一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)，包括磁傳感器陣列模塊、傳感器接口模塊、信號調(diào)理模塊、MCU控制模塊、上位機、電源管理模塊。磁傳感器陣列模塊包括高性能MI（Magnetoimpedance）磁傳感器、自適應(yīng)校準電路和工作狀態(tài)指示電路。傳感器接口模塊的多路模擬信號切換電路將傳感器陣列的輸出信號輪流傳送到信號調(diào)理模塊。信號調(diào)理模塊的前置可編程儀表放大電路和二級固定增益放大電路將傳感器陣列輸出的微弱信號電壓幅值進行放大后經(jīng)低通濾波電路濾除干擾信號，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。所述的MCU控制模塊的RS232串口通信電路將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到上位機。
【專利說明】—種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種無損非接觸生物信息采集技術(shù)，利用高性能磁傳感器陣列獲取生物體磁場信號。本實用新型屬于生物醫(yī)學(xué)工程中的生物信息采集【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]生物磁場中含有豐富的有關(guān)生物體內(nèi)部器官和組織的信息。生物磁的產(chǎn)生之源有三大類:1、生物電磁場。生物體器官和組織在活動中會產(chǎn)生電子傳遞、離子轉(zhuǎn)移、神經(jīng)電活動等生物電的過程,這些生物電過程會產(chǎn)生生物電流,從而產(chǎn)生相應(yīng)的微弱的生物磁場,如心磁場、腦磁場、神經(jīng)磁場、肌磁場等。2、感應(yīng)磁場。肝、脾等生物體組織是由“生物磁性材料”組成，在地磁場和其他外磁場的作用下產(chǎn)生的磁場就是感應(yīng)磁場。3、剩余磁場。磁鐵礦(Fe3O4)類的鐵磁性物質(zhì)的粉末、微粒通過食道進入胃、腸系統(tǒng)、通過呼吸道進入肺部等，這些磁性物質(zhì)在外磁場的作用下被磁化,從而產(chǎn)生剩余磁場。
[0003]生物電是可興奮細胞的電化學(xué)活動，而生物電又能產(chǎn)生生物磁，所以生物電能反映的生理信息，生物磁也可以反映。但生物磁反映的生理信息，生物電卻不一定能夠反映。所以生物磁在臨床應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。腦磁信號與腦電信號相比，其優(yōu)勢在于:(1)腦磁信號采集無需參考點，無需與皮膚接觸，不會出現(xiàn)偽差；(2)腦磁信號能直接反映腦內(nèi)場源的活動狀態(tài)，更能準確確定場源的強度和位置；(3)視覺誘發(fā)腦磁、聽覺誘發(fā)腦磁等有很強的特異性，可以分辨出組織和功能上不同的細胞群體。用磁化肺磁信號減去去磁肺磁信號即得強磁性污染的剩余磁場在肺中的分布圖，對于肺部職業(yè)病的診斷具有重要意義。視網(wǎng)膜磁信號采集不與受試者皮膚接觸，避免了接觸電位和參考點的問題，并能提供更多的信息。
[0004]生物磁場的強度一般都很微弱。地磁場強度約為10_4T，肺磁場強度約為10_ηΤ至10_6Τ，心磁場強度約為10_1(ΙΤ，自發(fā)腦磁場強度為約10_12τ，誘發(fā)腦磁場和視網(wǎng)膜磁場強度約為10_13Τ。微弱的生物磁場信號深埋在環(huán)境磁噪聲之中，一般的探測儀器無法進行檢測，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，問題逐步得到解決。1963年由美國錫拉丘茲大學(xué)的G.Balule和B.Mefee第一次利用200萬匝的一組線圈記錄到人體的心磁信號。目前，生物體磁場檢測都是用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID, Superconducting Quantum Interference Device),其磁場檢測靈敏度可達到10_16T。同時還具有檢測頻帶寬、噪聲低等優(yōu)點。但是SQUID的應(yīng)用必須在低溫的環(huán)境下進行，通常采用液氦進行冷卻。這使得SQUID的使用和維護價格昂貴。另外冷卻裝置的存在也使SQUID探頭與人體之間有一定的距離，這對于提高分辨率也有一定的影響。
實用新型內(nèi)容
[0005]所要解決的技術(shù)問題:針對以上問題本實用新型提供了一種價格低廉，日常維護費用低且簡單的基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)。
