本发明属于磁感应断层检测领域，特别涉及一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法。
背景技术：
1、生物电磁原理是一门研究生物组织中的电、磁及电磁现象的学科，包括可兴奋组织的行为、生物体内的电流和电势、体内外磁场、生物细胞对电磁场的响应及生物组织的电磁特性等。生物体内存在带电离子和生物大分子，这些电荷和偶极子在外界电磁场或膜电位驱动下产生生物电流。水在生物体中占重要地位，以偶极子形式存在。细胞膜上的离子通道和电位差是细胞电活动的基础，不同组织和器官具有不同的电导率和磁导率。生物电磁学在医学诊断(如心电图、脑电图和肌电图)、体脂分析、肿瘤检测及神经调控和康复治疗等领域有广泛应用，通过实验研究和计算模型，推动了医学技术的发展和疾病的诊断与治疗。
2、与基于生物电磁原理的技术相比，ct(计算机断层扫描)和mri(磁共振成像)是两种不同的医学成像技术。如专利号为cn201880086909.x的发明专利，提出了一种用于在x射线安全检查系统中扫描物体的ct方法，ct利用x射线穿透人体不同组织的能力，通过检测射线的衰减来生成内部结构的断层图像，提供高分辨率的图像。然而，ct使用x射线，属于电离辐射，对人体有一定的辐射风险，不适合频繁检查。如专利号为cn202010794127.0的发明专利提出了一种医用图像诊断装置，其中mri利用强磁场和射频脉冲，通过核磁共振(nmr)现象生成人体内部结构的详细图像，特别在软组织成像方面具有优异的分辨率，广泛应用于神经系统疾病和心血管疾病的诊断。mri不使用电离辐射，对人体组织没有电离损伤，适合长期和反复检查，但设备昂贵，扫描时间较长，对某些患者不适用。
3、考虑到电场与磁场之间的紧密联系，同时磁场是物质中电荷运动的结果且对生物组织基本无任何影响，相比于ct和mri，磁感应方法对环境光要求基本为零，且不易受到仪器性能和处理速度的影响。相比于ct，磁感应不会对人体产生电离辐射风险；相比于mri，磁感应也不会受到设备成本和扫描时间的限制，并且更为低功耗。因此，利用磁感应原理与麦克斯韦方程，通过施加外部磁场获取相关电特性数据，可以对目标区域内的电导率、磁导率、密度等进行高通量快速分析。
4、目前，市场上大多数磁感应断层设备都存在高功耗的问题，限制了其在便携式和长时间监测中的应用。因此，本发明提出了一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法，通过使用一个单通道的磁感应断层扫描测量装置，获取目标区域的电导率数据。该装置通过一个多路复用器(mux)来选择不同的鉴相方法。模拟鉴相相对于数字鉴相，功耗更低，但精度不如数字鉴相高。对于不同的应用场景，可以通过mux选择最合适的鉴相方法，以平衡功耗和精度。低功耗特性不仅降低了设备的运行成本，还使得该装置在各种应用环境中更加实用和高效。最终，通过获取相关理化指标构建预测模型，使用预测模型进行相应的分析和检测，实现对目标区域内扰动的快速、精准检测。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提出一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法，从而实现对不同目标扰动状态精度需求的低功耗检测，操作简单且检测效果准确。
2、本发明的技术构思是首先设计激励模块，确保该模块能够发送高频且相位偏移率极低的两路同频同相位的电压的正弦波信号，再将其中一路正弦波信号经过低通滤波器进入功率放大器模块，使得正弦波的电流足够大可以激励线圈模块，线圈模块的设计由仿真设计和制造两部分构成，需要控制相关参数保证仿真的电感量与实测电感量能够保持一致，接着设计差分放大电路将线圈模块产生的差分信号进一步信号放大，放大信号输入到mux中，mux可以根据需求将检测信号选择性地传输到模拟鉴相模块和数字鉴相模块，最终有效的保证在满足功能需求的同时降低功耗，提高便携能力和长时间监测需求。
3、本发明实现上述发明目的所采用的技术方案如下：
4、一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析方法，包括以下步骤：
