基于磁通門傳感器的鐵磁探測(cè)系統(tǒng)為MRI構(gòu)建安全無(wú)磁環(huán)境

磁異信號(hào)探測(cè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事、工業(yè)生產(chǎn)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?，F(xiàn)實(shí)生活中，一些區(qū)域需要進(jìn)行鐵磁探測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)磁化，特別是鐵磁性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生干擾的環(huán)境，如核磁共振檢查區(qū)域。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）設(shè)備是臨床上普遍應(yīng)用的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，但是由于MRI所在的空間存在強(qiáng)磁場(chǎng)，鐵磁性物質(zhì)誤入造成的人員受傷、干擾成像、中斷工作和設(shè)備損壞成為MRI安全的一大隱患。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)核磁共振檢查所處的環(huán)境背景磁場(chǎng)復(fù)雜、干擾較多，系統(tǒng)出現(xiàn)誤報(bào)警高、探測(cè)失效等問(wèn)題，上海理工大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出一種基于磁通門傳感器的鐵磁探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了MRI檢查前的無(wú)磁化穩(wěn)定探測(cè)。該系統(tǒng)在核磁共振室外復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境可以減少設(shè)備工作時(shí)的誤報(bào)警，有效探測(cè)出鐵磁性物質(zhì)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《電子測(cè)量技術(shù)》期刊。

在MRI室外，存在磁場(chǎng)噪聲干擾，其中最主要的是MRI設(shè)備產(chǎn)生的梯度磁場(chǎng)、射頻電子脈沖以及其它電磁噪聲，這些因素會(huì)影響感應(yīng)信號(hào)的輸出，使采集的信號(hào)存在隨機(jī)性。原有鐵磁探測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境下工作誤報(bào)警率高，并且易輸出飽和。針對(duì)原有系統(tǒng)存在的不足，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于磁通門傳感器的鐵磁探測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示，主控芯片為DSPTMS320F28335，使用磁通門傳感器作為系統(tǒng)磁場(chǎng)探測(cè)的探頭。系統(tǒng)主要包括激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生部分、感應(yīng)信號(hào)處理部分、AD采集部分、數(shù)據(jù)處理算法部分，探測(cè)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙串口實(shí)時(shí)傳至上位機(jī)顯示。在均勻分布的磁場(chǎng)中，鐵磁性物質(zhì)進(jìn)入會(huì)破壞周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生磁異常信號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)解析異常信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁性物質(zhì)探測(cè)。系統(tǒng)進(jìn)行磁場(chǎng)探測(cè)的傳感器是平行式結(jié)構(gòu)的雙磁芯磁通門傳感器，如圖2所示。

圖1 基于磁通門傳感器的鐵磁探測(cè)系統(tǒng)總體方案

圖2 雙磁芯磁通門傳感器

該系統(tǒng)使用二次諧波法測(cè)量磁場(chǎng)信號(hào)，設(shè)計(jì)模擬電路進(jìn)行信號(hào)相敏檢測(cè)。通過(guò)積分反饋提高閉環(huán)系統(tǒng)的線性度和抗干擾性，探頭工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。采用卡爾曼濾波對(duì)背景磁場(chǎng)和磁異信號(hào)進(jìn)行處理，提高信號(hào)信噪比，同時(shí)設(shè)計(jì)了能量檢測(cè)器對(duì)磁異信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

圖3 AD630相敏檢測(cè)電路

圖4 卡爾曼濾波信號(hào)

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)信號(hào)輸出的幅值、能量值與測(cè)試物體的鐵磁性含量和距離有關(guān)，鐵磁性含量越大、距離越近，磁異信號(hào)幅值和能量檢測(cè)值隨之增加，該系統(tǒng)對(duì)常見(jiàn)隨身攜帶的鐵磁性物體有效探測(cè)距離可以達(dá)到1m。原系統(tǒng)在MRI工作的環(huán)境下易產(chǎn)生誤報(bào)警，現(xiàn)有系統(tǒng)的誤報(bào)警得到改善，在MRI工作時(shí)平均誤報(bào)警率下降到5.8%。該系統(tǒng)為MRI檢查構(gòu)建了安全的無(wú)磁環(huán)境，提高了設(shè)備檢查效率。

圖5 鐵磁探測(cè)系統(tǒng)工作示意圖

圖6 能量檢測(cè)器計(jì)算值

審核編輯：劉清