一种高灵敏磁纳米粒子谱仪及其波形信号转换方法

1.本发明属于磁纳米粒子测量领域，具体涉及了一种高灵敏磁纳米粒子谱仪及其波形信号转换方法。


背景技术：

2.磁纳米粒子作为一种新型的成像探针，具有高对比度，已经在磁纳米粒子成像领域、磁热疗领域、核磁共振领域、光声成像领域得到了广泛应用。尤其是磁纳米粒子成像，主要依靠磁纳米粒子的动态非线性磁化响应进行成像，已经在细胞示踪、肿瘤标记、血管成像等多方面展开生物医学应用。目前设计不同类型的磁纳米粒子，如链式纳米粒子、铁镍掺杂的磁纳米粒子等，用于提高应用性能，是磁纳米粒子研究领域的热点。
3.目前，磁纳米粒子研究领域的难点之一在于，缺少对磁纳米粒子动态响应定量分析的工具，无法评价磁纳米粒子在磁粒子成像设备的动态磁场下的性能表现。在医学应用中，使用的磁纳米粒子剂量与浓度很低，进一步增加检测分析难度。
4.因此，本发明提出一种高灵敏的磁粒子谱仪，可以定量检测低浓度下的磁纳米粒子动态磁化响应及磁学特征，便于评价磁粒子在磁纳米粒子成像应用中的性能，进一步推动磁纳米粒子应用研究。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术中缺少对磁纳米粒子动态响应定量分析的工具，无法评价磁纳米粒子在磁粒子成像设备的动态磁场下的性能表现，以及在医学应用中，使用的磁纳米粒子剂量与浓度很低，进一步增加检测分析难度的问题，本发明提供了一种高灵敏磁纳米粒子谱仪，所述磁纳米粒子谱仪包括驱动模块、开关模块、电流采样模块、电流控制模块、电压调整模块、线圈匹配模块、线圈组件、接收信号处理模块、信号采集模块和主控计算模块；
6.所述驱动模块用于接收所述主控计算模块的波形数据并转换为开关控制信号，以及实时监控所述开关模块的工作状态；
7.所述开关模块受所述开关控制信号的驱动，将所述电压调整模块输出的直流电压调制为设定电压波形，所述设定电压波形经过所述电流采样模块和所述线圈匹配模块后，输入所述线圈组件的激励线圈模块；
8.所述电流控制模块用于接收所述主控计算模块的电流目标指令值，并结合电流采样模块输出的电流采样信号进行误差调整计算，将误差调整信号传输至所述电压调整模块；
9.所述电压调整模块基于所述误差调整信号进行所述电压调整模块输出的直流电压信号的精确修正，维持所述磁纳米粒子谱仪工作区间的谐波电流大小恒定；
10.所述接收信号处理模块接收来所述线圈组件的接收线圈模块的电压信号，并进行电压信号的放大，以及放大激励磁场激发粒子产生的高次谐波；
11.所述信号采集模块用于同步采样所述电流采样模块和所述接收信号处理模块的激励线圈电流信号和接收线圈电压信号，并转化为数字信号后传输至所述主控计算模块。
12.在一些优选的实施方式中，当所述开关模块的工作状态为异常时，所述驱动模块输出的开关控制信号为切断信号，用于控制所述开关模块切断工作。
13.在一些优选的实施方式中，所述开关模块为可控硅器件组成的开关阵列。
14.在一些优选的实施方式中，所述磁纳米粒子谱仪还包括带通滤波模块、整流模块；
15.所述带通滤波模块和所述整流模块依次进行所述电流采样模块的电流采样信号的滤波和整流，获得滤波和整流后的电流采样信号。
16.在一些优选的实施方式中，所述精确修正，其方法为：
17.基于所述误差调整信号和所述电压调整模块输出的直流电压信号，所述开关模块将电压调整模块输出的直流电压的调整为设定范围的设定电压波形；
18.所述设定电压波形控制所述线圈组件的目标谐波电流大小，所述驱动模块、所述开关模块、所述电流采样模块、所述电流控制模块和所述电压调整模块形成闭环的电流控制；
19.所述闭环的电流控制用于实现电流误差的精确修正。
20.在一些优选的实施方式中，所述电流误差，其诱发因素包括：线圈组件的线圈温升、线圈匹配模块的参数漂移以及开关模块的导通电阻变化。
21.在一些优选的实施方式中，所述线圈匹配模块基于设定的电压波形构建，与所述线圈组件的激励线圈模块形成谐振-滤波电路，用于使所需的谐波电流通过激励线圈，并抑制通带频率之外的谐波电流。
22.在一些优选的实施方式中，所述线圈组件包括激励线圈模块、接收线圈模块和线圈骨架；
23.所述线圈骨架为非导磁非导电材料，中间设置有待检粒子的通孔，所述激励线圈模块和所述接收线圈模块绕制于所述线圈骨架。