5、s1：构建相位偏移率极低的高频多通道激励模块，该模块能够发送高频且相位偏移率极低的两路同频同相位的电压的单端正弦波信号，第一路正弦波信号进入步骤s2，第二路正弦波信号记为参比信号；
6、s2：搭建集成低通滤波器的功率放大模块，将步骤s1第一路正弦波信号经过低通滤波器去除高频混叠和噪声后，进入功率放大器大模块，将正弦波信号转换为差分信号，并进行信号放大；
7、s3：仿真并制造线圈模块和差分放大模块，线圈模块包括平行间隔设置的接收线圈和发射线圈，将步骤s2放大的差分信号输入至发射线圈，发射线圈通电下产生磁场信号，接收线圈在该磁场信号的作用下能达到磁生电的效果，接收线圈输出电压的正弦波信号，通过差分放大模块进一步信号放大，并将差分信号转换成单端信号，获得调制信号；
8、s4：配置一系列不同电导率大小的盐溶液，盐溶液放置于步骤s3线圈模块的系统物场区域，即是发射线圈和接收线圈的中间位置，按照步骤s1-s3的操作，通过扫频的方式采集每个电导率盐溶液干扰下的一系列不同频段的调制信号以及采集对应的参比信号，获得相应的数据集；
9、s5：搭建低功耗鉴相模块，通过多路复用器mux设计出模拟鉴相和数字鉴相结合的低功耗鉴相模块，通过模拟鉴相或数字鉴相推算出步骤s4数据集中对应两种信号的相位差，获得关于相位差与电导率对应关系的数据集；
10、s6：构建基于距离相关系数改进的lstm回归预测模型，将步骤s5得到的数据集划分为训练集和测试集，并利用所述构建的预测模型进行训练；之后进行待测盐溶液的电导率检测时，先按照步骤s1-s5的方法测试相位差，然后输入至训练后的预测模型中，即可得到对应盐溶液电导率。
11、优选的，所述步骤s1具体包括，一个相位偏移率极低的高频多通道激励模块，包括：主控芯片、dds(直接数字频率合成器)、低通滤波器。主控芯片使用stmf103rc，dds采用ad9959芯片，最大工作带宽为200mhz，支持线性频率、幅度和相位扫描。主控stmf103rc通过spi接口发送频率控制字(ftw)、相位偏移字(pow)和幅度缩放因子(asf)的指令到dds，设置所需的输出参数。完成设置后，通过发送i/o更新信号，dds将寄存器值更新到内部缓冲区，从而生成精确的输出信号，dds分别使用如下三个公式来计算输出频率，相位偏移、输出信号的幅值：
12、
13、其中，ftw是频率控制字，fout是所需的输出频率，fsys是dds的系统时钟频率。
14、
15、其中，pow是相位偏移字，φ是所需的相位偏移。
16、asf＝ri×210 (3)
17、其中，asf是幅度缩放因子，ri是所需的输出电流与最大输出电流的比值。
18、作为优选，步骤s1中高频多通道激励模块发送的正弦波信号的相位偏移率为0.001°-0.0001°。
19、优选的，所述步骤s2具体包括：
20、s2.1：搭建无源低通滤波器，在直接数字频率合成器(dds)系统之后使搭建200mhz巴特沃斯低通滤波器9阶，主要是为了去除高频混叠和噪声，提高信号的频谱纯净度。dds输出的信号可能包含不需要的高频成分和谐波，这些成分会引起频谱失真。200mhz的巴特沃斯低通滤波器9阶通过其平滑的频率响应(即在通带内幅度平稳，在截止频率之后迅速衰减)，有效地滤除这些高频成分，改善信号质量。其传递函数如下式所示：
21、
22、其中，ωc＝2πfc是截止频率的角频率，fc是截止频率，n是滤波器的阶数为9，s是进入低通滤波器的输入信号的复频率，h(s)是传递函数，它是滤波器的核心，定义了输入信号在频域中经过滤波器后的变化。
23、s2.2：搭建前后两级功率放大器，第一级功率放大器采用ad8138，第二级功率放大器采用ad8131，首先使用ad8138将dds产生的单端正弦波信号转换为差分信号，并进行增益放大(例如放大10倍)。接着，ad8131对差分信号进行进一步增益放大(例如放大2倍)，保持差分信号的特性并提升输出幅度。通过这两级放大器的组合，可以有效地将输入信号放大较多倍数(例如20倍)，使得放大后正弦波的电流足够大可以激励线圈，同时保证高精度和低失真，ad8138的增益由公式5所示，ad8131的差模增益由公式6所示。
24、
25、其中，gn为增益，rf1和rg1为ad8138外围电路中的反馈电阻和输入电阻。
