一種用於無屏蔽心磁圖儀的一階梯度補償模塊及方法
2023-06-09 22:08:26
專利名稱：一種用於無屏蔽心磁圖儀的一階梯度補償模塊及方法
技術領域：
本發明涉及一種用於無屏蔽心磁圖儀的一階梯度補償模塊及方法。
背景技術：
心磁圖儀能探測心臟電生理活動過程中產生的微弱磁場，具有靈敏度高、完全無創、完全被動、非接觸等特殊優點，有望成為新一代高端醫療臨床研究和臨床診斷設備，用於高危人群的健康篩查和冠心病的早期診斷M. Hamalainen et al, Magnetoencephalo graphy-theory, instrumentation, andapplications to noninvasive studies of the working human brain, Rev. Mod. Phys. 65 (2), 413 (1993) ]D
心磁圖儀的診斷能力及可靠性取決於探測到的心磁信號質量，而成人心磁的典型強度為IOOpT (1ρΤ=10_12Τ)，僅為地球環境磁場強度的一百萬分之一左右，因而探測到高信噪比的心磁信號的難度非常大。從強大的背景磁場中提取極為微弱的心磁信號取決於兩個方面1)高靈敏度的磁傳感器，用於探測微弱心磁信號；2)噪聲抑制技術，抑制背景磁場。目前，心磁圖領域中應用最為成熟的磁傳感器為超導量子幹涉器件(SQUID)，典型的磁場靈敏度為 3 5fT/ V HzR.L. Fagaly et al, Superconducting quantum interference device instrument s and applications, Rev. Sc1.1nst. 77, 101101 (2006)。為了得到高信噪比的心磁信號，心磁圖儀的另一巨大挑戰是對強大的背景磁場的抑制，因而環境噪聲抑制技術為心磁圖儀的關鍵技術之一。
無屏蔽環境下心磁測量中噪聲抑制手段主要是採用梯度計技術，但由於硬體梯度計支撐材料製作工藝不完善以及人工繞制誤差等因素的存在，導致梯度計存在一定的不平衡度，該不平衡度使得硬體梯度計對於環境磁場中的均勻場及梯度場均有響應J. VRBA, J. MCCUBBLN, First-Gradient Balancingof Higher-Order Gradiometers.1l Nuovo Cimento D. Volume 2, Number 2 (1983)，142-152。為了進一步提高硬體梯度計的噪聲抑制能力，通常使用三軸參考磁強計對背景場進行補償，所採取的補償算法主要有頻率最小二乘，時域最小二乘等Shulin Zhang, Yongliang Wang, Huiwu Wang, Shiqin Jiang and XiaomingXie, Quantitative evaluation of signal integrity for magnetocardiography, Phys. Med. Biol. 54 (2009) 4793，而三軸參考磁強計主要抑制梯度計對環境場均勻分量的響應，而對其梯度響應，特別是一階梯度響應抑制能力有限。因此， 當無屏蔽心磁圖儀的應用環境中磁梯度環境(磁梯度來源包括心磁圖儀機械振動、近源大功率電氣設備幹擾等)較為嚴重時，所探測到的心磁信號信噪比將下降，進而降低了心磁圖儀的診斷能力及系統可靠性。
為了提高心磁信號質量，增強心磁圖儀的診斷可靠性，需要對環境磁場中的磁梯度噪聲，特別是磁場的一階梯度分量進行有效抑制，因此設計一個低成本、簡單可靠的一階梯度補償模塊是心磁圖儀不可或缺的重要組成部分。從而引導出本申請的構思。發明內容
本發明的目的是提供一種用於無屏蔽心磁圖儀的一階梯度補償模塊及補償方法， 利用該模塊及所提供的補償方法，可以有效抑制環境磁場中主要的一階梯度分量，實現高信噪比心磁信號的探測。
本發明是在已有的三軸參考磁強計補償二階硬體梯度計的基礎上加入包含3個獨立的磁場一階梯度分量的一階梯度補償模塊，補償二階梯度計對環境磁場的一階梯度響應。具體做法是是新加入3個z方向磁強計與已有的三軸模塊中z方向參考磁強計共同構築成一階梯度補償模塊，與三軸參考磁強計共同作用。該一階梯度補償模塊新引入3個獨立的磁場梯度分量M7Idx，dBJdy，357/&(磁場梯度分量共九個，其中共五個為獨立分量，另外兩個獨立分量為-SByIdx，95y/辦)，並通過滑窗最小二乘算法shulin Zhang,Quantitativeevalucation of signal integrity for Magnetocardiography. Phys. Med. Biol. 544793對二階梯度計中的3個一階梯度響應分量進行補償，提高心磁信號的信噪比。