[0006]技術(shù)方案:針對以上不足本實用新型提供了一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)，其特征在于:包括磁傳感器陣列模塊、傳感器接口模塊、信號調(diào)理模塊、MCU控制模塊、上位機、電源管理模塊；
[0007]所述的磁傳感器陣列模塊包括:傳感器陣列和傳感器外圍電路；所述傳感器陣列包括高性能MI (Magnetoimpedance)磁傳感器；所述傳感器外圍電路包括自適應(yīng)校準電路和工作狀態(tài)指示電路；所述自適應(yīng)校準電路可將磁傳感器進行校準，恢復(fù)最佳性能；所述工作狀態(tài)指示電路通過發(fā)光二極管的亮滅可判斷系統(tǒng)是否正常運行；
[0008]所述的傳感器接口模塊包括:多路模擬信號切換電路及電路板上焊接彈性探針和標準接插件；所述多路模擬信號切換電路將傳感器陣列的輸出信號輪流傳送到信號調(diào)理模塊；所述彈性探針和高性能磁傳感器陣列的輸出引線相連接；標準的接插件直接與后端的信號調(diào)理模塊相連，所有微弱信號走線的周圍都由地線包圍；
[0009]所述的信號調(diào)理模塊包括:信號預(yù)處理模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路；所述信號預(yù)處理模塊包括前置可編程儀表放大電路、二級固定增益放大電路、低通濾波電路；前置可編程儀表放大電路和二級固定增益放大電路將傳感器陣列輸出的微弱信號電壓幅值進行放大后經(jīng)低通濾波電路濾除干擾信號；所述A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0010]所述的MCU控制模塊包括:RS232串口通信電路和信號控制模塊；所述RS232串口通信電路將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到上位機；所述信號控制模塊包括多路模擬信號切換控制電路和A/D轉(zhuǎn)換控制電路；
[0011]電源管理模塊為整體系統(tǒng)供電。
[0012]所述前置可編程儀表放大電路將傳感器陣列輸出的微弱信號電壓幅值放大至mV級；所述二級固定增益放大電路，放大倍數(shù)為100，輸出電壓幅值范圍為:0.8?5V ;所述低通濾波電路選用有源五階低通濾波電路；所述A/D轉(zhuǎn)換電路，采用高性能多通道16位A/D轉(zhuǎn)換器。
[0013]所述的上位機指安裝LABVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件的PC機，利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件進行編程接收RS232串口通信電路傳來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。
[0014]所述的電源管理模塊包括變壓電路和穩(wěn)壓電路；所述變壓模塊將220V交流電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換為±12V直流電壓；所述穩(wěn)壓模塊將轉(zhuǎn)換后的±12V直流電壓轉(zhuǎn)換為±5V直流電壓，再將轉(zhuǎn)換后的5V直流電壓分別轉(zhuǎn)換為1.8V、2.5V和3.3V電壓；其中的±5V直流電壓為前置可編程儀表放大電路、二級固定增益放大電路、低通濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路供電；1.8V為傳感器供電；2.5V為自適應(yīng)校準電路、工作狀態(tài)指示電路供電；3.3V為MCU控制器供電。
[0015]所述的一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號米集系統(tǒng)，還包括兩個開關(guān)；一個是供電開關(guān)，控制整個系統(tǒng)的元器件是否工作，另一個為虛擬開關(guān)，位于上位機虛擬儀器開發(fā)的人機交互界面，控制何時開始建立通信并進行數(shù)據(jù)采集與處理。
[0016]有益效果:本實用新型提供的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)是通過一種高性能MI磁傳感器就能采集到微弱生物磁信號，該系統(tǒng)可室溫使用且價格低廉，日常維護簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2為本實用新型系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)原理圖；[0019]圖3為本實用新型系統(tǒng)的硬件驅(qū)動流程圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細的描述。
