CN108227014A - 一种用于mr检查前人体金属材料的检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于MR检查前人体金属材料的检测装置，包括：控制核心单片机、金属物体探测器，步进马达、光电传感器、D/A转换器,信号放大器，声光报警器、大屏显示器；步进马达控制金属物体探测器的移动，所述的金属物体探测器、光电传感器、D/A转换器、信号放大器，声光报警器、大屏显示器均连接在核心单片机上，声光报警器、大屏显示器均连接在信号放大器上，整个检测装置采用电源组件供电。本发明能快速的检测到金属物体的存在并准确给出具体的位置信息，且可以从根本上避免用X线检测方式对人体造成的不必要的伤害。
Description
技术领域
本发明涉及一种人体金属材料的检测装置，具体涉及一种能快速的检测到金属物体的存在并准确给出具体的位置信息，且不会对人体造成伤害的用于MR检查前人体金属材料的检测装置。
背景技术
作为一项无创无放射性辐射损害诊断效率高的医疗检测方法，磁共振(MR)具备，能自由选择摄影层面，并可显示反映组织器官代谢功能、生理和生化信息的空间分布，从而达到诊断多种疾病的目的。正在受到越来越多的医务工作者和被检查者的青睐。磁共振(MR)扫描机的结构按其功能可分为两大部分：(1)信号产生、探测和编码；(2)数据采集、处理和图像显示、存贮。它能够产生强大而均匀的主磁场。检查时将患者置于主磁场内,在受检部位放置可产生射频脉冲的线圈，通电后形成第二磁场。线圈产生射频脉冲的频率如接近人体以各种方式携带的金属材料(硬币、金属挂件、带有金属材料制作的内衣文胸等)引起伪影会对磁共振扫描造成影响：在MR检查过程中人体运动和移位时金属材料会产生电流和发热。进入磁场后的铁磁性材料(ferromagnetic materia1)会产生磁化，并与磁场发生作用，首先与主磁场和梯度场的场强大小和物体铁磁性的大小有关，其次与物体的形状、质量、平面的位置和方向有关最后是与成像时间的长短。如果人体内金属植入物是非铁磁性的，或者在磁场中所受偏转力或吸引力较小不足以引起物体运动和移位，或者磁场作用力小于金属植入时的内固定力时，MR检查仍然安全可行。口腔材料中有相当一部分能测得偏转力，但其中只有磁化材料(magnetically activateddevice)才是MR检查禁忌。银汞合金、银尖等不存在偏转力。心脏置换瓣膜多数有铁磁性，能测出偏转力，但该偏转力远小于心脏搏动对瓣膜所施加的作用力，因而多数情况下患者仍能接受MR检查。血管内过滤器和支架在植入几周后，一旦与血管壁牢固连接，即使有铁磁性，在检查时也不会因磁场的强大作用发生脱落。在骨科手术中固定材料多数采用无磁性合金制成，同样能够接受MR检查。而早期一些为了降低成本采用低劣不锈钢材质制作的材料则会严重影响磁共振成像的效果。然而铁磁性的动脉瘤夹和止血夹则肯定不能做MR检查。另外有人造耳蜗，或眼内有铁磁性物质的病人也不能做MR检查。这些金属材料引起伪影，又称磁化率伪影(magneticsusceptibility artifact)。它表现为局部信号丢失低信号周围有高信号环，在频率编码和选层编码方向出现物体形态失真。原因是：(1)造成局部磁场不均匀和自旋质子失相位，(2)自旋质子的频率和相位异常造成空间定位错误，(3)金属材料在射频脉冲激励下产生涡电流，也会造成局部磁场不均匀，这种作用相对较弱，但却是非铁磁性材料产生伪影的基础。所以铁磁性材料和非铁磁性材料均能产生伪影，磁场强度越大，铁磁性材料磁化率越大，质量越大，伪影越严重。伪影不仅使图像上局部解剖结构变形，而且会扩大到远处，严重影响图像质量。综上所述：在进行MR检查前检查前必须严格进行检查。以防止金属物存在对检查的影响，目前市场上种种金属探测仪只能对硬币和金属挂机这类磁性强度较高的材料进行检测，对一些金属磁性较弱的挂件，内衣拉链以及采用有磁性的植入式手术材料却难以检测，从而影响了MR诊断的效果和工作效率。