基于gmi效应的脑磁信号探头、传感器及采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及脑机接口技术研究实验的脑磁信号采集装置，具体设及一种基于GMI 效应的脑磁信号探头、传感器及采集系统。
【背景技术】
[0002] 脑机接口（Brain-Computer Inte;rface,BCI)作为一种能将大脑思维意识直接转 换成外部设备控制指令的新型人机交互技术，其潜在的应用价值在学术研究、康复医疗W 及军事作战等领域内正得到越来越广泛的关注。目前，国内外相关研究团队已经开发出一 些令人印象深刻的脑机接口演示系统（比如思维字符拼写、脑控轮椅等），但运些系统的使 用环境仍局限于实验室之中，且使用者在没有专业人±介入的情况下很难长期使用BCI系 统。运其中一个重要原因是作为BCI系统信号源的脑电化EG)信号检测手段仍采用传统的接 触式测量方式，且需要一些辅助处理（比如涂抹导电膏)来提高信号采集质量。运类传统的 检测手段存在实验准备时间长、电极帽舒适性差、抗干扰性能和维持性都达不到实用性要 求的缺陷，还远远做不到实用脑机接口系统所期望的"即插即用"和"随时可用"的理想目 标。采用脑磁信号替代脑电信号作为BCI中用于检测脑信号的重要手段，可W有效避免传统 的EEG采集技术中必须采用接触式采集方式的缺点，大大提高信号的稳定性和长期使用性， 并且可W真正实现"即插即用"和"随时可用"的目标。然而，传统的脑磁检测手段，如脑磁图 (MEG)，虽然可W实现相比于脑电更为灵敏、安全，且可W非接触测量，但由于MEG设备通常 庞大、昂贵，而且必须在磁屏蔽室中进行，使得目前脑磁信号仍然无法成为实用BCI设备的 检测手段。
[0003] GMI效应，就是当软磁性材料（多为Co基非晶和Fe基纳米晶）的丝或条带通W交流 电流la。时，材料两端感生的交流电压Uw随着丝纵向所加的外磁场出X的变化而灵敏变化的现 象，其实质是非晶丝自身的阻抗随外加磁场的灵敏变化。通过信号采集线圈，我们可W将阻 抗值转化为电压值，从而实现对外磁场出X的测量。GMI磁传感器能够在非磁屏蔽环境中对微 弱磁场进行精确探测，从而基于GMI效应的非接触式脑磁信号检测技术，具有快速准备、使 用简单和稳定可靠等特点，实现"即插即用"和"随时可用"的大脑活动状态检测，对于提高 脑机接口的实用性，将脑机接口拓展到实际应用之中具有重要意义。
[0004] 在现有非晶丝磁传感器，多数采用单根非晶丝或者相互平行的两根非晶丝放置方 法，在磁场检测的过程中，只能够测量出空间磁感应强度矢量在沿非晶丝轴向上的磁场强 度，即一维磁场强度。而如果要想获得一个空间点的Ξ维磁感应强度矢量值，一维磁场测量 传感器需要进行至少Ξ次不同方向磁场测量。运个过程不仅需要传感器进行精确定轴转 动，而且采集到的数据需要经过复杂的处理还原过程。在精度要求极高(ρΤ级）的生物磁场 探测中，将会引入极大的空间位移误差，对最终的测量结果产生较大的误差。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能实现"即插即 用"和"随时可用"的大脑活动状态检测、提高脑机接口实用性，将脑机接口拓展到实际应用 中，准备快速、使用简单、检测精度高、稳定可靠的基于GMI效应的脑磁信号探头、传感器及 义集系统。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种基于GMI效应的脑磁信号探头，包括布置在同一个平面上且呈直条状的至少 Ξ组非晶丝，每一组非晶丝包括至少一根非晶丝，任意相邻两组非晶丝之间形成夹角，每一 组非晶丝上套设有拾取线圈。
[000引优选地，任意相邻两组非晶丝之间形成60°夹角，使Ξ组非晶丝排列呈正Ξ角形 状。
[0009] 优选地，至少一组非晶丝上套设有反馈线圈。
[0010] 优选地，至少一组非晶丝上套设有校零线圈。
[0011] 优选地，所述反馈线圈和拾取线圈层叠布置，且所述反馈线圈绕设于拾取线圈外 侧;所述校零线圈和拾取线圈层叠布置，且所述校零线圈绕设于拾取线圈外侧。