[0021]如圖1和2所示，本實用新型提供的一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)，包括磁傳感器陣列模塊、傳感器接口模塊、信號調(diào)理模塊、MCU控制模塊、上位機(PC機)、電源管理模塊；
[0022]磁傳感器陣列模塊包括:傳感器陣列和傳感器外圍電路；所述傳感器陣列由高性能MI (Magnetoimpedance)磁傳感器組成；所述傳感器外圍電路包括自適應(yīng)校準電路和工作狀態(tài)指示電路；所述自適應(yīng)校準電路可將磁傳感器進行校準，恢復(fù)最佳性能；所述工作狀態(tài)指示電路通過發(fā)光二極管的亮滅可判斷系統(tǒng)是否正常運行；
[0023]傳感器接口模塊包括:多路模擬信號切換電路及電路板上焊接彈性探針和標準接插件；所述多路模擬信號切換電路將傳感器陣列的輸出信號輪流傳送到信號調(diào)理模塊；所述彈性探針和高性能磁傳感器陣列的輸出引線相連接；標準的接插件可直接與后端的信號調(diào)理模塊相連，所有微弱信號走線的周圍都由地線包圍；
[0024]信號調(diào)理模塊包括:信號預(yù)處理模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路；所述信號預(yù)處理模塊包括前置可編程儀表放大電路、二級固定增益放大電路、低通濾波電路；前置可編程儀表放大電路和二級固定增益放大電路將傳感器陣列輸出的微弱信號電壓幅值進行放大后經(jīng)低通濾波電路濾除干擾信號；
[0025]所述前置可編程儀表放大電路將傳感器陣列輸出的微弱信號電壓幅值放大至mV級；所述二級固定增益放大電路，放大倍數(shù)為100，輸出電壓幅值范圍為:0.8?5V ;所述低通濾波電路選用有源五階低通濾波電路；所述A/D轉(zhuǎn)換電路，采用高性能多通道16位A/D轉(zhuǎn)換器。
[0026]控制模塊包括:RS232串口通信電路和信號控制模塊；所述RS232串口通信電路將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到上位機；所述信號控制模塊包括多路模擬信號切換控制電路和A/D轉(zhuǎn)換控制電路；
[0027]上位機指安裝LABVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件的PC機，利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件進行編程接收RS232串口通信電路傳來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。
[0028]整個系統(tǒng)電源管理模塊包括變壓電路和穩(wěn)壓電路；
[0029]所述變壓模塊將220V交流電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換為土 12V直流電壓；
[0030]所述穩(wěn)壓模塊將轉(zhuǎn)換后的±12V直流電壓轉(zhuǎn)換為±5V直流電壓，再將轉(zhuǎn)換后的5V直流電壓分別轉(zhuǎn)換為1.8V、2.5V和3.3V電壓；其中的±5V直流電壓為前置可編程儀表放大電路、二級固定增益放大電路、低通濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路供電；1.8V為傳感器供電；
2.5V為自適應(yīng)校準電路、工作狀態(tài)指示電路供電；3.3V為MCU控制器供電；
[0031]所述系統(tǒng)包括兩個開關(guān)；一個是供電開關(guān)，控制整個系統(tǒng)的元器件是否工作，另一個為虛擬開關(guān)，位于上位機虛擬儀器開發(fā)的人機交互界面，控制何時開始建立通信并進行數(shù)據(jù)采集與處理。
[0032]如圖3所示，具體使用本實用新型系統(tǒng)時，將該系統(tǒng)的磁傳感器陣列模塊、傳感器接口模塊放置于磁導(dǎo)率為400000的由80%鐵鎳合金制成的屏蔽室內(nèi)。首先打開供電開關(guān)后系統(tǒng)硬件進行初始化然后系統(tǒng)運行程序初始化；其次打開上位機軟件打開虛擬開關(guān)，系統(tǒng)建立通信，預(yù)熱系統(tǒng)并復(fù)位所有的傳感器；然后分別采集誤差數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行處理。
