控管线圈与环形螺线管线圈一体化结构图；

图3为鸟笼激励线圈的激励磁场磁化方向图；(a)为电流输入相位为0度，(b)为电流输入相位为90度，(c)为电流输入相位为180度，(d)为电流输入相位为270度；

图4为磁控管线圈与环形螺线管线圈的正交检测示意图。

附图标记：1-线圈探头；2-小型化磁感应相移谱仪；3-现场可编程门阵列；4-信号发送电路；5-信号接收电路；6-低通鸟笼激励线圈；7-磁控管线圈；8-环形螺线管线圈；9-阻抗匹配电路一；10-阻抗匹配电路二；11-阻抗匹配电路三；12-阻抗匹配电路四；13-脉冲编程器二； 14-脉冲编程器一；15-内部直接数字频率合成器二二，16-内部直接数字频率合成器一一，17- 外部直接数字频率合成器二二，18-外部直接数字频率合成器一二，19-发送电路二，20-发送电路一，21-射频功率放大器二，22-射频功率放大器一，23-信号合成器，24-前置放大器，25- 接收电路，26-FPGA内部接口，27-USB接口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图4，图1为本发明一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备的整体示意图，如图1所示，该装置包括线圈探头1、小型化磁感应相移谱仪2、现场可编程门阵列3、信号发送电路4、信号接收电路5、低通鸟笼激励线圈6、磁控管线7、环形螺线管线圈8、阻抗匹配电路一9、阻抗匹配电路二10、阻抗匹配电路三11、阻抗匹配电路四12、脉冲编程器二13、脉冲编程器一14、内部直接数字频率合成器二二15、内部直接数字频率合成器一一16、外部直接数字频率合成器二二17、外部直接数字频率合成器一二18、发送电路二19、发送电路一20、射频功率放大器二21、射频功率放大器一22、信号合成器 23、前置放大器24、接收电路25、FPGA内部接口26和USB接口27。其中，小型化磁感应相移谱仪2包括现场可编程门阵列3FPGA、信号发送电路4和信号接收电路5；所述线圈探头1包括激励用的低通鸟笼激励线圈6、检测用的磁控管线圈7与环形螺线管线圈8、四个匹配电路：阻抗匹配电路一9、阻抗匹配电路二10、阻抗匹配电路三11和阻抗匹配电路四12，低通鸟笼激励线圈6产生产生幅度均匀、相位逐渐改变且在与鸟笼线圈轴向垂直的平面上旋转的激励磁场，磁控管线圈7与环形螺线管线圈8分别用于检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量，匹配电路9和匹配电路10将激励线圈匹配到激励频率和50欧姆阻抗，匹配电路11和匹配电路12将磁控管线圈和环形螺线管线圈分别匹配到50欧姆阻抗；小型化磁感应相移谱仪2的现场可编程门阵列3，用于产生两路幅值与频率相等且相位相差90°的高精度正弦激励信号、信号采集和数据处理；信号发送电路4主要用于激励信号的放大和滤波；信号接收电路5主要用于磁感应相移检测信号的合成、放大、滤波和数字化采集。

低通鸟笼激励线圈6、检测用的磁控管线圈7与环形螺线管线圈8、四个匹配电路采用一体化结构，分别对应端口a、b、c、d。如图2所示，支撑壳体采用无磁性的工程塑料，以减少低通鸟笼激励线圈在壳体中的涡流效应。

低通鸟笼激励线圈6由两个端环和腿组成，上端环与下端环将各条腿连接，且各条腿在中心位置处断开分为两部分，例如8条腿时经8组调谐电容串联。低通鸟笼激励线圈6各条腿上的电流呈正弦电流分布，且由两个相互正交即电流相位相差90度的正、余弦电流源激励，这样在低通鸟笼线圈内部近似圆柱体型目标区域内产生幅度均匀、相位逐渐改变、在与轴向垂直的平面上旋转的激励磁场，如图3所示。低通鸟笼激励线圈产生的在XOY平面上的磁场分布，阻抗匹配电路9对应端口输入电流的相位，(a)为电流输入相位为0度，(b)为电流输入相位为90度，(c)为电流输入相位为180度，(d)为电流输入相位为270度。

检测线圈采用磁控管线圈7与环形螺线管线圈8，分别用于检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量。螺线管检测线圈的中心轴线(Z轴)与低通鸟笼激励线圈产生的旋转激励磁场垂直，旋转激励磁场在螺线管内无磁通量的变化。图4 是本发明磁控管线圈与环形螺线管线圈与均匀旋转激励磁场正交，检测检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量示意图。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：该设备包括：线圈探头(1)和小型化磁感应相移谱仪(2)；

