一种基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪的制作方法

本发明涉及心磁测量，具体而言，涉及一种基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪。

背景技术：

1、目前，针对心肌缺血、心肌梗死、冠脉微血管梗死等心脏疾病的心磁测量系统而言，心磁检测设备先后发展出两代产品，第一代产品为基于超导量子干涉元件（superconducting quantum interference device , squid）的心磁仪。第二代产品为基于光学泵浦磁力计（optical pump magnetometer , opm）的心磁仪。

2、基于超导量子干涉元件（superconducting quantum interference device ,squid）的心磁仪，它的优点是灵敏度高，达到femotesla(ft)级别。然而，squid心磁仪设备体积大，需要液氦或液氮进行冷却，同时也需要屏蔽室，设备和安装维护费用昂贵，这样使得squid心磁仪仅在有限的大医院和大学等研究机构中被引入。

3、基于光学泵浦磁力计（optical pump magnetometer , opm）的心磁仪，它的优点是灵敏度，可以达到亚picotesla(pt)级别。然而，它使用稀有金属铷、铯，在真空管里用激光器加热到180度，同时另外一个激光用来读出光谱。因为激光器的使用，它的功耗非常高，也需要屏蔽室，设备和安装维护费用昂贵，同时它需要在零磁场环境下工作，屏蔽室内因为有剩余磁场，因此屏蔽室需要放置一个线圈来抵消剩磁，每次使用前都需要进行磁场校准。因为连续工作在高温状态，产生另外一个缺点是传感器的寿命比较短。

4、为了克服上述产品的缺陷，我们需要用到新的传感器技术。实际上，测量心脏磁场的幅度，主要跟测量的距离有关，当传感器距离胸部10mm 以内时，测量到的心磁在r波时峰值最强，在120~500pt之间，t波峰值在20~70pt(我们主要关心r波和t波，它是心跳主要表征参数)。上述squid传感器外围被低温气体包围，所以距离测试对象的胸部距离较远，测试到的r波在10pt以内。上述opm传感器本身体积较大，同时需要散热，所以距离测试对象的胸部距离较远，测试到的r波在40pt以内。因此我们可以用体积小，常温工作的达到皮特(pico-tesla)级别灵敏度的器件来实现心磁测量。

5、基于非晶线磁性材料制作的巨磁阻抗(gmi)传感器具有较高的灵敏度，采用数字全桥式峰峰值电压检测电路的gmi磁力计甚至可以达到pt级分辨率。通过mi共轴检测，在峰峰值电压检测电路中增加差分方式，可以进一步发展成gmi梯度计。这样就消除了背景磁场，从而无需昂贵的屏蔽室或者屏蔽罩。由于gmi功耗极低，所以无需制冷，在室温下就可以工作。gmi梯度计材料成本低，电路简单，体积小，适合医疗上大规模推广普及。

技术实现思路

1、本发明公开了一种基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪，它主要由参考生物磁传感器单元、生物磁传感器阵列、数据采集单元、信号处理单元、可视化处理和显示单元、系统控制和自检单元，还有支撑柱、悬臂、机箱和四个滑轮等结构件组成。参考生物磁传感器放置于被测试者背部心脏部位，采集心脏磁场信号，作为参考信号。生物磁传感器阵列是由m*n个基于非晶线磁性材料的皮特(pt)级灵敏度的巨磁阻抗(gmi) 传感器组成，放置于被测试者胸前，采集心脏磁场信号。数据采集单元负责先把传感器来的多路模拟信号转化成数字信号，然后通过网络传输到信号处理单元。信号处理单元对信号进行各种滤波（如高通滤波、低通滤波和带阻滤波）、信号对齐、信号周期平均等操作来提高信噪比和去除信号起伏。可视化处理单元，把信号组成时间序列图(单通道和多通道叠加图)、频率序列图、磁场分布梯度等高图、磁场电流方向及极性箭头图、3d心脏轮廓图，并在显示器上显示。 系统控制和自检单元负责整个系统的数据流管理，包括系统自检(在开机时，检查各个模块是否正常工作，并保存日志，上传故障信息)，模块复位，启动数据流动（如探测、采集、处理、显示），病人档案的建立、保存、上传、打印等。该心磁仪系统还有支撑柱、悬臂、机箱和四个滑轮等结构件，方便调整测量位置和设备整体移动。

2、进一步的，在本发明中，参考生物磁传感器放置于被测试者背部心脏部位，检测到的信号幅度比传感器阵列检测到的信号高很多，作为参考信号，以便后续信号处理单元信号对齐，进行滤波操作。

3、进一步的，在本发明中，生物磁传感器阵列是由m*n个基于非晶线的皮特(pt)级灵敏度的巨磁阻抗(gmi) 传感器组成的，它的灵敏度是系统成败的关键，必须把信号rms噪声控制在10pt以内，才能有效地检测到心脏脉冲电流的t波(它的峰值在30pt左右)。同时需要采用差分处理来消除环境的均匀磁场(如45ut左右的地球磁场)，这样设备才能实现无屏蔽室和无屏蔽罩。

4、进一步的，在本发明中，数据采集单元负责把传感器过来的多路模拟信号转化成数字信号，通过fpga的控制实现同步采集，采集后的数据编号后，打包通过网络传输到信号处理单元。

