基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统及方法，该系统由TMR弱磁传感器阵列检测模块和信号分析模块组成，该方法的步骤为：1)将带有TMR磁组传感器的圆锥形装配单元的磁阻传感器阵列结构安放在头部，形成脑磁传感层，由磁阻传感器阵列采集脑磁场信息；2）采用磁阻传感器阵列结构中TMR磁阻传感器产生的磁场方向相反的结构；3)由信号分析模块从TMR弱磁传感器阵列检测模块中磁阻元件的输出信号中提取奇次谐波，并对奇次谐波进行分析，再通过优化算法进行数据分析，从而准确的检测出脑磁信息。本发明专利技术具有简易的算法，实现方便，性能稳定，结果可靠、易于扩展、效益高的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统及方法
本专利技术涉及一种脑磁信息检测系统及分析方法，特别是一种基于TMR弱磁传感器的脑磁信息检测系统及分析方法。
技术介绍
超导传感器如SQUID用作测量脑部弱磁场，用无创的方式在靠近脑部的地方可以获得脑磁图，但是SQUID对环境有较高的要求，需要被浸在制冷剂中使用，加深了工艺制作的麻烦和增加了成本。巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)被广泛应用于弱磁信号的探测和测量领域。如：磁力计、高度传感器、航向检测、地雷检测、电流传感器和磁场信号传感器。带有磁感结构的GMR或者TMR传感器能输出线性可逆的响应电压作为施加磁场的函数。隧道磁电阻TMR传感器具有灵敏的检测性能和方便灵巧的体积，通过增加补偿电阻可以免受环境温度变化的影响以及提高检测灵敏度。在先技术中，脑磁测量采用头盔式屏蔽层或采用屏蔽室操作，成本高，操作麻烦也无法较好的避免身体本身产生的干扰磁场。采用SQUID传感器需要使用的制冷剂使得工艺复杂，也有成本高的缺点。在先技术中，对于脑磁恢复采用的MCG特征提取与分类方法、基于频域分析的特征提取算法以及基于时频分析的特征提取法可以对脑磁信号进行识别。
技术实现思路
本专利技术在现有技术的基础上提出一种由更简洁，可操作的脑磁检测系统及分析方法，更具体地涉及脑磁测量，具有算法简易、实现方便、性能稳定、结果可靠、易于扩展、提高效益的优点。本专利技术的技术方案是：一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，由TMR弱磁传感器阵列检测模块和信号分析模块组成，所述TMR弱磁传感器阵列检测模块中具有固定磁层的磁场方向相反的磁阻传感器装配单元组成的磁阻传感器阵列结构，所述磁阻传感器装配单元包括TMR传感器结构、圆锥形装配单元的基片底层，TMR传感器结构贴片于圆锥形装配单元的基片底层上，TMR传感器结构中的补偿电阻与TMR磁阻元件的贴片连接，补偿电阻两个终端分别作为TMR磁阻元件的电源输入终端和信号输出终端，与TMR磁阻元件连接，所述TMR弱磁传感器阵列检测模块与信号分析模块相连接。进一步，所述补偿电阻的电阻R是传感器敏感区域的应用脑部磁场Hhead的函数，其中，其中，i为偏置电流，Vs为依靠偏置电流和磁阻获得输出电压，R0为电阻的各向同性分量或偏移量，随温度变化,S为随磁场变化的分量，即响应曲线的斜率，dR为电阻的变化量。进一步，所述磁阻传感器装配单元中将固定磁层有180度相对角的TMR弱磁传感器和其补偿电阻分别贴片于圆锥形装配单元的基片底层上形成基于外界磁场和身体磁场的非探测目标的磁场会产生不同方向磁场的两种不同的圆锥形隧道磁阻元件，其中，圆锥形隧道磁阻元件中间部分由隧道磁阻元件A组成，外圈部分由隧道磁阻元件B组成，便于使外部较宽泛的磁场抵消和更准确的测量小范围变化的脑磁场。进一步，所述圆锥形隧道磁阻元件的固定磁层的磁场方向互相有180度的相对角，自由磁层的磁场方向与固定磁层的磁场方向的夹角固定为90度。一种采用基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统的脑磁信息检测分析方法，其步骤为：1)将带有TMR磁组传感器的圆锥形装配单元的磁阻传感器阵列结构安放在头部，形成脑磁传感层，由磁阻传感器阵列采集脑磁场信息；2)采用磁阻传感器阵列结构中TMR磁阻传感器产生的磁场方向相反的结构，使非探测目标的外部磁场以及身体其它部位产生的磁场相消，而互相有一定间隔的传感器阵列的排列使得脑部产生的弱磁场使得一部分传感器阵列产生阻值变化，另一部分由于距离较远不能产生阻值变化，从而测出脑磁；3)由信号分析模块从TMR弱磁传感器阵列检测模块中磁阻元件的输出信号中提取奇次谐波，并对奇次谐波进行分析，再通过优化算法进行数据分析，从而准确的检测出脑磁信息。所述步骤3)的具体方法为通过头部磁场原始数据采集，并传输给信号分析模块提取信息的奇次谐波，采用一次谐波作为测量曲线，根据脑磁场和输出电压在可测范围内呈线性关系，算出脑磁场脑磁的输出信息为奇次谐波的振幅在零磁场附近在确定范围内呈线性关系，以调制频率提取奇次谐波，测量出外部场，且测量结果与补偿电阻和热漂移独立并通过输出的信号强弱，定位出脑磁源。所述一次谐波的振幅表示为式中Ha代表施加的调制场的振幅，Hc代表输出信号电压对脑部磁场的响应曲线达到饱和状态时的脑部磁场值，Hhead代表所测量的脑磁信号，g1和g2是根据响应曲线所确定的关于斜率的参数；取H0等于Hc可以扩展测量范围，从参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha可获得外部磁场的测量数据。通过仿真的测量曲线得到输出信号的一次谐波h1有更好的线性特性和测量灵敏度，由TMR传感器装配阵列的输出电压来测，通过传递函数的参数g1、g2和施加的调制场的振幅Ha，获得脑磁的直接测量方法。并通过磁阻传感器阵列输出信号的强弱位置，并分析信号位置。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)在先技术测量脑磁装备存在体积大，设备笨重的不足，选用体积小，灵敏的TMR传感器作为测量元件。并采用将TMR弱磁传感器和其补偿电阻分别贴片于尖头圆柱形隧道磁阻元件中，增加了接触测量的精确度，同时也减小了体积。