一种便携式生物磁检测与声理疗系统

本发明属于生物医学工程与医学信号处理，具体涉及一种便携式生物磁检测与声理疗系统。

背景技术：

1、人体在电生理活动过程中会产生极微弱的生物磁场信号，其强度通常为皮特斯拉至飞特斯拉量级。与体表生物电检测相比，生物磁检测几乎不受组织电导率影响，具有更高的空间定位精度，且无需物理贴附电极，用户体验更好。脑磁图技术可直接测量神经元同步活动产生的微弱磁信号，在神经系统疾病早期诊断、脑功能成像及脑机接口等领域具有重要应用价值。

2、然而，现有主流脑磁检测设备主要依赖超导量子干涉器件（superconductingquantum interference device，squid）或光泵原子磁力计（optically pumpedmagnetometer，opm）。squid系统需液氦低温环境维持超导状态，设备成本及运维成本极高（约千万元人民币）；opm系统通常需要高性能磁屏蔽环境。上述因素导致脑磁检测技术难以在基层医疗机构、社区及家庭场景普及，制约了其在阿尔茨海默病等神经退行性疾病大规模早期筛查中的应用。

3、近年来，隧道磁阻传感器可在室温下工作，具有体积小、功耗低、成本低等优势，已成为推动生物磁检测系统向常温化、小型化、便携化方向发展的重要技术路径。但如何将隧道磁阻传感器与低噪声硬件采集、规范化数据存储及面向临床筛查需求的生物磁信号频域特征提取方法进行系统化集成，仍缺乏面向实际应用的完整技术方案。

4、现有技术存在的技术问题：

5、（1）现有squid/opm脑磁检测设备成本高昂、运行条件苛刻，难以满足基层及社区场景下的生物磁信号检测需求；

6、（2）生物磁信号极其微弱，易受电源噪声、环境电磁干扰影响，采集硬件缺乏针对性的电源滤波与信号耦合保护设计；

7、（3）现有生物磁数据分析多依赖专业工具，缺少面向受试者管理、区域选择、信号采集、特征提取、报告生成的一体化软件流程；

8、（4）缺乏针对生物磁信号频域特征的提取方法，难以从幅度谱、相位谱中稳定获得可用于健康/异常状态对比的量化指标。

技术实现思路

1、本发明提供一种便携式生物磁检测与声理疗系统，依托常温隧道磁阻传感器实现低成本便携采集，配套专用降噪硬件电路与全流程分析理疗软件，面向基层、家庭完成神经退行性疾病早期脑功能辅助筛查。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种便携式生物磁检测与声理疗系统，所述系统分为硬件部分与软件部分两大模块；

3、所述硬件部分包含磁阻传感器、辅助电路板，辅助电路板集成电源滤波模块与信号耦合模块，硬件采用5～12v低压直流供电，支持锂电池、type-c双供电模式，用于采集人体微弱生物磁信号并抑制电源、环境电磁噪声；

4、所述软件部分包含信息采集模块、数据处理模块、音频磁喇叭治疗模块、用户界面模块、辅助治疗模块，软件基于python开发，可完成受试者信息录入、脑磁信号时频分析、多类型音频理疗，实现生物磁信号从采集、分析到辅助声理疗的一体化流程。

5、进一步，所述硬件模块包括：

6、隧道磁阻传感器，用于探测生物磁信号并将其转换为模拟电压信号输出；

7、辅助电路板，包括电源滤波模块与信号耦合模块；

8、所述电源滤波模块通过多规格电容组合滤除直流电源中的交流噪声成分，为各元器件提供稳定直流电源；

9、所述信号耦合模块设置于所述隧道磁阻传感器输出端与信号输出电路之间，通过电容与电阻构成保护电路，防止外接上位机时因电压过高损坏后端芯片；

10、所述硬件模块支持type-c接口供电与锂电池供电两种电源方案。

11、进一步，所述隧道磁阻传感器为单轴、低噪声隧道磁阻磁传感器，通过相敏检测弱磁信号调制技术实现50~100pt/√hz@1hz的磁场噪声谱密度。

12、进一步，所述系统还包括壳体，所述壳体为采用3d打印技术制造的回转体结构，所述隧道磁阻传感器安装于所述壳体上，通过所述壳体的周向旋转使单个传感器等效占据多个不同探测位置。