单纯靠工作人员检查难免有遗漏的可能，同时当人体携带的金属材料(硬币或钥匙之类)被MR设备强有力的磁场吸入到扫描床里面通过床的移动将硬币带到不同的部位，产生的伪影不仅直接影响MR的诊断，而且在许多情况下直接导致MR设备的损坏致使扫描无法继续进行。据浦东新区一家二甲医院不完全统计2017因金属材料带入(其中有一部分是陪同患者检查的家属)影响诊断的案例超过120例，造成停机故障达30例。一位资深的MR维修工程师告诉我们因金属吸入到MR磁体内来维修的情况占维修总量的百分之40左右。在MR扫描前清除人体携带的无意识携带的各种形式的金属材料已经成为检查准备工作的一项不可忽视的工作。
本发明认真分析了市场金属检测各种产品中存在有漏检误检误报等一系列实际问题，在预诊更衣室设计了检测装置。应用高性能的电感传感器和单片机和***集成电路的优化组合的金属检测设备自动的对人体进行自上而下的扫描，从而对存在人体表面和体内的金属类材料进行精确的检测，与传统探测器相比：探测区工作面进行了特殊设计，探测面积大、扫描速度快、灵敏度高。框架型墙面内置“N”组薄膜线圈墙面由活泼的画面覆盖，站在指定的位置转一圈便可探测被隐藏在人体身上的所有种类的金属物体，包括首饰，文胸内衣上的金属丝线等多种影响正常MR扫描的材料。通过大屏幕显示以直观的方式显示出人体各个部位的金属饰品和体内的金属材料。并通过语音***提示患者进行能够处理的摘除。新型探测设备高180cm，宽80cm。具备经扫描检测出的金属饰件材料位置显示，辅以LED灯光闪烁报警、语音温馨提示等多种智能化功能。有效的防止金属材料携带之后在MR检查中造成的不良后果。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种能快速的检测到金属物体的存在并准确给出具体的位置信息，且不会对人体造成伤害的用于MR检查前人体金属材料的检测装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于MR检查前人体金属材料的检测装置，所述用于MR检查前人体金属材料的检测装置包括：控制核心单片机、金属物体探测器，步进马达、光电传感器、D/A转换器,信号放大器，声光报警器、大屏显示器；步进马达控制金属物体探测器的移动，所述的金属物体探测器、光电传感器、D/A转换器、信号放大器，声光报警器、大屏显示器均连接在核心单片机上，声光报警器、大屏显示器均连接在信号放大器上，整个检测装置采用电源组件供电。
在本发明的具体实施例子中，准备MR检查的患者手持刷卡机进入安装有门控器的检查室，采用步进马达控制金属物体探测器的移动，金属物体探测器在一定的时间间隔内扫描检测是否有金属物体的患者身体上的部位，当检测到金属物体存在时，将检测到的信号输入给光电传感器，光电传感器的信号依次通过D/A转换器,信号放大器后，传递给声光报警器，并在大屏显示器上显示金属物体的位置。
在本发明的具体实施例子中，所述控制核心单片机选为AT90S8515单片机。
在本发明的具体实施例子中，所述金属物体探测器为LDC1000电感/数字转换器。
在本发明的具体实施例子中，所述D/A转换器为MAX536D/A转换芯片。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的用于MR检查前人体金属材料的检测装置主要有以下几个优点：1、能快速的检测到金属物体的存在并准确给出具体的位置信息，2、本发明金属物体探测器利用电磁感应的基本原理，采用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场能在金属物体内部能感生涡电流。