具有提高效益、操作方便、重量较轻、使被测量者感受舒适，结果更准确和性能稳定的特点。2)在先技术用遮蔽物或者屏蔽层的无法消除身体其他部位磁场干扰的不足上进行布局设计，在传感器装配的元件结构布局上，契合脑部形状设计的圆形弱磁传感器装配阵列结构，其内圆采用的A类弱磁传感器结构和外环采用的B类弱磁传感器结构能够较好的消除源于相对宽的人身体的或外界环境的磁场改变的外部磁场干扰。具有操作简单方便，实用性强的特点。3)在先技术的输出信号的分析方法上进行优化简化，仿真曲线表明一次谐波有较好的线性特性和灵敏度因此选用一次谐波作为测量曲线，并据此选取线性函数段作为输出的作为所施加场的函数的线性和可逆响应。在一定的测量范围一个磁阻元件和偏置电流产生的元件，并进一步的用限制频率和振幅的磁调制场测量方式，一个同步探测所述元件输出信号的仪器来测量输出信号奇次谐波的振幅。具有便于分析脑磁场的大小和位置，算法可逆简便，结果准确等特点。附图说明图1a是传感器阵列的装配单元的纵面剖视图；图1b是传感器阵列的装配单元的整体外观图；图2是传感器阵列电路的连接图；图3为表示A和B固定磁层的磁场方向相反的两种隧道磁阻元件在环境大磁场H和小磁场Hs的影响下分别的阻值变化曲线；其中：A1表示自由磁层与固定磁层的磁场方向呈90度的角；B1表示自由磁层与固定磁层的磁场方向相反；A2表示自由磁层与固定磁层的磁场方向一致并呈一角度；B2表示自由磁层与固定磁层的磁场方向相反并呈一角度；图4为表示由两种类型的隧道磁阻元件A和B组成的基于TMR的弱磁传感器阵列的脑磁测量装置，其中两类隧道磁阻元件A和B的个数和分别形成圆圈的圈数可以根据需要设定；图5为表示图4的装置戴在检测者的头上；图6为表示输出信号Vs是所施加磁场的函数；图7为表示输出信号的前四次谐波的振幅是所施加磁场的函数；图8为表示在调制场的直流分量等于饱和场值Hc的情形下，一次谐波的振幅变化。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术的基于TMR磁阻传感器阵列的脑磁信息检测分析方法，如图3所示，是基于磁阻传感器的电阻随着外界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，由TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)和信号分析模块(13)组成，其特征在于：所述TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)中具有固定磁层的磁场方向相反的磁阻传感器装配单元组成的磁阻传感器阵列结构，所述磁阻传感器装配单元包括TMR传感器结构、圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)，TMR传感器结构贴片于圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)上，TMR传感器结构中的补偿电阻(1)与TMR磁阻元件(12)的贴片连接，补偿电阻(1)两个终端分别作为TMR磁阻元件(12)的电源输入终端和信号输出终端，与TMR磁阻元件(12)连接，所述TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)与信号分析模块(13)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，由TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)和信号分析模块(13)组成，其特征在于：所述TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)中具有固定磁层的磁场方向相反的磁阻传感器装配单元组成的磁阻传感器阵列结构，所述磁阻传感器装配单元包括TMR传感器结构、圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)，TMR传感器结构贴片于圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)上，TMR传感器结构中的补偿电阻(1)与TMR磁阻元件(12)的贴片连接，补偿电阻(1)两个终端分别作为TMR磁阻元件(12)的电源输入终端和信号输出终端，与TMR磁阻元件(12)连接，所述TMR弱磁传感器阵列检测模块(7)与信号分析模块(13)相连接。2.根据权利要求1所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，其特征在于：所述补偿电阻(1)的电阻R是传感器敏感区域的应用脑部磁场Hhead的函数，其中，i为偏置电流，Vs为依靠偏置电流和磁阻获得输出电压，R0为电阻的各向同性分量或偏移量，随温度变化,S为随磁场变化的分量，即响应曲线的斜率，dR为电阻的变化量。3.根据权利要求1所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，其特征在于：所述磁阻传感器装配单元中将固定磁层有180度相对角的TMR弱磁传感器和其补偿电阻分别贴片于圆锥形装配单元(6)的基片底层(4)上形成基于外界磁场和身体磁场的非探测目标的磁场会产生不同方向磁场的两种不同的圆锥形隧道磁阻元件，其中，圆锥形隧道磁阻元件中间部分由隧道磁阻元件A组成，外圈部分由隧道磁阻元件B组成，便于使外部较宽泛的磁场抵消和更准确的测量小范围变化的脑磁场。4.根据权利要求1所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁信息检测系统，其特征在于：所述圆锥形隧道磁阻元件的固定磁层的磁场方向互相有180度的相对角，自由磁层的磁场方向与固定磁层的磁场方向的夹角固定为90度。5.一种采用权利要求1-4任一所述的基于TMR弱磁传感器阵列的脑磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈书行，王胜峰，钟秋婵，唐詹，高秀敏，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31