5、进一步的，在本发明中，信号处理和显示单元对信号进行各种滤波（如高通滤波、低通滤波和带阻滤波）、信号对齐、信号周期平均等操作来提高信噪比和去处信号起伏。高通滤波主要是把0.1hz以下的噪声滤除。低通滤波主要是把100hz以上的噪声滤除。带阻滤波或者叫陷波滤波，是为了滤除50hz(中国、欧洲)或者60hz(美国、日本)的市电频率噪声。经验模态分解(empirical mode decomposition, emd)可以纠正胸部呼吸造成的信号大幅度起伏变化。为了提高信噪比可以采用信号周期平均等操作，在周期平均之前需要把信号与参考信号对齐，也就是找到qrs的峰值，采用10~30个周期的累积平均，可以把信噪比snr提高200%。

6、进一步的，在本发明中，可视化处理单元，把信号组成时间序列图(单通道和多通道叠加图)、频率序列图、磁场分布梯度等高图、磁场电流密度及极性箭头图、3d心脏轮廓图。时间序列图用来测量st时间间隔和st段抬高。频率序列图显示心跳周期。磁场分布梯度等高图用来观察心脏磁场是多极还是双极。磁场电流密度及极性箭头图用来观察r峰时t峰时，极性箭头旋转的角度。以上几个图是医生判断心律异常、心肌梗死、冠状微血管梗死等定性和定位的重要手段。

7、进一步的，在本发明中，系统控制和自检单元负责整个系统的数据流管理，包括系统自检，模块复位，启动数据流动（如探测、采集、处理、显示），病人档案的建立、保存、上传、打印等。

8、进一步的，在本发明中，系统控制和自检单元的自检功能模块作为一种维测手段，在开机时，检查各个模块是否正常工作，并保存日志，上传故障信息。

9、进一步的，在本发明中，由于gmi传感器功耗低，无需制冷和散热，信号采集单元和处理单元低功耗、小体积，从而心磁系统整体体积小、功耗低，便于移动。

技术特征：

1.一种基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征包括：参考生物磁传感器、生物磁传感器阵列、数据采集和信号处理单元、可视化处理和显示单元、系统控制和自检单元，并且其在常温下、无屏蔽环境中工作，还包括支撑柱、悬臂、机箱和四个滑轮组成的结构件。

2.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，所述参考生物磁传感器，是基于非晶线磁性材料制作的巨磁阻抗(gmi) 传感器。

3.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，所述生物磁传感器阵列是由m*n个基于非晶线磁性材料制作的巨磁阻抗(gmi) 传感器组成的，m*n可以是4*6、5*6、6*6，6*8、8*8、12*8。

4.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，所述数据采集和信号处理单元负责把多路模拟信号转化成数字信号，并对信号进行滤波操作。

5.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，所述可视化处理和显示单元，把信号映射成时间序列图、频率序列图、磁场分布梯度等高图、磁场电流方向及极性箭头图、3d轮廓图，并在显示器上显示。

6.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，所述系统控制和自检单元负责整个系统的数据流管理，包括系统自检，模块复位，启动数据流动（探测、采集、处理、显示）。

7.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，所述支撑柱、悬臂、机箱和四个滑轮作为设备的机械结构组装在一起。

8.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，该系统工作时，无需昂贵的屏蔽室，也不需要屏蔽壳。

9.根据权利要求书1所述的基于巨磁阻抗传感器的移动式无屏蔽心磁仪系统，其特征在于，该系统在常温工作，无需制冷。

技术总结
本发明公开了一种基于巨磁阻抗技术的移动式无屏蔽心磁仪系统，它主要由参考生物磁传感器、生物磁传感器阵列、数据采集卡、信号处理器、可视化处理和显示单元、系统控制和自检单元，还有支撑柱、悬臂和四个滑轮组成的结构件。参考生物磁传感器放置于被测试者背部心脏部位，采集心脏磁场信号，作为参考信号。生物磁传感器阵列是由M*N个基于非晶线磁性材料制作的高灵敏度的巨磁阻抗(GMI)传感器组成的，放置于被测试者胸前，采集心脏磁场信号。数据采集单元负责先把多路模拟信号转化成数字信号，按照通道编号打包，然后通过网络传输到信号处理单元。信号处理单元对信号进行各种滤波（如高通滤波、低通滤波和带阻滤波）、信号对齐、信号周期平均等操作来提高信噪比和去除信号起伏。可视化处理和显示单元，把信号组成时间序列图(单通道和多通道叠加图)、频率序列图、磁场分布梯度等高图、磁场电流方向及极性箭头图、3D轮廓图，并通过显示器显示。系统控制和自检单元负责整个系统的数据流管理，包括系统自检(在开机时，检查各个模块是否正常工作，并保存日志，上传故障信息)，模块复位，启动数据流动（探测、采集、处理、显示），病人档案的建立、保存、上传、打印等。该心磁仪系统在常温下、无屏蔽环境中工作。该心磁仪系统还有支撑柱、悬臂、机箱和四个滑轮等结构件，方便调整测量位置和设备整体移动。

技术研发人员：胡继超
受保护的技术使用者：胡继超
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15