有涡电流和无涡电流会产生不同的信号强度，通过采集放大整形，模数转换和驱动电路进一步放大整形，由显示屏显示还原金属存在的位置。由此可以从根本上避免用X线检测方式对人体造成的不必要的伤害。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1为本发明中的整体结构示意图，如图1所示，本发明提供的所述用于MR检查前人体金属材料的检测装置包括：控制核心单片机、金属物体探测器，步进马达、光电传感器、D/A转换器,信号放大器，声光报警器、大屏显示器；步进马达控制金属物体探测器的移动，所述的金属物体探测器、光电传感器、D/A转换器、信号放大器，声光报警器、大屏显示器均连接在核心单片机上，声光报警器、大屏显示器均连接在信号放大器上，整个检测装置采用电源组件供电。
准备MR检查的患者手持刷卡机进入安装有门控器的检查室，采用步进马达控制金属物体探测器的移动，金属物体探测器在一定的时间间隔内扫描检测是否有金属物体的患者身体上的部位，当检测到金属物体存在时，将检测到的信号输入给光电传感器，光电传感器的信号依次通过D/A转换器,信号放大器后，传递给声光报警器，并在大屏显示器上显示金属物体的位置。
本发明中的控制核心单片机选为AT90S8515单片机。
本发明中金属物体探测器为LDC1000电感/数字转换器。
金属物体探测器利用电磁感应的基本原理，采用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场能在金属物体内部能感生涡电流。有涡电流和无涡电流会产生不同的信号强度，通过采集放大整形，模数转换和驱动电路进一步放大整形，由显示屏显示还原金属存在的位置。由此可以从根本上避免用X线检测方式对人体造成的不必要的伤害。
本发明中的D/A转换器为MAX536D/A转换芯片。
本发明以AT90S8515为控制核心，AT90S8515是基于AVR增强性能、RISC结构的低功耗、CMOS技术、八位微控制器(Enhanced RISC Microcontrollers)。AVR核为32个通用寄存器与丰富指令集。32个寄存器全部与运算逻辑单元连接，使得可以在一个时钟周期内执行一条指令访问到两个独立寄存器。AT90S8515具有8K字节可下载的Flash存储器，512字节的RAM，32条通用I/O线，512字节EEPROM(使用寿命为10万次)，带比较模式的灵活性定时器，可编程的串行UART，内部及外部中断，带内部晶振的可编程看门狗(WDT)定时器；一个为下载程序而设计的SPI串行口，以及2个可通过软件选择的省电模式。还可以类似51系列一样，使用外部SRAM时，前者作为复用的地址/数据口，后者作为地址输出，DH还具有其它许多功能。总之，以AT90S8515作为嵌入式高效微控制器，无需额外的程序存储器、数据存储器、PWM控制专用芯片，大为简化了***的硬件，提高了***的可靠性和安全性。用AT90S8515设计一个采用阵列式扫描控制的80CmX200Cm的金属物体探测***组(以下简称探测器组)。
本发明用LDC1000电感传感器作为探测金属的主要部件，探测器的探头采用TI公司LDC1000电感/数字转换器作为金属物体探测器。它的检测原理是利用电磁感应原理。在线圈中加一个交变电流，线圈周围会产生交变磁场，这时如果有金属物体进入这个磁场则会在金属物体表面产生涡流。就像是有另一个次级线圈存在一样。这样LDC1000的线圈作为初级线圈就形成了一个变压器。由于变压器的互感作用，在初级线圈这一侧就可以检测到次级线圈的参数。通过SPI接口可以让你很方便地连接MCU，通过简单的***线圈就可以实现非接触式的电感检测功能。可以测试外部金属物体与LDC1000相连线圈的空间位置关系。灵敏度是衡量金属探测器的探测能力的最重要参数，性能比较好的金属探测器，可以探测到0.13克的黄金，有色金属比非有色金属的探测难度要差很多，原因是有色金属的磁场感应能力很差。金属探测器的特点：先进的DSP处理芯片，超高灵敏度；智能液晶显示功能，智能操作***，功能更强大；较强的稳定性，超强的抗干扰能力和适应能力；符合HACCP体系，QS体系和ISO体系相关技术指标；双路信号探测电路合并技术，准确探测铁与非铁金属杂质；双路信号显示功能；会根据金属大小显示不同的感应强度；适应于潮湿、高温及低温工作环境；采用无极调速马达，输送带速度随意调；简便的可拆卸式机架，方便清洗，传输快捷。
