[发明专利]一种用于无屏蔽心磁图仪的一阶梯度补偿模块及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于无屏蔽心磁图仪的一阶梯度补偿模块及方法。

背景技术

心磁图仪能探测心脏电生理活动过程中产生的微弱磁场，具有灵敏度高、完全无创、完全被动、非接触等特殊优点，有望成为新一代高端医疗临床研究和临床诊断设备，用于高危人群的健康筛查和冠心病的早期诊断【M.Hamalainen et al,Magnetoencephalography-theory,instrumentation,andapplications to noninvasive studies of the working human brain,Rev.Mod.Phys.65(2),413(1993)】。

心磁图仪的诊断能力及可靠性取决于探测到的心磁信号质量，而成人心磁的典型强度为100pT(1pT=10^-12T)，仅为地球环境磁场强度的一百万分之一左右，因而探测到高信噪比的心磁信号的难度非常大。从强大的背景磁场中提取极为微弱的心磁信号取决于两个方面：1）高灵敏度的磁传感器，用于探测微弱心磁信号；2）噪声抑制技术，抑制背景磁场。目前，心磁图领域中应用最为成熟的磁传感器为超导量子干涉器件（SQUID），典型的磁场灵敏度为3~5fT/√Hz【R.L.Fagaly et al,Superconducting quantum interference deviceinstruments and applications,Rev.Sci.Inst.77,101101(2006)】。为了得到高信噪比的心磁信号，心磁图仪的另一巨大挑战是对强大的背景磁场的抑制，因而环境噪声抑制技术为心磁图仪的关键技术之一。

无屏蔽环境下心磁测量中噪声抑制手段主要是采用梯度计技术，但由于硬件梯度计支撑材料制作工艺不完善以及人工绕制误差等因素的存在，导致梯度计存在一定的不平衡度，该不平衡度使得硬件梯度计对于环境磁场中的均匀场及梯度场均有响应【J.VRBA,J.MCCUBBLN,First-Gradient Balancingof Higher-Order Gradiometers.Il Nuovo Cimento D.Volume 2,Number 2(1983),142-152】。为了进一步提高硬件梯度计的噪声抑制能力，通常使用三轴参考磁强计对背景场进行补偿，所采取的补偿算法主要有频率最小二乘，时域最小二乘等【Shulin Zhang,Yongliang Wang,Huiwu Wang,Shiqin Jiang and XiaomingXie,Quantitative evaluation of signal integrity for magnetocardiography,Phys.Med.Biol.54(2009)4793】，而三轴参考磁强计主要抑制梯度计对环境场均匀分量的响应，而对其梯度响应，特别是一阶梯度响应抑制能力有限。因此，当无屏蔽心磁图仪的应用环境中磁梯度环境（磁梯度来源包括心磁图仪机械振动、近源大功率电气设备干扰等）较为严重时，所探测到的心磁信号信噪比将下降，进而降低了心磁图仪的诊断能力及系统可靠性。

为了提高心磁信号质量，增强心磁图仪的诊断可靠性，需要对环境磁场中的磁梯度噪声，特别是磁场的一阶梯度分量进行有效抑制，因此设计一个低成本、简单可靠的一阶梯度补偿模块是心磁图仪不可或缺的重要组成部分。从而引导出本申请的构思。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于无屏蔽心磁图仪的一阶梯度补偿模块及补偿方法，利用该模块及所提供的补偿方法，可以有效抑制环境磁场中主要的一阶梯度分量，实现高信噪比心磁信号的探测。

本发明是在已有的三轴参考磁强计补偿二阶硬件梯度计的基础上加入包含3个独立的磁场一阶梯度分量的一阶梯度补偿模块，补偿二阶梯度计对环境磁场的一阶梯度响应。具体做法是是新加入3个z方向磁强计与已有的三轴模块中z方向参考磁强计共同构筑成一阶梯度补偿模块，与三轴参考磁强计共同作用。该一阶梯度补偿模块新引入3个独立的磁场梯度分量：（磁场梯度分量共九个，其中共五个为独立分量，另外两个独立分量为：），并通过滑窗最小二乘算法【Shulin Zhang,Quantitativeevalucation of signal integrity for Magnetocardiography.Phys.Med.Biol.544793】对二阶梯度计中的3个一阶梯度响应分量进行补偿，提高心磁信号的信噪比。

本发明的具体设计思路及方案如下：

1、磁强计补偿梯度计剩余响应原理：