24.在一些优选的实施方式中，所述激励线圈模块由多层密绕利兹线顺序绕制而成，线圈匝数为n1，层数为a1，厚度为h1毫米，高度为w1毫米，内径为r1毫米；
25.所述接收线圈模块由多层密绕利兹线或漆包线顺序绕制而成，线圈匝数为n2，层数为a2，厚度为h2毫米，高度为w2毫米，内径为r2毫米；
26.其中，n1、n2，a1、a2，h1、h2，w1、w2，r1、r2为所述线圈匹配模块基于设定的电压波形构建过程中预先设定的参数。
27.本发明的另一方面，提出了一种高灵敏磁纳米粒子谱仪的高灵敏磁纳米粒子波形信号转换方法，所述方法包括：
28.步骤s10，将所述接收信号处理模块输出的所述接收线圈模块的电压信号通过傅里叶变换至频域；
29.步骤s20，基于所述接收信号处理模块的传递函数进行频域信号的处理，并通过傅里叶逆变换至时域，获得粒子磁化响应信号；
30.步骤s30，构建所述线圈组件的激励线圈模块的激励磁场与所述粒子磁化响应信号的对应关系，获得磁纳米粒子的动态磁化曲线；将所述粒子磁化响应信号通过傅里叶变换至频域，并选取设定倍频点幅值，获得磁纳米粒子的频域响应。
31.本发明的有益效果：
32.(1)本发明的一种高灵敏的磁粒子谱仪，能够对低浓度磁纳米粒子动态磁学特性定量评估。该系统可以根据目标电流需求，灵活编辑线圈匹配模块，并进一步根据匹配好的驱动电路与目标波形自动生成控制信号驱动线圈。
33.(2)本发明的一种高灵敏的磁粒子谱仪，其所包含的电流补偿回路可以补偿由于线圈温升，匹配模块参数漂移，开关模块导通电阻变化等因素造成的电流误差，保证目标谐波电流输出恒定。所包含的数据采集-处理环节可以还原出波形并通过内建的计算步骤得到磁粒子的原始频谱。
34.(3)本发明的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪及其波形信号转换方法，弥补了当下磁纳米粒子研究领域，缺少对磁纳米粒子动态响应定量分析的工具，无法评价磁纳米粒子在磁粒子成像设备的动态磁场下的性能表现。
35.(4)本发明的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪及其波形信号转换方法，可以定量评估在较低浓度下的磁纳米粒子的动态磁化响应，便于评价磁粒子在磁纳米粒子成像应用中的性能，进一步推动磁纳米粒子应用研究。
附图说明
36.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
37.图1是本发明的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪的各部件组成及信号交联关系示意图；
38.图2是本发明的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪的线圈组件结构示意图；
39.图3是本发明的一种高灵敏磁纳米粒子波形信号转换方法的流程示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
42.本发明的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪，所述磁纳米粒子谱仪包括驱动模块、开关模块、电流采样模块、电流控制模块、电压调整模块、线圈匹配模块、线圈组件、接收信号处理模块、信号采集模块和主控计算模块；
43.所述驱动模块用于接收所述主控计算模块的波形数据并转换为开关控制信号，以及实时监控所述开关模块的工作状态；
44.所述开关模块受所述开关控制信号的驱动，将所述电压调整模块输出的直流电压调制为设定电压波形，所述设定电压波形经过所述电流采样模块和所述线圈匹配模块后，输入所述线圈组件的激励线圈模块；
45.所述电流控制模块用于接收所述主控计算模块的电流目标指令值，并结合电流采样模块输出的电流采样信号进行误差调整计算，将误差调整信号传输至所述电压调整模
块；
46.所述电压调整模块基于所述误差调整信号进行所述电压调整模块输出的直流电压信号的精确修正，维持所述磁纳米粒子谱仪工作区间的谐波电流大小恒定；
47.所述接收信号处理模块接收来所述线圈组件的接收线圈模块的电压信号，并进行电压信号的放大，以及放大激励磁场激发粒子产生的高次谐波；