[0033]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不限制于本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)，其特征在于:包括磁傳感器陣列模塊、傳感器接口模塊、信號調(diào)理模塊、MCU控制模塊、上位機、電源管理模塊； 所述的磁傳感器陣列模塊包括:傳感器陣列和傳感器外圍電路；所述傳感器陣列包括高性能MI (Magnetoimpedance)磁傳感器；所述傳感器外圍電路包括自適應(yīng)校準電路和工作狀態(tài)指示電路；所述自適應(yīng)校準電路可將磁傳感器進行校準，恢復(fù)最佳性能；所述工作狀態(tài)指示電路通過發(fā)光二極管的亮滅可判斷系統(tǒng)是否正常運行； 所述的傳感器接口模塊包括:多路模擬信號切換電路及電路板上焊接彈性探針和標準接插件；所述多路模擬信號切換電路將傳感器陣列的輸出信號輪流傳送到信號調(diào)理模塊；所述彈性探針和高性能磁傳感器陣列的輸出引線相連接；標準的接插件直接與后端的信號調(diào)理模塊相連，所有微弱信號走線的周圍都由地線包圍； 所述的信號調(diào)理模塊包括:信號預(yù)處理模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路；所述信號預(yù)處理模塊包括前置可編程儀表放大電路、二級固定增益放大電路、低通濾波電路；前置可編程儀表放大電路和二級固定增益放大電路將傳感器陣列輸出的微弱信號電壓幅值進行放大后經(jīng)低通濾波電路濾除干擾信號；所述A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 所述的MCU控制模塊包括:RS232串口通信電路和信號控制模塊；所述RS232串口通信電路將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到上位機；所述信號控制模塊包括多路模擬信號切換控制電路和A/D轉(zhuǎn)換控制電路； 電源管理模塊為整體系統(tǒng)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述前置可編程儀表放大電路將傳感器陣列輸出的微弱信號電壓幅值放大至mV級；所述二級固定增益放大電路，放大倍數(shù)為100，輸出電壓幅值范圍為:0.8?5V ;所述低通濾波電路選用有源五階低通濾波電路；所述A/D轉(zhuǎn)換電路，采用高性能多通道16位A/D轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的上位機指安裝LABVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件的PC機，利用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)軟件進行編程接收RS232串口通信電路傳來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號米集系統(tǒng)，其特征在于:所述的電源管理模塊包括變壓電路和穩(wěn)壓電路；所述變壓模塊將220V交流電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換為±12V直流電壓；所述穩(wěn)壓模塊將轉(zhuǎn)換后的±12V直流電壓轉(zhuǎn)換為±5V直流電壓，再將轉(zhuǎn)換后的5V直流電壓分別轉(zhuǎn)換為1.8V、2.5V和3.3V電壓；其中的±5V直流電壓為前置可編程儀表放大電路、二級固定增益放大電路、低通濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路供電；1.8V為傳感器供電；2.5V為自適應(yīng)校準電路、工作狀態(tài)指示電路供電；3.3V為MCU控制器供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁傳感器的微弱生物磁信號采集系統(tǒng)，其特征在于:還包括兩個開關(guān)；一個是供電開關(guān)，控制整個系統(tǒng)的元器件是否工作，另一個為虛擬開關(guān)，位于上位機虛擬儀器開發(fā)的人機交互界面，控制何時開始建立通信并進行數(shù)據(jù)采集與處理。
【文檔編號】A61B5/055GK203524672SQ201320445048
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】吳小玲, 王旋, 王延花, 敦煌俊秋 申請人:南京醫(yī)科大學(xué)