LDC1000被选择于金属探测是一项全新的应用，电感式传感器具有结构简单，测量精度高零点稳定和输出功率较大等一系列优点，其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约。但传感器自身频率响应低，不适进行快速的动态测量。不过这并不是电感传感器最致命的缺点，而是必须经过转换电路，才能输出电量，因此对于多数设计应用来讲，复杂的转换电路才是阻碍电感传感器广泛普及的绊脚石。我们设计的金属探测仪中选用了TI推出的这款电感数字转换器则无需复杂的转换电路，直接由LDC1000输出可检测的数字信号。更高的分辨率：可通过16位共振阻抗及24位电感值，在位置传感应用中实现亚微米级分辨率，具有更高的可靠性可提供非接触传感技术避免接触造成的影响，可延长设备使用寿命。LDC1000同时具有很高的灵活性：允许传感器远离电子产品安放，处于PCB无法安放的位置。LDC1000有一个其他设备无法相比的特点，具备很低的***成本：采用低成本传感器及传导目标，无需磁体并且具有极低的***功耗，标准工作时功耗不足8.5mW，待机模式下功耗不足1.25mW。因此采用电感数字转换器，对现在的金属测试是一种全新的方式。设计为矩阵式采集墙，确保捕捉到微小的的金属材料。同时为了使电感数字转换器能够提供更好的性能，对一些检测到的微信号有更高的可靠性。需要对接入ADC转换的传感器信号进行调理放大滤波处理，采用高共模抑制比、高精度的仪表放大器INA326设计对微信号的放大。INA326是TI公司生产的一种用于精密仪表放大器。它具备独特的拓扑结构，可实现电源正负限输入/输出，非常适用于单电源、低功耗和精密测量的应用场合。其作用一方面降低噪声的干扰，另一方面提高对弱信号的检测能力。提高模数转换器的测量精度和转换效率。
本发明中应用进口芯片MAX536进行数模转换MAX536D/A转换芯片是美国MAXIN公司推出的产品。它片内集成4路独立可同步控制的12位高精度双缓冲数模转换器，具有3线和4线串行接口，采用16脚节省封装，使其所占空间更小。OUTA、OUTB、OUTC和OUTD为模拟信号输出引脚。REFAB和REFCD分别为AB和CD的参考电压输入端，LDAC为加载DAC输入信号，低电平将把输入寄存器内容传送到相应的DAC寄存器。SDI为串行数据输入端，SDO为串行数据输出端。CS为片选输入信号，时序MAX536的串行接口的最高时钟为10MHz。因此CS弓l脚的低电平必须保持20ns后，才能开始接收数据。LDAC脚由AT90S8515的I/O口控制。SDI引脚的串行输入数据由串行时钟SCK的上升沿逐位送入移位寄存器，转换成并行数据。输入的数据全部进入移位寄存器后，置CS为高电平，利用CS的上升沿将移位寄存器输出的并行数据装人输入寄存器中。然后，在LDAC弓I脚的低电平时，直接将输入寄存器的数字两送D/A转换器进行转换。