48.所述信号采集模块用于同步采样所述电流采样模块和所述接收信号处理模块的激励线圈电流信号和接收线圈电压信号，并转化为数字信号后传输至所述主控计算模块。
49.为了更清晰地对本发明一种高灵敏磁纳米粒子谱仪进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
50.本发明第一实施例的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪，包括驱动模块1、开关模块2、电流采样模块3、带通滤波模块4、整流模块5、电流控制模块6、电压调整模块7、线圈匹配模块8、线圈组件9、接收信号处理模块10、信号采集模块11和主控计算模块12，各模块详细描述如下：
51.驱动模块1用于接收主控计算模块12的波形数据并转换为开关控制信号，以及实时监控开关模块2的工作状态；
52.开关模块2受开关控制信号的驱动，将电压调整模块7输出的直流电压调制为设定电压波形，设定电压波形经过电流采样模块3和线圈匹配模块8后，输入线圈组件9的激励线圈模块91；
53.电流控制模块6用于接收主控计算模块12的电流目标指令值，并结合电流采样模块3输出的电流采样信号进行误差调整计算，将误差调整信号传输至电压调整模块7；
54.电压调整模块7基于误差调整信号进行电压调整模块7输出的直流电压信号的精确修正，维持磁纳米粒子谱仪工作区间的谐波电流大小恒定；
55.接收信号处理模块10接收来线圈组件9的接收线圈模块92的电压信号，并进行电压信号的放大，以及放大激励磁场激发粒子产生的高次谐波；
56.信号采集模块11用于同步采样电流采样模块3和接收信号处理模块10的激励线圈电流信号和接收线圈电压信号，并转化为数字信号后传输至主控计算模块12，其中电流采样模块3的信号经带通滤波模块4和整流模块5进行滤波和整流处理。
57.参见图1和图2，本发明的高灵敏磁纳米粒子谱仪的各部件连接关系为：
58.驱动模块1、开关模块2、电流采样模块3、线圈匹配模块8、线圈组件9、接收信号处理模块10、信号采集模块11、主控计算模块12、电流控制模块6和电压调整模块7顺次连接，前一个模块的信号输出至下一个模块的输入端，其中，电流采样模块3还输出信号至信号采集模块11，主控计算模块12还输出信号至驱动模块1，电压调整模块7还输出信号至开关模块2，电流采样模块3还输出信号至带通滤波模块4，带通滤波模块4输出信号至整流模块5，最终整流模块5输出信号至电流控制模块6。
59.本发明的高灵敏磁纳米粒子谱仪还包括带通滤波模块5、整流模块5：
60.电流采样模块3的输出信号经带通滤波模块5进行滤波，经整流模块5进行整流后，再输出至电流控制模块6。
61.驱动模块2接收的主控计算模块12的波形数据，通过主控计算模块12内部计算逻辑将该波形数据转换为用于控制开关模块2的开关控制信号，驱动模块2还用于对开关模块
2的工作状态进行实时监控。
62.在监测到开关模块2的工作状态为异常时，驱动模块2输出的开关控制信号为切断信号，该切断信号用于切断开关模块2的输出，以保护后级电路。
63.优选的，参见图1和图2，开关模块2为可控硅器件组成的开关阵列，其功能为接收驱动模块2的开关控制信号，并将电压调整模块7输出的直流电压调制为设定电压波形，该电压波形为具有目标谐波的功率电压信号，将具有目标谐波的功率电压信号经过电流采样模块3与线圈匹配模块8处理后，输入线圈组件9的激励线圈模块91。
64.电流采样模块3串联在线圈组件9的激励线圈模块91中，采集流经激励线圈模块91的电流值，将其变换为电压量并输入带通滤波模块4和信号采集模块11。
65.带通滤波模块4将电流采样模块3传输的电压信号进行带通滤波，其通带频率值的选取取决于高灵敏磁纳米粒子谱仪工作时需要精确控制电流的谐波频段，滤波后的电压信号传输至整流模块5。
66.整流模块5将来带通滤波模块4的交流电压信号进行进一步的整流滤波，使其变为直流量，其直流量的大小与谐波电压的有效值成正比。
67.电流控制模块6同时接收主控计算模块12输出的电流目标指令值和整流模块5输出的滤波整流后电流采样值，通过内部的误差计算，将误差调整信号传输至电压调整模块7。
68.电压调整模块7接收电流控制模块6输出的误差调整信号，对自身输出的直流电压信号进行精确修正，维持磁纳米粒子谱仪工作区间的谐波电流大小恒定。
69.精确修正的方法具体为：
