專利名稱：用于生物組織識別的電渦流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的生物傳感器，具體地說，是指ー種用于識別不同生物組織的電渦流傳感器。
背景技術(shù)：
根據(jù)電導(dǎo)率的不同進行生物組織的識別，是目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點問題。最常用的研究方法是電阻抗斷層成像法(EIT)和磁感應(yīng)斷層成像法(MIT)。EIT技術(shù)在實際應(yīng)用過程中需要將電極與生物組織接觸或者是通過感應(yīng)的方法對被測目標施加安全激勵，再直接測量目標表面的電流，通過所測得的電流信息來重建生物組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。EIT技術(shù)·最主要的問題在于由于電極與被測對象的接觸，存在電極極化的現(xiàn)象，不能獲得可靠而充足的測量數(shù)據(jù)，會對測量結(jié)果造成很大的影響，而且無法探測前方一定距離的生物組織特性。MIT是ー種非接觸式測量組織電阻電導(dǎo)率的成像技木，它依據(jù)的原理是把被測生物組織置于激勵磁場中，利用生物組織內(nèi)感應(yīng)出的微弱渦流的擾動磁場進行檢測。MIT的主要優(yōu)點是MIT方法可以獲取前方一定距離處生物組織的電磁特性，從而實現(xiàn)非接觸檢測。而且MIT技術(shù)無漏電流產(chǎn)生，可以獲得阻抗絕對值，抗噪性能好等。由于生物組織的電導(dǎo)率遠遠低于金屬材料，因此利用MIT技術(shù)在生物組織內(nèi)產(chǎn)生的渦流信號及其微弱。因此，如果提供檢測的靈敏度，是成功的關(guān)鍵所在。目前常見的電渦流傳感器根據(jù)線圈數(shù)量的多少可以分成單線圈、雙線圈、三線圈以及線圈陣列四大類。對于單線圈形式的電渦流傳感器，這是最傳統(tǒng)的形式，傳感器只有一個線圈，它既是激勵器，在周圍空間產(chǎn)生交變磁場，同時也是檢測器圈，接收渦流信號。這種形式具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，缺點就是有效探測距離短、靈敏度低，通常是不到線圈外徑的1/2，很難滿足生物組織識別的要求。對于雙線圈形式的電渦流傳感器，一共有兩個線圈一個線圈是作為激勵線圈，通以激勵電流，在周圍空間產(chǎn)生交變磁場；另外ー個線圈是作為檢測線圈，接收渦流信號。根據(jù)激勵線圈、檢測線圈以及被測體之間的相對位置又可以分成兩種形式ー種是反射式結(jié)構(gòu)，激勵線圈與檢測線圈位于被測導(dǎo)體的同一側(cè)，例如張衛(wèi)平、施立亭、趙徐森提出的“長距離雙線圈電渦流傳感器的原理與設(shè)計”(電子學(xué)報，1998，26 (12):61-64)。這種形式的問題在于形成的傳感器體積較大。另外ー種是透射式結(jié)構(gòu)，激勵線圈與檢測線圈分別位于被測導(dǎo)體的兩側(cè)，例如 Griffiths H.提出的“Magnetic induction tomography”(Meas. Sci·techno, 2001, 35 (12))。這種形式不適于生物組織的識別。對于三線圈形式的電渦流傳感器，具有ー個激勵線圈和兩個接收線圈，或者具有兩個激勵線圈和一個接收線圈。例如何文輝、顏國正、郭旭東提出的“ー種新型電渦流傳感器的理論分析”(上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40 (3) :495-498)，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)層和外層激勵線圈都通以交變電流，檢測線圈位于內(nèi)層和外層激勵線圈之間。實驗結(jié)果表明此種同軸三線圈結(jié)構(gòu)渦流傳感器能夠有效提高信號的靈敏度，同時也能提高有效探測距離。缺點就是渦流探頭會做得很大。另外其研究的被測物是金屬導(dǎo)體，未有對生物組織電導(dǎo)率的測量進行研究。對于線圈陣列形式的電渦流傳感器，主要采用單線圈激勵多線圈接收的方式，多通道接收線圈呈陣列結(jié)構(gòu)布局，是ー種封閉區(qū)間成像模式，例如秦明新、呂華提出的“腦磁感應(yīng)斷層成像”(國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊，2005，28 (4):218 221)。目前這種結(jié)構(gòu)的傳感器廣泛應(yīng)用于對腦顱骨的監(jiān)測實驗中，可以實現(xiàn)部分生物組織的識別。