在本发明中,金属探测仪需要实现不同高度范围内的自动探测功能,程序选择在Y轴上通过步进电机来进行垂直的移动,以达到全身探测这一要求。在Y轴上选用步进电机来进行纵向移动,两者相结合可以进行垂直范围内的面扫描。对于步进电机的运行控制,本发明选择了专业工厂配套生产的一体化步进马达控制器，型号为-DKC-230A,通过AT90S8515单片机的P0口以及P3口与步进电机驱动模块相连接,由定位接近开关输出高低电平控制步进电机移动的方向,AT90S8515P0-2口输出PWM波控制步进电机移动的速度与距离,最终步进电机驱动模块通过A、B双相输出相应的电压驱动步进马达的运转。同时为了能够防止意外引起的运转异常，需要检测***给步进马达设定的控制移动距离,***通过红外传感器模块进行检测,由DKC-230A实现双重控制。并通过P0-1口驱动LED发光的同时语音报警***发出提示音。金属探测定位***的硬件设计本发明以LDC1000电感传感器以及***需要驱动步进电机、则要求供电电源稳定可靠,所以直接选择数控稳压源进行供电。给+24V的直流电压,然后进入降压电路,将电压降低到+12V、5V以及3.3V,给微控制器以及其他模块供电。位置传感器的选择本发明选择OMROM反射式红外光电开关,感应距离为1～50cm(可调),感应方式为漫反射(非透明物),工作电压为DC4.5～5.5V,工作电流为50mA,输出方式为NPN常开,响应时间为2ms。用来检测直线电机伸出的长度,这样可以随意设置直线电机运动的位置范围,以达到快速定位的目的。通过比较各种电机的性能,选择了42步进电机，步距精度可达5％。直流电机出轴直径为5mm，电机直径为42mm，电机长度为67mm，转速可高达4000转。***需要有较好的人机交互功能,因此在***电路中采用55寸大屏幕液晶显示屏与AT90S8515单片机的通用I/O口相连接,大尺寸的液晶屏完全能够满足***的要求,同时视野开阔的优势。
本发明对防止患者做MR检查前，因各种原因携带了金属材料、饰品和挂件及自体原因进行了研究与设计，针对目前现有设备存在的问题状态，设计了可以实时采集人体携带金属信息，将所获信息通过单片机处理产生多种信号，实现自动报警，提示和显示。并最终达到了预期的设计目标。本发明的实现可以减少因误带金属入内引发的设备事故，减少人为因素造成的扫描伪影。提高诊断医生的工作效率。维护MR设备的正常运转，本发明不仅可以方便的用于医疗设备中的预检，对其模块加以升级修改可用于地铁、机场和高铁入口的自助安检，提高工作效率，实实在在的解决目前这些行业安检排大队排长队的问题，具有良好的发展前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种用于MR检查前人体金属材料的检测装置，其特征在于：所述用于MR检查前人体金属材料的检测装置包括：控制核心单片机、金属物体探测器，步进马达、光电传感器、D/A转换器,信号放大器，声光报警器、大屏显示器；步进马达控制金属物体探测器的移动，所述的金属物体探测器、光电传感器、D/A转换器、信号放大器，声光报警器、大屏显示器均连接在核心单片机上，声光报警器、大屏显示器均连接在信号放大器上，整个检测装置采用电源组件供电。
2.根据权利要求1所述的用于MR检查前人体金属材料的检测装置，其特征在于：准备MR检查的患者手持刷卡机进入安装有门控器的检查室，采用步进马达控制金属物体探测器的移动，金属物体探测器在一定的时间间隔内扫描检测是否有金属物体的患者身体上的部位，当检测到金属物体存在时，将检测到的信号输入给光电传感器，光电传感器的信号依次通过D/A转换器,信号放大器后，传递给声光报警器，并在大屏显示器上显示金属物体的位置。
3.根据权利要求1所述的用于MR检查前人体金属材料的检测装置，其特征在于：所述控制核心单片机选为AT90S8515单片机。
4.根据权利要求1所述的用于MR检查前人体金属材料的检测装置，其特征在于：所述金属物体探测器为LDC1000电感/数字转换器。
5.根据权利要求1所述的用于MR检查前人体金属材料的检测装置，其特征在于：所述D/A转换器为MAX536D/A转换芯片。
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