70.通过改变提供给开关模块2的直流电压的大小来调整线圈目标谐波电流大小，驱动模块1、开关模块2、电流采样模块3、电流控制模块6和电压调整模块7形成闭环的电流控制(当包括带通滤波模块4和整流模块5时，该闭环控制中也相应地包含这2个模块)，该闭环的电流控制用于实现电流误差的精确修正。
71.电流误差的诱发因素包括线圈组件9的线圈温升，线圈匹配模块8的参数漂移，开关模块2的导通电阻变化等因素。
72.线圈匹配模块8可以根据设定波形需求灵活构建，即其结构可根据应用所需波形灵活调整，不受应用场景的严格限制，在实际应用中，需要什么样的波形，则预先设定什么样的波形，这个波形可以是正弦波、方波等等，本发明对此不做限定。线圈匹配模块8和线圈组件9中的激励线圈模块91共同形成谐振-滤波电路，从而保证所需要的谐波电流能最大程度的通过激励线圈，并抑制通带频率之外的谐波电流。
73.线圈组件9包括激励线圈模块91、接收线圈模块92和线圈骨架93：
74.线圈骨架93为非导磁非导电材料，中间设置有待检粒子的通孔，线圈骨架93的线槽尺寸与激励线圈模块91、接收线圈模块92的尺寸一致，激励线圈模块91和接收线圈模块92绕制于线圈骨架93。
75.激励线圈模块91由多层密绕利兹线顺序绕制而成，激励线圈模块91的线圈匝数为n1，层数为a1，厚度为h1毫米，高度为w1毫米，内径为r1毫米；
76.接收线圈模块92由多层密绕利兹线或漆包线顺序绕制而成，接收线圈模块92的线圈匝数为n2，层数为a2，厚度为h2毫米，高度为w2毫米，内径为r2毫米
77.实际使用时需要激励线圈模块91和接收线圈模块92同轴上下放置并间隔d毫米，分别将激励线圈模块91和接收线圈模块92的激励线圈与接收线圈串联起来，并保证：
78.激励线圈模块91和接收线圈模块92的激励线圈绕向相同，串联后电流在两只激励线圈产生的磁场方向轴向分量方向相同；
79.激励线圈模块91和接收线圈模块92的接收线圈绕向相反，串联后电流在两只接收线圈产生的磁场轴向分量方向相反。
80.上述结构中，参数n1、n2，参数a1、a2，参数h1、h2，参数w1、w2，参数r1、r2，参数d为线圈匹配模块8基于设定的电压波形构建过程中预先设定的参数。这些参数是线圈组件为了达到更高的接收信号而预先设定的参数，这些参数的选取会影响接收线圈产生的接收信号的大小，而在本发明中，要求信号越大越好。
81.本发明一个实施例中，n1＝100，a1＝10，h1＝35mm,w1＝40mm，r1＝13mm，n2＝100，a2＝10，h2＝7mm，w2＝10mm，r2＝6mm，d＝10cm。
82.接收信号处理模块10获取接收线圈模块92的电压信号，通过低噪声放大电路对线圈产生的电压信号进行放大，接收信号处理模块10具有足够高的共模抑制比，从而抑制共模电压，放大差模电压。
83.同时接收信号处理模块10与接收线圈模块92组成的磁场接收电路能带通放大由于激励磁场激发粒子产生的高次谐波，并能衰减低频的50hz工频信号及其谐波以及由于开关电路动作所产生的高频谐波。
84.信号采集模块11同步采样电流采样模块3和接收信号处理模块10的激励线圈电流信号与接收线圈电压信号，并将其转化为数字信号后传输至主控计算模块12。
85.主控计算模块12将电流设定值和波形数据分别输出给电流控制模块6与驱动模块2，以实现在线圈中产生期望的波形。此处，期望的波形可以为任意波形，可以根据实际应用场景进行选定，本发明在此不做具体波形限制。
86.参见图3，本发明第二实施例的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪的高灵敏磁纳米粒子波形信号转换方法，所述方法包括：
87.步骤s10，数据变换：将所述接收信号处理模块输出的所述接收线圈模块的电压信号通过傅里叶变换至频域；
88.步骤s20，数据矫正：基于所述接收信号处理模块的传递函数进行频域信号的处理，并通过傅里叶逆变换至时域，获得粒子磁化响应信号；
89.步骤s30，时域分析磁化曲线：构建所述线圈组件的激励线圈模块的激励磁场与所述粒子磁化响应信号的对应关系，获得磁纳米粒子的动态磁化曲线；频域分析频域响应：将所述粒子磁化响应信号通过傅里叶变换至频域，并选取设定倍频点幅值，获得磁纳米粒子的频域响应。