谱仪包括现场可编程门阵列FPGA(3)、信号发送电路(4)和信号接收电路(5)；

所述线圈探头(1)包括激励用的低通鸟笼激励线圈(6)、检测用的磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)、四个匹配电路：阻抗匹配电路一(9)、阻抗匹配电路二(10)、阻抗匹配电路三(11)和阻抗匹配电路四(12)；

低通鸟笼激励线圈(6)产生产生幅度均匀、相位逐渐改变且在与鸟笼线圈轴向垂直的平面上旋转的激励磁场，磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)分别用于检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量，匹配电路(9)和匹配电路(10)将激励线圈匹配到激励频率和50欧姆阻抗，匹配电路(11)和匹配电路(12)将磁控管线圈和环形螺线管线圈分别匹配到50欧姆阻抗；

小型化磁感应相移谱仪(2)的现场可编程门阵列(3)，用于产生两路幅值与频率相等且相位相差90°的高精度正弦激励信号、信号采集和数据处理；

信号发送电路(4)用于激励信号的放大和滤波；

信号接收电路(5)用于磁感应相移检测信号的合成、放大、滤波和数字化采集。

2.根据权利要求1所述的一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：所述小型化磁感应相移谱仪(2)的现场可编程门阵列FPGA(3)内部有脉冲编程器二(13)和脉冲编程器一(14)；脉冲编程器一(14)控制FPGA内部直接数字频率合成器一一(16)产生频率为相位为θ1的正弦信号，脉冲编程器一(14)控制FPGA外部直接数字频率合成器一二(18)产生频率为f0的正弦信号，以上两路正弦信号通过发送电路一(20)调制滤波输出频率为f、相位为θ1、幅度为V的正弦信号，经过射频功率放大器一(22)的放大，经过阻抗匹配电路二(10)接入激励鸟笼线圈；同时，脉冲编程器二(13)控制FPGA内部直接数字频率合成器二二(15)产生频率为相位为θ2，θ2＝θ1+90°、正弦信号，脉冲编程器二(13)控制FPGA外部直接数字频率合成器二二(17)产生频率为f0的正弦信号，以上两路正弦信号通过发送电路二(19)调制滤波输出频率为f、相位为θ2、幅度为V的的正弦信号，经过射频功率放大器二(21)的放大，经过阻抗匹配电路一(9)接入激励鸟笼线圈另一位置相位相差90度的端口。

3.根据权利要求1所述的一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：所述磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)分别检测在生物体内由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量；磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)的安装方式特殊，对鸟笼线圈能产生均匀旋转的激励磁场和由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的径向分量不灵敏，即鸟笼线圈能产生均匀旋转的激励磁场和由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的径向分量在磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)上面没有磁通量的变化，磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)这种正交检测方式能够消除鸟笼线圈能产生均匀旋转的激励磁场和由激励磁场引起的涡流二次磁场信号的径向分量的影响。

4.根据权利要求1所述的一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：所述磁控管线圈(7)和环形螺线管线圈(8)位于低通鸟笼激励线圈(6)的内部，且低通鸟笼激励线圈(6)的磁力线不穿过磁控管线圈(7)和环形螺线管线圈(8)，在实现正交检测的同时，鸟笼激励线圈(6)对外部干扰实现屏蔽，外部干扰也不会直接耦合到检测线圈上，提高信号检测的灵敏度。

5.根据权利要求1所述的一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：所述低通鸟笼激励线圈(6)由两个端环和若干腿组成，上端环与下端环将各条腿连接，且各条腿在中心位置处断开分为两部分，然后经调谐电容串联；低通鸟笼激励线圈(6)各条腿上的电流呈正弦电流分布，且由两个相互正交即电流相位相差90度的正、余弦电流源激励。

6.根据权利要求3所述的一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：所述低通鸟笼激励线圈(6)的两个电流源激励输入端口均经过匹配电路(9)和匹配电路(10)匹配至电阻50欧姆，并调制到谐振频率f，磁控管线圈(7)和环形螺线管线圈(8)由匹配电路(11)和匹配电路(12)分别匹配到50欧姆阻抗。

7.根据权利要求1所述的一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：所述磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)分别检测到的涡流二次磁场信号的轴向分量和切向分量先经过信号合成器(23)，然后经过前置放大器(24)的信号放大，送入接收电路(25)进行解调、滤波和再放大，最后由FPGA(3)实现信号采集处理。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种基于均匀旋转激励磁场和正交检测的磁感应检测设备，其特征在于：所述低通鸟笼激励线圈(6)、磁控管线圈(7)与环形螺线管线圈(8)和四个匹配电路采用一体化结构，支撑壳体采用无磁性的工程塑料。

Images