缺點就是實驗裝置會做得比較龐大，不利于系統(tǒng)的集成微型化，更無法滿足外科等臨床手術(shù)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有電渦流技術(shù)的不足，提出了一種線圈激勵、巨磁阻檢測的電渦流傳感器，可實現(xiàn)生物組織電導(dǎo)率的高靈敏檢測，從而達到識別不同生物組織的目的。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供一種電渦流傳感器，該傳感器由激勵線圈、接收器、補償器和處理電路組成；所述接收器和補償器布置于激勵線圈軸線位置，且激勵線圈、接收器和補償器均與處理電路相連；所述處理電路產(chǎn)生正弦信號通入激勵線圈，在激勵線圈的周圍產(chǎn)生交變的主磁場，根據(jù)電渦流效應(yīng)的基本原理，該主磁場會在被測的生物組織內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，從而產(chǎn)生次級磁場，接收器用于感測該次級磁場，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，該電信號將被送到處理電路進行處理，實現(xiàn)對不同生物組織的識別；補償器用于修正激勵線圈產(chǎn)生的軸向磁場的影響。本發(fā)明的激勵線圈，其特殊之處在于采用扁平式環(huán)形線圈形式。激勵線圈的外徑保證傳感器達到設(shè)定的探測距離，一般激勵線圈的外徑盡可能大些，以保證傳感器具有足夠遠的探測距離，滿足外科手術(shù)的預(yù)警探測需求。另ー方面，激勵線圈的外徑也受限于傳感器的總體外形尺寸，以保證傳感器整體小型化。激勵線圈的內(nèi)徑在保證接收器和補償器的前提下，可以適當縮小，以便增大線圈的匝數(shù)。激勵線圈的厚度可根據(jù)線圈電氣參數(shù)要求來選擇。本發(fā)明的接收器，其特殊之處在于采用了巨磁阻傳感器來探測被測生物組織內(nèi)產(chǎn) 生的渦流信號。由于巨磁阻傳感器具有比傳統(tǒng)磁阻傳感器更高的靈敏度，因此可以較為容易地獲取被測生物組織內(nèi)產(chǎn)生的微弱渦流信號，識別不同生物組織的識別。更好的，本發(fā)明接收器可以采用了三維巨磁阻傳感器來同時檢測三個方向的磁場變化，ー個方向與激勵線圈產(chǎn)生的磁場方向相同(即軸向)，兩個方向與激勵線圈產(chǎn)生的磁場方向垂直(即橫向)。由此可以適應(yīng)于各種復(fù)雜的被測生物組織的不同特性，滿足臨床識別生物組織的需要。本發(fā)明的補償器，其特殊之處在于補償器同樣采用巨磁阻傳感器。更好的，補償器采用ー維巨磁阻傳感器，其磁場檢測方向與激勵線圈產(chǎn)生的磁場方向相同(即軸向)。這樣，補償器檢測到的軸向磁場信號與接收器檢測到的軸向磁場信號一致，由此可修正激勵線圈產(chǎn)生的軸向磁場的影響。本發(fā)明的處理電路的作用，一方面是為激勵線圈提供交流激勵電流，另ー方面是接觸來自接收器和補償器的輸出信號，并對信號進行處理。本發(fā)明的處理電路主要由激勵電路、加法電路、減法電路、控制電路、顯示器和電源等部分組成。其中激勵電路為激勵線圈提供激勵信號，并在被測組織者產(chǎn)生渦流；加法電路負責處理來自接收器的兩個橫向磁場信號，并將兩個橫向磁場信號直接相加，得到總的橫向磁場信號，送入控制電路；減法器負責處理接收器檢測到的軸向磁場信號和補償器檢測到的軸向磁場信號，并將兩個信號相減，形成差動，從而消除激勵線圈產(chǎn)生的軸向磁場信號對測量的影響，并將此差動軸向磁場信號送入控制電路?？刂齐娐穼⒖偟臋M向磁場信號與差動軸向磁場信號求和，得到最終的磁場信號，并在顯示器上進行顯示。該信號與生物組織的導(dǎo)電率直接相關(guān)，由此可以得到生物組織的導(dǎo)電特性，并可以實現(xiàn)不同生物組織的識別。采用上述技術(shù)方案之后，本發(fā)明具有以下有益效果采用電渦流方法和巨磁阻傳感器實現(xiàn)生物組織電導(dǎo)率的非接觸檢測，并可探測前方一定距離的組織特性變化，可以滿足臨床手術(shù)要求，可廣泛應(yīng)用于各種外科手術(shù)導(dǎo)航或生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用?！?br>