90.磁纳米粒子的动态磁化曲线属于磁粒子动态磁化响应的一个指标，通过这个曲线指标，可以评估磁粒子是否适用于mpi磁纳米粒子成像，还可以评估磁粒子是否适用于磁热疗等领域。
91.傅里叶变换后，每个频率都有一个幅值，本发明只选取激励线圈电流频率的倍数频率上的幅值。比如，激励线圈电流频率是1khz,那么，只选取整倍数频点上，也就是2khz,3khz,4khz等等频率上的幅值，这就是倍频点幅值。
92.磁纳米粒子的频域响应指的就是不同倍频点幅值，也是一种指标，用于评估磁粒子产生信号的能力。倍频点幅值越高，说明频域响应越强，磁粒子应用表现越好。
93.山鼠波形转换方法，即是把时域电压信号波形转换为动态磁化曲线与频域响应两种指标，用来评估磁粒子的性能。
94.本发明可以根据目标电流需求，灵活编辑线圈匹配模块，并进一步根据匹配好的驱动电路与目标波形自动生成控制信号驱动线圈。同时，本发明所包含的电流补偿回路可以补偿由于线圈温升，匹配模块参数漂移，开关模块导通电阻变化等因素造成的电流误差，保证目标谐波电流输出恒定。此外，本发明所包含的数据采集-处理环节可以还原出波形并通过内建的计算步骤得到磁粒子的原始频谱。
95.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
96.需要说明的是，上述实施例提供的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪及其波形信号转换方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
97.本发明第三实施例的一种设备，包括：
98.至少一个处理器；
99.以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；
100.其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪的高灵敏磁纳米粒子波形信号转换方法。
101.本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的一种高灵敏磁纳米粒子谱仪的高灵敏磁纳米粒子波形信号转换方法。
102.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
103.本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
104.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
105.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系
列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
106.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述磁纳米粒子谱仪包括驱动模块、开关模块、电流采样模块、电流控制模块、电压调整模块、线圈匹配模块、线圈组件、接收信号处理模块、信号采集模块和主控计算模块；所述驱动模块用于接收所述主控计算模块的波形数据并转换为开关控制信号，以及实时监控所述开关模块的工作状态；所述开关模块受所述开关控制信号的驱动，将所述电压调整模块输出的直流电压调制为设定电压波形，所述设定电压波形经过所述电流采样模块和所述线圈匹配模块后，输入所述线圈组件的激励线圈模块；所述电流控制模块用于接收所述主控计算模块的电流目标指令值，并结合电流采样模块输出的电流采样信号进行误差调整计算，将误差调整信号传输至所述电压调整模块；所述电压调整模块基于所述误差调整信号进行所述电压调整模块输出的直流电压信号的精确修正，维持所述磁纳米粒子谱仪工作区间的谐波电流大小恒定；所述接收信号处理模块接收来所述线圈组件的接收线圈模块的电压信号，并进行电压信号的放大，以及放大激励磁场激发粒子产生的高次谐波；所述信号采集模块用于同步采样所述电流采样模块和所述接收信号处理模块的激励线圈电流信号和接收线圈电压信号，并转化为数字信号后传输至所述主控计算模块。2.根据权利要求1所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，当所述开关模块的工作状态为异常时，所述驱动模块输出的开关控制信号为切断信号，用于控制所述开关模块切断工作。