本發明的具體設計思路及方案如下
1、磁強計補償梯度計剩餘響應原理
已知梯度計的輸出響應為G，三軸參考磁強計的響應分別為Bx，By, Bz，則梯度計經三軸補償之後的輸出為S，SzG-k^-k^By-k^,其中k1; k2, k3為補償係數,可通過滑窗最小二乘算法確定。在三軸補償的基礎之上，額外引入3個z方向磁強計(響應分別為Bz1，Bz2， Bz3)與三軸補償共同作用(新引入的3個z方向磁強計與三軸及梯度計相對位置及構型見附圖1 )，則同時有6個分量來補償梯度計響應S = G- a ^x- a 2By- a 3Bz-qiBzl-q2Bz2-q3Bz3，其實質為i = O-λ-具-k2Bv -1ciB:-k4 -k5 -k6 二廣，磁場對位置的泰勒展開僅考慮到一階'we Dy OZ·梯度項，顯然補償項中包含了 3個磁場的一階梯度分量。其對應的滑窗最小二乘算法目標./τ H!函數為-J = ~σ^~α^' ~α -(!Au-( β。~ciAvy，其中η為窗長,通過求出使目標函數為最小值時的6個係數(Ci1, α2, a3，qi，q2，q3)之後，再次代入即可補償梯度計中包含3個獨立一階梯度分量響應在內的剩餘響應。
2、一階梯度補償模塊
附圖一中SQzl、SQz2與三軸模塊的SQz在同一平面內，SQz3與SQz為同一軸線，SQz, SQzl> SQz2和SQz3共同構築成一階梯度補償模塊，該模塊具體形式(線繞磁強計或平面磁強計)和尺寸和參數規格需根據實際情況調整，以當前無屏蔽4通道心磁圖儀為例，所選全部 6個參考補償通道均為線繞磁強計，直徑為1. 5mm，構築成的一階梯度補償模塊的尺寸為 Bz-Bzl間距、Bz-Bz2間距、Bz-Bz3間距均相等，為4cm。考慮到心磁圖儀的磁敏感特性，線繞磁強計所選用的支撐材料需為無磁材料，同時因其作為參考通道，與梯度計所在位置較近，材料選取不可為金屬。玻璃鋼(fiber glass)為優秀候選材料,其特點如下質輕且硬,不導電，無磁，機械強度高，可加工性好。與圖1相對應，應用於無屏蔽心磁圖儀中的一階梯度補償模塊實物效果示意圖見附圖2。
本發明公開了一種用於無屏蔽心磁圖儀的一階梯度補償模塊及補償方法，並以當前4通道無屏蔽心磁圖儀為實例進行實施和設計。但本發明的設計思想和應用決非僅限於 4通道無屏蔽心磁圖儀，可用於其他多通道無屏蔽或有屏蔽的心磁圖儀，具體的一階梯度補償模塊構型需以實際情況為準——可為磁場一階梯度全補償構型(補償全部九個分量)，或磁梯度單一分量補償構型(如僅引入SQz3，對應引入的補償項為I)等。本發明所涉及的補fk償方法主要包括以下幾個方面1)磁強計補償梯度計中剩餘響應原理，新引入3個Z方向磁強計與已知三軸參考磁強計構築成一階梯度補償模塊，從而補償項由之前的3個變為6個， 其構型的實質即新引入了 3個z方向一階梯度分量BBJdy, δδ7/&，來補償梯度計中剩餘的一階梯度響應。補償係數由最小二乘的目標函數最小這一條件決定。2)—階梯度補償模塊優化設計，包括硬體優化(模塊的尺寸規格等)及軟體參數優化(窗長設置等) 兩方面。通過從時域及頻域對比引入一階梯度補償模塊前後的心磁信號，可以看出，本發明能進一步抑制梯度計的剩餘響應，即一階梯度響應，從而提高心磁信號信噪比，進而提高了心磁圖儀的診斷能力及推廣普及。
圖1 : 一階梯度補償模塊結構示意圖
SQzl-SQz、SQz2-SQz和SQz3-SQz分別構築成三個一階梯度補償參考通道，引入的三個一階梯度分量依次為as7/ar，dBjdy，as7/&。
圖2 :應用於心磁圖儀中的一階梯度補償模塊效果圖。
該效果圖與附圖1相對應。新引入的三個磁強計為參考通道與三軸參考磁強計模塊。共構築成六個參考通道對二階梯度計的剩餘響應進行補償。
圖3:—階梯度補償後真實心磁的時域、頻域特性
(a)有明顯低頻漂移情形下，三軸補償與一階梯度補償時域下對比，經三分量一階梯度補償後的心磁信號低頻漂移得到大幅抑制，提高了心磁信號質量。信號調理95Hz低通及50Hz帶阻數字濾波；Case1:三軸參考磁強計補償二階硬體梯度計；