圖I為本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2為本發(fā)明的激勵線圈結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的接收器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的補償器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的處理電路組成示意圖。圖中，I-被測組織，2-接收器，3-激勵線圈，4-補償器，5-處理電路。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的描述。如圖I所示，本發(fā)明的電渦流傳感器由接收器2、激勵線圈3、補償器4和處理電路5組成。激勵線圈3為中空環(huán)形線圈，接收器2和補償器4布置于激勵線圈3軸線位置，接收器2在激勵線圈3前面，補償器4在激勵線圈3后面，激勵線圈3、接收器2和補償器4均與處理電路5相連。該傳感器工作吋，由處理電路5產(chǎn)生的正弦信號通入激勵線圈3，會在激勵線圈3的周圍產(chǎn)生交變的主磁場。根據(jù)電渦流效應(yīng)的基本原理，該主磁場會在被測的生物組織I內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，從而產(chǎn)生次級磁場。接收器2用于感測該次級磁場，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。該電信號將被送到后續(xù)的處理電路5進行處理。由于不同生物組織具有不同電導(dǎo)率，因此不同組織產(chǎn)生的電信號強度是不同的，由此可以實現(xiàn)對不同生物組織的識別。由于采用激勵線圈3在被測生物組織內(nèi)產(chǎn)生渦流信號，因此本發(fā)明的傳感器可以探測前方一定距離的組織特性并予以識別。補償器4的作用是修正激勵線圈3產(chǎn)生的軸向磁場的影響，提高檢測的準確性和穩(wěn)定性。本實施例中，激勵線圈3如圖2所示，采用扁平式環(huán)形線圈形式。激勵線圈3的外徑D盡可能大些，以保證傳感器具有足夠遠的探測距離，滿足外科手術(shù)的預(yù)警探測需求。另一方面，激勵線圈3的外徑D也受限于傳感器的總體外形尺寸，以保證傳感器整體小型化。例如，假設(shè)傳感器整體外形尺寸要求控制在5mm,傳感器外科壁厚約為O. 5mm,則激勵線圈3的外徑D應(yīng)不超過4mm。
本實施例中，激勵線圈3的內(nèi)徑d在保證接收器2和補償器4的前提下，可以適當縮小，以便增大線圈的匝數(shù)。例如，假設(shè)接收器2和補償器4的最大外形尺寸為2. 5_，則激勵線圈3的內(nèi)徑d應(yīng)略大于2. 5mm。激勵線圈3的厚度t根據(jù)線圈電氣參數(shù)要求來選擇。厚度t的增加將直接改變激勵線圈3的匝數(shù)，由此可以増加激勵線圈3的電感量L和內(nèi)阻R0本實施例中，接收器2如圖3所示，較好的，采用了巨磁阻傳感器來探測被測生物組織I內(nèi)產(chǎn)生的渦流信號。由于巨磁阻傳感器具有比傳統(tǒng)磁阻傳感器更高的靈敏度，因此可以較為容易地獲取被測生物組織內(nèi)產(chǎn)生的微弱渦流信號，識別不同生物組織的識別。更好的，接收器2采用了三維巨磁阻傳感器來同時檢測三個方向的磁場變化，ー個方向與激勵線圈3產(chǎn)生的磁場方向相同(即軸向z),兩個方向與激勵線圈3產(chǎn)生的磁場方向垂直(即橫向X和y)。由此可以適應(yīng)于各種復(fù)雜的被測生物組織的不同特性，滿足臨床識別生物組織的需要。本實施例中，補償器4如圖4所示，補償器4同樣采用巨磁阻傳感器，被置于接收器2的上方(或稱后方)，補償器4與接收器2均處于激勵線圈3的軸線位置上。補償器4采用ー維巨磁阻傳感器，其磁場檢測方向與激勵線圈3產(chǎn)生的磁場方向相同(即軸向z)。這·樣，補償器4檢測到的軸向磁場信號與接收器2檢測到的軸向磁場信號一致，由此可修正激勵線圈3產(chǎn)生的軸向磁場的影響。本實施例中，處理電路5的主要作用，ー是為激勵線圈3提供激勵信號，ニ是接收來自接收器2和補償器4的電信號，三是對接收信號進行處理，得出所需的結(jié)果。本發(fā)明的處理電路5如圖5所示，主要由激勵電路、加法電路、減法電路、控制電路、顯示器和電源等部分組成。其中激勵電路、加法電路、減法電路以及顯示器均與控制電路連接。激勵電路為激勵線圈3提供激勵信號G，并在被測組織者產(chǎn)生渦流。加法電路負責處理接收器2檢測到的兩個橫向磁場信號R5i和RY，并將兩個橫向磁場信號直接相加，得到總的橫向磁場信號Mh,送入控制電路。減法器負責處理接收器2檢測到的軸向磁場信號Rz和補償器4檢測到的軸向磁場信號Cz，并將兩個信號相減，形成差動軸向磁場信號MD，從而消除激勵線圈3產(chǎn)生的軸向磁場信號對測量的影響，并將此軸向磁場信號Md送入控制電路?？刂齐娐穼⒖偟臋M向磁場信號Mh與差動軸向磁場信號Md求和，得到最終的磁場信號，并在顯示器上進行顯示。