基于磁通门传感器的铁磁探测系统为MRI构建安全无磁环境

磁异信号探测具有重要的应用价值，已被广泛应用于航空航天、国防军事、工业生产和生物医学等领域。现实生活中，一些区域需要进行铁磁探测来实现无磁化，特别是铁磁性物质会产生干扰的环境，如核磁共振检查区域。在医疗器械领域，核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）设备是临床上普遍应用的医学成像设备，但是由于MRI所在的空间存在强磁场，铁磁性物质误入造成的人员受伤、干扰成像、中断工作和设备损坏成为MRI安全的一大隐患。

据麦姆斯咨询报道，针对核磁共振检查所处的环境背景磁场复杂、干扰较多，系统出现误报警高、探测失效等问题，上海理工大学的研究人员设计出一种基于磁通门传感器的铁磁探测系统，实现了MRI检查前的无磁化稳定探测。该系统在核磁共振室外复杂磁场环境可以减少设备工作时的误报警，有效探测出铁磁性物质。相关研究成果已发表于《电子测量技术》期刊。

在MRI室外，存在磁场噪声干扰，其中最主要的是MRI设备产生的梯度磁场、射频电子脉冲以及其它电磁噪声，这些因素会影响感应信号的输出，使采集的信号存在随机性。原有铁磁探测系统在复杂磁场环境下工作误报警率高，并且易输出饱和。针对原有系统存在的不足，研究人员设计了一种基于磁通门传感器的铁磁探测系统。系统总体方案如图1所示，主控芯片为DSPTMS320F28335，使用磁通门传感器作为系统磁场探测的探头。系统主要包括激励信号产生部分、感应信号处理部分、AD采集部分、数据处理算法部分，探测的磁场数据通过蓝牙串口实时传至上位机显示。在均匀分布的磁场中，铁磁性物质进入会破坏周围的磁场产生磁异常信号，系统通过解析异常信号，实现对铁磁性物质探测。系统进行磁场探测的传感器是平行式结构的双磁芯磁通门传感器，如图2所示。

图1 基于磁通门传感器的铁磁探测系统总体方案

图2 双磁芯磁通门传感器

该系统使用二次谐波法测量磁场信号，设计模拟电路进行信号相敏检测。通过积分反馈提高闭环系统的线性度和抗干扰性，探头工作在稳定的状态。采用卡尔曼滤波对背景磁场和磁异信号进行处理，提高信号信噪比，同时设计了能量检测器对磁异信号进行检测。

图3 AD630相敏检测电路

图4 卡尔曼滤波信号

通过试验测试，该系统信号输出的幅值、能量值与测试物体的铁磁性含量和距离有关，铁磁性含量越大、距离越近，磁异信号幅值和能量检测值随之增加，该系统对常见随身携带的铁磁性物体有效探测距离可以达到1m。原系统在MRI工作的环境下易产生误报警，现有系统的误报警得到改善，在MRI工作时平均误报警率下降到5.8%。该系统为MRI检查构建了安全的无磁环境，提高了设备检查效率。

图5 铁磁探测系统工作示意图

图6 能量检测器计算值

审核编辑：刘清