3.根据权利要求1或2所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述开关模块为可控硅器件组成的开关阵列。4.根据权利要求1所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述磁纳米粒子谱仪还包括带通滤波模块、整流模块；所述带通滤波模块和所述整流模块依次进行所述电流采样模块的电流采样信号的滤波和整流，获得滤波和整流后的电流采样信号。5.根据权利要求1所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述精确修正，其方法为：基于所述误差调整信号和所述电压调整模块输出的直流电压信号，所述开关模块将电压调整模块输出的直流电压的调整为设定范围的设定电压波形；所述设定电压波形控制所述线圈组件的目标谐波电流大小，所述驱动模块、所述开关模块、所述电流采样模块、所述电流控制模块和所述电压调整模块形成闭环的电流控制；所述闭环的电流控制用于实现电流误差的精确修正。6.根据权利要求5所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述电流误差，其诱发因素包括：线圈组件的线圈温升、线圈匹配模块的参数漂移以及开关模块的导通电阻变化。7.根据权利要求1所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述线圈匹配模块基于设定的电压波形构建，与所述线圈组件的激励线圈模块形成谐振-滤波电路，用于使所需的谐波电流通过激励线圈，并抑制通带频率之外的谐波电流。8.根据权利要求1所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述线圈组件包括激励线圈模块、接收线圈模块和线圈骨架；
所述线圈骨架为非导磁非导电材料，中间设置有待检粒子的通孔，所述激励线圈模块和所述接收线圈模块绕制于所述线圈骨架。9.根据权利要求8所述的高灵敏磁纳米粒子谱仪，其特征在于，所述激励线圈模块由多层密绕利兹线顺序绕制而成，线圈匝数为n1，层数为a1，厚度为h1毫米，高度为w1毫米，内径为r1毫米；所述接收线圈模块由多层密绕利兹线或漆包线顺序绕制而成，线圈匝数为n2，层数为a2，厚度为h2毫米，高度为w2毫米，内径为r2毫米；其中，n1、n2，a1、a2，h1、h2，w1、w2，r1、r2为所述线圈匹配模块基于设定的电压波形构建过程中预先设定的参数。10.一种高灵敏磁纳米粒子谱仪的高灵敏磁纳米粒子波形信号转换方法，其特征在于，所述方法包括：步骤s10，将所述接收信号处理模块输出的所述接收线圈模块的电压信号通过傅里叶变换至频域；步骤s20，基于所述接收信号处理模块的传递函数进行频域信号的处理，并通过傅里叶逆变换至时域，获得粒子磁化响应信号；步骤s30，构建所述线圈组件的激励线圈模块的激励磁场与所述粒子磁化响应信号的对应关系，获得磁纳米粒子的动态磁化曲线；将所述粒子磁化响应信号通过傅里叶变换至频域，并选取设定倍频点幅值，获得磁纳米粒子的频域响应。

技术总结
本发明属于磁纳米粒子测量领域，具体涉及了一种高灵敏磁纳米粒子谱仪及其波形信号转换方法，旨在解决现有技术中无法对低浓度磁纳米粒子动态磁学特性定量评估的问题。本发明包括：驱动模块、开关模块、电流采样模块、带通滤波模块、整流模块、电流控制模块、电压调整模块、线圈匹配模块、线圈组件、接收线圈信号处理模块、信号采集模拟块、主控计算模块。本发明可以根据目标电流需求，灵活编辑线圈匹配模块，并进一步根据匹配好的驱动电路与目标波形自动生成控制信号驱动线圈，其中数据采集-处理环节可以还原出波形并通过内建的计算步骤得到磁粒子的原始频谱。同时，本发明所包含的电流补偿回路可以补偿由于线圈温升，匹配模块参数漂移，开关模块导通电阻变化等因素造成的电流误差，保证目标谐波电流输出恒定。保证目标谐波电流输出恒定。保证目标谐波电流输出恒定。


技术研发人员：田捷 李怡濛 安羽 李光辉 钟景
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.08.21
技术公布日：2023/10/19