該信號與生物組織的導(dǎo)電率直接相關(guān)，由此可以得到生物組織的導(dǎo)電特性，并可以實現(xiàn)不同生物組織的識別。本發(fā)明的傳感器采用電渦流方法和巨磁阻傳感器實現(xiàn)生物組織電導(dǎo)率的非接觸檢測，并可探測前方一定距離的組織特性變化，可以滿足臨床手術(shù)要求，可廣泛應(yīng)用于各種外科手術(shù)導(dǎo)航或生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于生物組織識別的電渦流傳感器，其特征在于該傳感器由激勵線圈、接收器、補償器和處理電路組成；所述接收器和補償器布置于激勵線圈軸線位置，且激勵線圈、接收器和補償器均與處理電路相連；所述處理電路產(chǎn)生正弦信號通入激勵線圈，在激勵線圈的周圍產(chǎn)生交變的主磁場，根據(jù)電渦流效應(yīng)的基本原理，該主磁場會在被測的生物組織內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，從而產(chǎn)生次級磁場，接收器用于感測該次級磁場，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，該電信號將被送到處理電路進行處理，實現(xiàn)對不同生物組織的識別；補償器用于修正激勵線圈產(chǎn)生的軸向磁場的影響。
2.如權(quán)利要求I所述的用于生物組織識別的電渦流傳感器，其特征在于所述激勵線圈采用扁平式環(huán)形線圈形式，激勵線圈的外徑保證傳感器達到設(shè)定的探測距離。
3.如權(quán)利要求I所述的用于生物組織識別的電渦流傳感器，其特征在于所述的接收器采用巨磁阻傳感器來實現(xiàn)磁場檢測。
4.如權(quán)利要求3所述的用于生物組織識別的電渦流傳感器，其特征在于所述的接收器采用三維巨磁阻傳感器來同時檢測三個方向的磁場變化，ー個方向與激勵線圈產(chǎn)生的磁場方向相同，兩個方向與激勵線圈產(chǎn)生的磁場方向垂直。
5.如權(quán)利要求I所述的用于生物組織識別的電渦流傳感器，其特征在于所述的補償器采用巨磁阻傳感器來實現(xiàn)磁場檢測，且補償器被置于接收器的上方。
6.如權(quán)利要求5任一項所述的用于生物組織識別的電渦流傳感器，其特征在于所述的補償器采用ー維巨磁阻傳感器，其磁場檢測方向與激勵線圈產(chǎn)生的磁場方向相同。
7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的用于生物組織識別的電渦流傳感器，其特征在于所述的處理電路由激勵電路、加法電路、減法電路、控制電路、顯示器和電源組成；其中激勵電路為激勵線圈提供激勵信號，并在被測組織者產(chǎn)生渦流；加法電路負責處理來自接收器的兩個橫向磁場信號，并將兩個橫向磁場信號直接相加，得到總的橫向磁場信號，送入控制電路；減法器負責處理接收器檢測到的軸向磁場信號和補償器檢測到的軸向磁場信號，并將兩個信號相減，形成差動，從而消除激勵線圈產(chǎn)生的軸向磁場信號對測量的影響，并將此差動軸向磁場信號送入控制電路；控制電路將總的橫向磁場信號與差動軸向磁場信號求和，得到最終的磁場信號，并在顯示器上進行顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于生物組織識別的電渦流傳感器，該傳感器由激勵線圈、接收器、補償器和處理電路組成；接收器和補償器布置于激勵線圈軸線位置，且激勵線圈、接收器和補償器均與處理電路相連；處理電路產(chǎn)生正弦信號通入激勵線圈，在激勵線圈的周圍產(chǎn)生交變的主磁場，該主磁場會在被測的生物組織內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，從而產(chǎn)生次級磁場，接收器用于感測該次級磁場，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，該電信號將被送到處理電路進行處理，實現(xiàn)對不同生物組織的識別；補償器用于修正激勵線圈產(chǎn)生的軸向磁場的影響。本發(fā)明采用電渦流方法和巨磁阻傳感器實現(xiàn)生物組織電導(dǎo)率的非接觸檢測，并可探測前方一定距離的組織特性變化，可以滿足臨床手術(shù)要求。
文檔編號G01N27/72GK102841128SQ201210297349
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月20日
發(fā)明者趙輝, 劉偉文, 陶衛(wèi), 雷華明, 劉滿華, 呂春峰, 姜凱 申請人:上海交通大學(xué)