13、进一步，所述数据处理模块包括：

14、快速傅里叶变换单元，用于将时域生物磁信号转换为频域信号，其变换公式为：

15、

16、其中，x(n）为时域信号序列，n为信号长度，x(k）为频域复数频谱；

17、半复数滤波单元，用于对频谱进行非线性幂次变换、归一化处理与滑动平均滤波以增强频域特征；特征提取单元，用于从增强后的频谱中提取频域特征参数。

18、进一步，所述半复数滤波单元对频谱依次执行以下处理：

19、对时域信号执行快速傅里叶变换得到复数频谱x(k）；

20、对复数频谱进行2.5次幂非线性变换：

21、

22、以频谱1.5次幂的均值作为归一化因子进行归一化处理：

23、

24、

25、采用矩形窗进行滑动平均滤波：

26、

27、其中，win为矩形窗长度；

28、按设定间隔sec进行下采样处理：

29、。

30、进一步，所述频域特征参数包括幅度谱斜率、相位谱高低频差分比及分形维数；

31、对降采样后的频谱进行幅度与相位分解；

32、计算幅度谱（am）：

33、

34、其中为频谱的幅度，添加防止对零取对数；

35、计算相位谱（pm）：

36、

37、其中相位角的取值范围为；

38、幅度谱斜率计算：

39、选取默认频率范围内的幅度谱数据：

40、

41、其中为频率点，为对应频率的幅度谱值；

42、对幅度谱取以10为底的对数：

43、

44、对频率轴与对数幅度值进行一阶多项式拟合：

45、

46、得到斜率slope：

47、

48、转换为分贝单位：

49、

50、相位谱高低频差分比：

51、选取1～20hz频率范围内的相位谱数据；

52、计算相位谱的一阶差分：

53、

54、其中为频率处的相位值；

55、差分序列划分为低频段和高频段：

56、低频段为1～10hz范围内的相位差分；

57、高频段为10～20hz范围内的相位差分；

58、计算高频段差分总和与低频段差分总和的比值：

59、

60、转换为分贝单位：

61、

62、其中为符号函数，保留正负号，添加防止对零取对数；

63、计算分形维数：

64、截取1～20hz频率范围内的幅度谱数据；

65、以第一个频率点的幅值为基准进行归一化处理：

66、

67、其中是1hz处的幅度值，将数据相对于第一个频率点做归一化处理，添加极小常数以防止除0错误发生；

68、生成30条候选分形曲线：

69、

70、其中k=1,2,...,30，x为频率点，指数控制曲线衰减速率，当k<10时，指数为正，曲线随着频率增加而上升；当k=10时，指数为0，曲线为常数1，当k>10时，指数为负，曲线随着频率增加而衰减；

71、计算每条分形曲线计算其与归一化幅度谱之间的平均绝对误：

72、

73、找到误差最小的曲线索引；

74、转换为分形维度值：

75、

76、展开形式：

77、。

78、进一步，所述用户界面模块基于python语言及pyside2库开发，包括：

79、受试者信息采集单元：用于录入并存储受试者姓名、年龄、性别、蒙特利尔认知评估量表评分及临床诊断信息，并以受试者姓名创建专属数据存储文件夹；

80、测试区域选择单元：用于选择额叶、顶叶、颞叶、枕叶中的至少一个大脑皮层区域作为信号采集位点；

81、信号采集控制单元：用于控制采集时长并实时显示采集状态；

82、诊断报告生成单元：用于将受试者基本信息、数据分析图像、频域特征参数及声理疗记录整合生成word文档报告。

83、进一步，所述辅助治疗模块包括：

84、音频模式选择单元：支持单波模式、组合模式、冥想模式及摇滚模式中的至少一种；

85、自定义音频导入单元：支持用户导入mp3、wav格式的外部音频文件；

86、音频播放控制单元：集成播放、暂停、停止控制按钮及精确至秒的计时显示功能；音量调节单元，支持多级音量精细调节。

87、进一步，所述系统还包括功能连接矩阵生成单元，用于基于pearson相关系数计算不同脑区之间的功能连接强度，并以可视化图像形式展示全脑各脑区之间的功能连接特征。

88、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

89、1.本发明通过采用隧道磁阻传感器配合电源滤波与信号耦合辅助电路板，实现了室温下低成本、便携化的生物磁信号采集，支持5～12v低压直流供电及锂电池/type-c双模式供电，克服了传统squid/opm设备成本高昂、运行条件苛刻的缺陷，使脑磁检测技术可下沉至基层医疗机构及社区筛查场景；

90、2.本发明通过提出半复数滤波方法，对频谱依次执行2.5次幂非线性变换、1.5次幂均值归一化及滑动平均滤波处理，有效突出了频谱显著成分并抑制了随机噪声，使后续幅度谱斜率、相位谱高低频差分比及分形维数三项频域特征参数的提取更加稳定可靠，为健康与异常状态的量化对比提供了客观指标；

91、3.本发明通过构建基于python/pyside2的一体化软件流程，集成了受试者信息与moca认知量表录入、八脑区测试区域选择、可自定义时长的信号采集与excel存储、时域/频域图生成、word诊断报告一键输出以及单波/组合/冥想/摇滚四类声理疗模式，实现了从信号采集、分析到辅助干预的完整闭环，操作简便，无需依赖专业数据分析工具。