26、
27、其中，vout和vin分别为ad8138的差模输出电压和单端输入电压，rf2和rg2为ad8131外围电路中的反馈电阻和输入电阻。
28、优选的，所述步骤s3具体包括：仿真并制造线圈模块，保证线圈仿真的电感量能够首先达到系统需求，接收线圈和发射线圈均通过如下公式进行相关参数设定：
29、
30、其中，l是线圈电感量，r是线圈的平均半径，n是线圈的匝数，l是线圈的长度，d是线圈的厚度。
31、另外为了保证线圈模块产生足够强度的磁场，那么需要测定接收线圈真实的电感量，通过回路连接方式把接收线圈的差分输入线圈变成单端输入的线圈，然后使用网络分析仪测量在不同频域下的电感量和阻抗。通过测定真实的电感量，调整线圈模块的通电功率。
32、s3.3：为了提高系统的稳定性，3d打印特定的装置固定接收线圈和发射线圈。
33、优选的，所述步骤s3中的一个差分放大模块，采用能够有效避免共模信号干扰，减少接地噪声和系统噪声，提高磁感应线圈弱信号检测的可靠性和抗干扰能力的差分检测方式。选用有极高共模抑制比的差分放大芯片将差分信号转换成单端信号，方便后续进行一系列处理。
34、优选的，步骤s5低功耗鉴相模块的搭建具体包括：
35、s5.1：搭建一个扇出为2的mux选择器放置在该模块的前级，使能控制信号由主控芯片输出；
36、s5.2：mux选择器通过电路连接模拟鉴相和数字鉴相，mux选择器根据检测领域选择模拟鉴相或数字鉴相进行相位差的推算，检测精度高的领域选择数字鉴相，检测精度低的领域选择模拟鉴相。以数字鉴相为例，可以通过执行数字信号处理算法，计算两个信号的相位差。该算法通常包括计算两个信号的傅里叶变换，以提取相位信息，或者使用时域交叉相关方法来估计相位差。通过这种方式，数字鉴相模块能够准确地测量高速信号的相位差，并将结果用于进一步的信号处理或分析。
37、优选的，步骤s4中配置一系列不同电导率大小的盐溶液，是配置一系列不同浓度的盐的水溶液，所述盐为氯化钠。
38、优选的，所述步骤s6所述距离相关系数改进的lstm回归预测模型，包括以下内容：
39、s6.1：通过扫频的方式采集每个电导率盐溶液干扰下的一系列不同频段的调制信号以及采集对应的参比信号，每个电导率盐溶液干扰下均扫描i个不同频段的电压信号，获得30个频段的相位差数据集，上述每个频段下1s采集一次数据，采集时间总计b秒，由此每个频段的相位差数据集是由b列相位差数据组成；
40、为了获取能够最优表示电导率与相位差数据之间存在最高相关性的频段数据，需要对分别对每一个频段进行距离相关系数相关程度分析，相关程度计算公式如下：
41、
42、其中，dcor(x,y)是距离相关系数，dcov(x,y)是距离协方差，dvar(x)和dvar(y)是x和y的距离方差；x是对应频段下的b列数据中一列相位差数据，y是a个盐溶液对应不同的电导率；a、b均为10-1000的正整数；
43、定义盐溶液电导率的数据集为y＝[y1 y2 … ya]t，定义盐溶液电导率在频段i下的相位差数据矩阵为w＝[wi,1 wi,2 … wi,a]t，其中，wi,1代表的是编号1盐溶液电导率在频段i下的相位差数据[δσi,1 δσi,2 … δσi,b]；定义a个盐溶液电导率在对应频段下的b列数据第j列相位差数据为x＝[x1,j x2,j … xa,j]t；
44、s6.2：根据s6.1计算并统计的相关性总值最高即距离相关系数最大的频段对应的相位差数据作为目标相位差数据；
45、s6.3：将由s6.2获取的目标相位差数据矩阵定义为：
46、
47、将上述相位差数据da，b作为数据集输入，并将s6中的盐溶液电导率y作为数据集输出，μx＝e(x),μy＝e(y)，利用lstm构建电导率回归预测模型进行训练。
