基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电磁学、医疗检测等技术领域，具体涉及基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置。
【背景技术】
[0002]骨科是各大医院最常见的科室之一，常见病包括:骨病、骨质增生、骨折、骨质疏松、关节炎、颈椎病等。常用无创检测方法包括:x射线检查、电子计算机断层扫描(Computed Tomograhy，下文简称“CT”)和核磁共振成像技术(Magnetic ResonanceImaging,下文简称“MRI”)。其中前两种检测方法，可检测骨骼、软组织，均采用X射线作为检测信号，存在一定的放射性污染，对人体、环境有害，且体积大、造价昂贵，不适合大范围使用。
[0003]相对于前两种检测方法，MRI对骨组织的检测更全面，精度更高，能很好地显示软组织如:骨髓、脂肪、肌肉、骨腱、韧带和软骨以及病变如:肿块、坏死、出血和水肿等。MRI采用磁信号作为检测信号，其存在无放射污染，对人无害等优点。MRI的分辨率与磁体的磁场强度密切相关，磁场强度越大，分辨率越高。MRI磁体实现方式主要有两种:超导磁体和永磁体，现有技术以前者为主。超导磁体需采用液氮实现低温超导，具有技术难度大、制造成本高、维护费用高、体积大等问题。另外永磁体虽然也可达到较高的磁场强度，但是磁体体积庞大，且磁场均匀度难以保证。因此MRI设备功耗大、体积大、造价昂贵、检查费用高，不适合大范围使用。
[0004]有鉴于此，本发明提出基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置，采用宽频动态磁信号作为激励信号以测量各种离子、离子团的感应磁场的频谱特性，结合有源、无源方式局部屏蔽环境磁场干扰以提高检测精度，采用抑自感式磁场检测探头减少激励磁场直接耦合到磁场接收单元的量以提高检测分辨率，且无需磁体，可极大地减少装置体积、功耗以及造价。相对于现有的MRI系统，本发明具有体积小、精度高、功耗低、成本低、使用灵活等优点，可作为现有MRI检测的一种有效的补充方法，广泛用于医疗检测、工业检测等领域。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有骨组织检测技术的不足，将信息技术、电磁学原理有机地结合在一起，提出基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测方法与装置，具体原理如下:
从微观的角度看，生物组织均由分子、原子、离子组成。在生物组织中存在各种离子、离子基团，其质量、带电量、极性各不相同。根据麦克斯韦方程，离子在外磁场激励下，受洛仑兹力的作用转动，产生感应磁场。相对于电子来说，离子由于带有原子核，质量大很多(电子的质量比原子核小好几个数量级，通常可以忽略不计)，转动速度要慢很多。上述离子感应磁场的频率特性由转动速度成正比关系，因此相比于电子，离子感应磁场的频率小好几个量级，故本专利技术相对于MRI技术(以裸氢核的共振频率为例约400MHz)，装置的数据采集难度大大降低，极大地降低硬件设计难度。
[0006]离子的质量由其结构所决定，其大小决定其感应磁场的频率特性。从整体上看，生物组织所含各种离子质量各不相同，因此该感应磁场是一个宽频信号，频谱范围可从几赫兹到几十兆赫兹。同时离子的极性和带电量决定了感应磁场的方向和大小。上述离子感应磁场的频谱特性，含频率特性、方向和大小，简称为“动态磁激励离子谱”，均由离子的本质属性决定。
[0007]骨组织含有不同的组织，包括骨质、肌肉、韧带、骨髓、骨膜、脂肪等，由于不同组织所含的主要离子成分有所差异，例如:骨质中富含钙离子(Ca2+);红骨髓、骨膜中富含毛细血管、血红细胞，因此其富含亚铁离子(Fe2+)、钾离子(K+)、钠离子(Na+)等。因此通过分析和记录各种动态磁激励离子谱分布情况，结合麦克斯韦方程可反演出各种离子在人体内部的分布情况，实现人体内部的无创检查，包括被骨质完全包裹的骨髓。
[0008]另外肌肉、韧带上面富含丰富的神经，在骨运动时，由于神经上传导的生物电的传播，产生生物磁信号，并根据此磁信号可测得由于肌肉、韧带损伤产生的恒定磁场或者慢变化磁场，属于低频信号，频率范围是几赫兹到百赫兹以下。
[0009]此外，人体的磁场的强度(例如:心磁10 6高斯、骨胳肌磁10 8高斯、脑磁10 9高斯)相对于地磁场的强度(5*10 1高斯)、城市电磁干扰(5*10 3高斯)比较微弱，因此需要屏蔽环境磁场干扰，以提升检测精度。同时动态磁激励离子谱、生物磁信号相对于激励磁场是一种微弱信号，因此需要抑制自感，减少由于激励磁场直接耦合到接收装置的磁场强度，以保证检测分辨率。