[0012] 优选地，所述反馈线圈的应数为拾取线圈的0.1~5倍，所述校零线圈的应数为拾 取线圈的0.2~1倍，所述拾取线圈的内径L取值为一组非晶丝直径的5~20倍。
[0013] 本发明还提供一种基于GMI效应的脑磁信号传感器，包括传感器外围电路和至少 一个脑磁信号探头，所述脑磁信号探头的输出端和传感器外围电路相连，所述脑磁信号探 头为前述基于GMI效应的脑磁信号探头。
[0014] 优选地，所述传感器外围电路包括脉冲发生器、限流电阻、差分放大电路和两个检 测单元，所述脉冲发生器的输出端通过各组非晶丝、限流电阻接地，所述脑磁信号探头的各 组非晶丝之间相互并联或者串联，所述检测单元包括模拟开关、充电电容和低通滤波器，两 个检测单元的模拟开关分别一端通过一个拾取线圈接地、另一端通过充电电容后接地，所 述低通滤波器的输入端连接于模拟开关、充电电容之间，两个检测单元的低通滤波器输出 端分别与差分放大电路的输入端相连。
[0015] 优选地，所述传感器外围电路还包括反馈与偏置电路，所述反馈与偏置电路包括 加法器、VI转换器、偏置电压源和电位器，所述加法器的输入端分别与第一低通滤波器、第 二低通滤波器的输出端相连，所述加法器的输出端依次通过V/I转换器、反馈线圈接地，所 述偏置电压源的输出端通过电位器、校零线圈接地。
[0016] 本发明还提供一种基于GMI效应的脑磁信号采集系统，包括脑磁信号接收模块、信 号采集器和脑磁检测探头帽，所述脑磁检测探头帽上设有前述基于GMI效应的脑磁信号传 感器，所述脑磁信号传感器的输出端通过信号采集器和脑磁信号接收模块相连。
[0017] 本发明基于GMI效应的脑磁信号探头具有下述优点：
[0018] 1、本发明包括布置在同一个平面上且呈直条状的至少Ξ组非晶丝，每一组非晶丝 包括至少一根非晶丝，任意相邻两组非晶丝之间形成夹角，每一组非晶丝上套设有拾取线 圈，在磁场的测量过程中，将两个拾取线圈的输出信号沿剩余的一个拾取线圈的方向进行 合成，将合成的输出信号与剩余的一个拾取线圈的信号做矢量差，即得到该点磁场对应电 压值，可W根据电压正负号判断磁场的方向，因此只需要进行一次测量即可合成平面磁场 的矢量值，使用方便快捷。
[0019] 2、在非屏蔽的情况下，空间中很难存在匀强磁场，即任何不重合空间两点磁场都 存在不一致性，导致在使用非晶丝进行磁场测量必然会存在相应的误差。在本发明的方案 中，任意相邻两组非晶丝之间形成夹角，每一组非晶丝上套设有拾取线圈，Ξ个方向的非晶 丝组所获得的数据存在着冗余量，因此能够为进一步采用合适的数据处理方法减少最终探 测结果的误差提供基础数据，因此能实现"即插即用"和"随时可用"的大脑活动状态检测、 提高脑机接口实用性，将脑机接口拓展到实际应用中，具有准备快速、使用简单的优点。
[0020] 3、本发明包括布置在同一个平面上且呈直条状的至少Ξ组非晶丝，每一组非晶丝 包括至少一根非晶丝，任意相邻两组非晶丝之间形成夹角，每一组非晶丝上套设有拾取线 圈，因此选择其中两个拾取线圈输出信号经处理后的差分值构成该路非晶丝输出的脑磁信 号，能够消除均一远场（即地磁场等均一磁场)的影响，获得近场(即脑磁信号）的信号，减少 外部磁场对拾取线圈的干扰，提升磁场检查的精确度，具有检测精度高、稳定可靠的优点。
[0021] 本发明基于GMI效应的脑磁信号传感器W及基于GMI效应的脑磁信号采集系统均 为包含本发明基于GMI效应的脑磁信号探头的整体产品，因此同样也能够达到本发明基于 GMI效应的脑磁信号探头前述的技术效果，故在此不再寶述。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例一中脑磁信号探头的结构原理图。
[0023] 图2为本发明实施例一的平面磁场测量原理示意图。
[0024] 图3为本发明实施例一中单根非晶丝上的线圈剖视结构示意图。
[0025] 图4为本发明实施例一中脑磁信号传感器的结构原理图。
[0026] 图5为本发明实施例一中脑磁信号采集系统的结