48、s6.4：lstm回归预测模型的网络结构从输入的相位差数据开始，首先通过嵌入层进行数据嵌入。嵌入层的主要作用是将输入的高维离散数据映射到低维的连续向量空间，进而将复杂的相位差数据转换成模型能够更好处理的形式。通过数据嵌入，模型可以捕捉到输入数据中的潜在关系和模式，减少数据的稀疏性，使得后续的特征提取过程更加有效。此外，嵌入层还能够帮助模型在处理不同维度的数据时保持一致性，提高模型的泛化能力。完成数据嵌入后，数据会被输入到双向lstm(bi-lstm)层中进行时间序列特征的提取。lstm(长短期记忆网络)是一种特别适合处理时间序列数据的神经网络结构，能够有效捕捉数据中的长期依赖关系。而bi-lstm通过引入前向和后向两个lstm单元，能够同时考虑时间序列的上下文信息，即不仅关注过去的数据，还关注未来的数据。这样的设计使得模型在处理相位差数据时，能够更好地捕捉到全局上下文特征，从而提取出更加丰富和有意义的时间序列特征。这些提取出的时间序列特征将作为后续层的输入，用于进一步的特征处理和模型预测。通过嵌入层与bi-lstm的结合，网络结构能够充分利用时间序列数据的特性，提升了对复杂数据的处理能力和对电导率预测的准确性。
49、s6.5：提取的特征经过隐藏层处理后，传递到自注意力层(self-attentionlayer)以捕捉全局上下文信息，并生成注意力权重。这些权重应用到特征上，最终通过分类层输出预测的电导率结果。这个模型结合了双向lstm和自注意力机制，提高了时间序列数据的特征提取和预测能力。
50、优选的，所述步骤s6具体包括：利用训练集用来训练预测模型，利用测试集用来测试训练后的预测模型的性能。并基于测试集的预测值与实际值的决定系数r2和rmse作为指标判定模型的有效性。
51、实现本发明的一种基于生物电磁原理的低功耗磁感应断层目标扰动分析装置与方法，包括：高频多通道激励模块、低功耗鉴相模块、改进的lstm回归预测模型。
52、所述高频多通道激励模块。首先，构建相位偏移率极低的高频多通道激励源，以确保信号的准确性和一致性。接着，搭建集成低通滤波器的功率放大电路，使放大后的正弦波电流足够大，可以有效激励线圈。然后，通过仿真并制造线圈模块，设计特定的3d打印装置来固定接收线圈和发射线圈，从而提高系统的稳定性和精度。这些步骤结合在一起，实现了一个高精度的激励模块。
53、所述低功检测鉴相模块通过mux自适应控制鉴相电路针对不同电导率和不同精度需求的应用场景。该模块可以大幅度减少当前数字鉴相磁感应断层成像设备带来的高功耗问题，也能增加当前模拟鉴相磁感应断层成像设备应用场景较少的问题。通过使用低功耗的磁感应断层扫描测量装置在规定时间内采集200不同电导率盐溶液的相位差数据，该数据由30个频段的数据组成，从5mhz到34mhz，每一个频段的数据由256个数值组成，再通过这些数据构建相位差数据集。
54、所述改进的lstm回归预测模型。通过计算相位差和电导率之间的相关性以获取相关性最高的频段数据，具体为：由于每个电导率盐溶液都有对应的30个频段的电导率数据，为了获取能够最优表示相位差数据与电导率之间存在最强相关性的频段数据。需要对分别对每一个频段进行距离相关系数相关程度分析，计算并统计的相关性总值最高的频段数据作为目标电导率数据，根据区间抽样并按照7：3比例划分训练集和测试集。并利用lstm构建电导率回归预测模型，并输入由检测装置获取的对应目标的相位差数据作为测试集，从而得到对应编号盐溶液的电导率。并在此基础上计算实际值与测量值之间的r2与rmse。
55、本发明的有益效果为：
56、(1)采用相位偏移率极低的高频多通道激励模块，结合集成低通滤波器的功率放大电路，实现高精度的信号激励，确保信号的准确性和一致性。通过仿真和制造的线圈模块以及3d打印装置的固定设计，提高了系统的稳定性和精度。
57、(2)通过mux自适应控制鉴相电路，灵活选择模拟和数字鉴相方式，显著降低系统功耗，适用于多种不同电导率和精度需求的应用场景。模拟鉴相功耗更低，而数字鉴相精度更高，多路复用器的选择使得在不同应用环境中找到功耗与精度的最佳平衡点。
58、(3)采用基于距离相关系数改进的lstm回归预测模型对电导率预测，通过计算相位差和电导率之间的相关性，精确提取与电导率相关性最高的频段数据，并构建lstm回归预测模型，显著提高电导率预测的准确性。这一模型在处理复杂、多频段数据时表现出色，助力实现对目标区域内扰动状态的精准分析和检测。
59、(4)通过低功耗设计和高效数据处理，使得装置适用于便携式和长时间监测应用，降低设备运行成本，提升应用便捷性和持续性。整体系统设计不仅在实验室环境中表现优异，还具有很强的实用性，广泛应用于医学诊断、环境监测等领域，为低功耗、高精度目标扰动分析提供有效解决方案。