[0010]综上所述，本发明将骨组织看作磁信号的传输通路，通过记录磁场(含:动态磁激励离子谱、生物磁信号)的分布情况，结合麦克斯韦方程，反演出骨组织的内部结构情况。本发明以宽频磁信号作为检测信号，采用有源/无源局部磁屏蔽结构、抑自感式磁场检测探头，实现高精度、小型化的骨组织无创检测。
[0011]为了达到以上目的，本发明所述的基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置由局部磁场屏蔽罩101、抑自感式检测前端102、信号处理端103三部分组成。其中局部磁场屏蔽罩101构成整个装置的外壳，负责屏蔽地磁、城市电磁等环境磁场干扰；抑自感式检测前端102放置在在局部磁场屏蔽罩101的内部，负责宽频检测磁信号的发射和感应磁信号的接收；信号处理端103可以是一台远程计算机或者服务器，负责控制信息的产生和接收磁感应信号的存储和分析处理；三个部分之间通过无线或者有线方式相连接，如图1所示。
[0012]其中，基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置的局部磁场屏蔽罩101负责屏蔽环境磁场的干扰，包括无源屏蔽罩201、有源柔性PCB屏蔽罩202、通信单元203、控制单元204，如图2所述。其中，所述的无源屏蔽罩201是一个由高磁导率硬性材料制成的筒状体，也可根据所检测的骨的形状的不同制作成各种形状；有源柔性PCB屏蔽罩202在无源屏蔽罩的内部，其作用在于进一步屏蔽环境磁场；通信单元203在无源屏蔽罩的外部，与控制单元204相连接，负责实现与抑自感式检测前端102、信号处理端103的通信，可采用有线或者无线通信模式；控制单元204负责根据抑自感式检测前端102经通信单元203所反馈的磁场接收信息，独立调节上述有源柔性PCB屏蔽罩202上的各个金属线圈的电流，将环境磁场抵消到更低的水平，以保证探测精度，其包含电源单元、处理器和功率放大单元。
[0013]上述有源柔性PCB屏蔽罩202，如图3所示，由多层柔性PCB板301组成，每层柔性PCB板上布有不同宽度、长度和间距的曲折金属线302，以提供电流的通路。每层的金属线可互相垂直、平行以及成一定角度。层间用按照一定顺序排列的短路线303连接，将各层金属线连接起来，组成多个立体金属线圈。金属线圈可与筒状体的横切面成一定角度或分布在筒状体的内表面上，且每个线圈独立供电。
[0014]所述基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置的抑自感式检测前端102负责宽频检测磁信号的发射和感应磁信号的接收，包括抑自感式磁场探头阵列401，信号收发单元402，扫描单元403、通信单元404和电源单元405，如图4所述。其中，抑自感式磁场探头阵列401主要负责磁场信号的发射和接收，其结构如图5所示，每个阵元包括多个磁场发射线圈501和多个磁敏接收单元502，它们按照一定的方式排列在一个平面上，其中每个磁场发射线圈501通以频率、幅度、相位不同的交流电或者直流电，用于发射宽频检测磁信号，同时综合调整各个磁场发射线圈501的位置以及电流的幅度和相位，使得磁敏接收单元502处在与磁场发射线圈所产生的磁场的相对正交的位置，以保证磁场发射金属线圈所发射的激励磁场直接耦合到磁敏接收单元的量最小，从而提高检测的分辨率，同时此结构无需磁体实现垂直极化，可有效地减少装置的整体尺寸；信号收发单元402与抑自感式磁场探头阵列401相连接，负责磁场发射线圈上的电信号的产生和磁敏接收单元上接收电信号的预处理，其由处理器、功率放大单元、低噪放大单元、存储单元等组成；扫描单元403负责在信号收发单元402的控制下，驱动抑自感式磁场探头阵列401运动，使得后者能遍历局部磁场屏蔽罩101内部的整个骨组织数据采集区域，其由处理器、步进电机组成；通信单元404与信号收发单元402相连接，负责实现与局部磁场屏蔽罩101、信号处理端103的通信，可采用有线或者无线通信模式；电源单元405负责对抑自感式检测前端102各个功能模块的供电，可采用有线电源或者电池实现。
[0015]所述基于动态磁激励离子谱的骨组织无创检测装置的信号处理端103可以是计算机、网络云处理终端及他移动计算设备(例如:智能手机)，负责控制信息的产生和接收磁感应信号的存储和分析处理，包括通信单元601、数据分析单元602、显示单元603、人机交互单元604、处理单元605、存储单元606及电源单