圖中，Case1:三軸參考磁強計補償二階硬度梯度計；
Case 2 :三軸參考磁強計補償+ —分量(SB7Idz )一階梯度分量補償；
Case 3 :三軸參考磁強計補償+三分量(冊7/3x，dBJdy ,冊7/& )—階梯度補
(b)對應於(a)的頻譜分析；
(c)對應於(a)的多周期平均信號；
(d)無明顯低頻漂移情形下，三軸補償與一階梯度補償時域下對比，經三分量一階梯度補償後的心磁信號高頻分量也能得到極大抑制，信噪比從12. 02dB提升至19. 90dBo信號調理45Hz低通及50Hz帶阻數字濾波；
( e)對應於(d)的頻譜分析；
(f)對應於(d)的多周期平均信號；具體實施方式
首先構築一階梯度補償模塊，模塊應與梯度計相對位置保持一定，且需牢固可靠。 其尺寸規格的優化思路如下，首先，三軸磁強計與額外引入的3個磁強計間距不能太遠，其一是避免構築的一階梯度分量與梯度計感應到的一階梯度響應關聯性減小，影響補償效果，其二是避免使有效的液氦高度減少，進而減少心磁圖儀正常工作周期(或縮短了補氦周期)；同時，尺寸也不宜過小，過小會使線圈間串擾加劇，使補償效果降低。以當前心磁圖儀為例，本發明設計的尺寸規格已在發明內容中提及。
模塊構築完成之後進行低溫測試(灌輸液氦至無磁杜瓦)，由於新引入3個z方向參考磁強計與已知三軸構築成的一階梯度補償模塊，除硬體構型需優化設計之外， 從軟體算法基礎上也需對其參數進行優化設計，使心磁信號在達到信噪比最優的同時，心磁信號失真度儘可能小，軟體算法上需優化的參數主要為滑窗最小二乘算法的窗長 η,詳見Shulin Zhang, Yongliang Wang, Huiwu Wang, Shiqin Jiang and Xiaoming Xie, Quantitative evaluation of signal integrity for magnetocardiography, Phys. Med. Biol. 54(2009)4793。
最後採集真實心磁信號(圖3)，從時域上可以看出，低頻及高頻噪聲都能得到進一步抑制，低頻漂移的抑制能力尤為顯著，高頻部分的抑制能力也能從僅三軸補償時的 12. 02dB提升至19. 90dB ;頻域上也可看出某些特徵峰得以抑制(主要為梯度計中一階梯度響應)。通過對比，可以看出附加一階梯度補償模塊之後，心磁信號信噪比明顯提高，對梯度計中的剩餘響應(主要為一階梯度響應)抑制能力明顯增強。
通過綜合對比多周期時域信號，多周期平均後信號以及對應的頻譜分析，可以發現Case 3，也即進行三分量的一階梯度補償為當前心磁圖儀所工作環境下的最優方案。
權利要求
1.一種用於無屏蔽的心磁圖儀的一階梯度補償模塊，其特徵在於所述的一階梯度補償模塊式以引入的3個Z方向參考磁強計與已知的三軸模塊中的Z方向參考磁強計共同構築而成的；所述引入的3個z方向參考磁強計分別為SQzl、SQz2和SQz3，其中SQzl和SQz2與三軸模塊的SQz在同一平面內，SQz3和SQz為同一軸線。
2.按權利要求1所述的一階梯度補償模塊，其特徵在於一階梯度補償模塊的引入與三軸參考磁強計共同作用，使補償項由之前的3個變為6個；新引入了 3個z方向一階梯度分量dB7/dy，以補償梯度計中剩餘的一階梯度響應；補償係數由滑窗最小二乘的目標函數決定，提高心磁信號的信噪比。
3.按權利要求2所述的一階梯度補償模塊，其特徵在於6個分量補償梯度響應的輸出S = G-LB -k2B -LBz-k4 —-k5 —-k6 ,式中，G 為已知梯度計的輸出響應，kp k2、k3
4.按權利要求3所述的一階梯度補償模塊，其特徵在於所述滑窗最小二乘算法的目標 函數
5.按權利要求1所述的一階梯度補償模塊，其特徵在於引入的所述的一階補償模塊為線繞磁強計或平面磁強計。
6.按權利要求1或5所述的一階梯度補償模塊，其特徵在於對於無屏蔽4通道心磁圖儀所選全部6個參考補償通道均為線繞磁強計，直徑為1. 5mm，構築城的一階梯度模塊的尺寸是Bz-Bzl間距、Bz-Bz2間距及Bz-Bz3間距均相等，為4cm ;Bzl、Bz2和Bz3為額外引入的3個z方向的響應。
7.按權利要求1-5所述的一階梯度補償模塊的補償方法，其特徵在於 O首先，構築一階梯度補償模塊，模塊與梯度計相對位置保持一定； 2)模塊構築完成之後進行低溫測試，由於新引入3個z方向參考磁強計與已知三軸構築一階梯度補償模塊，除硬體構型需優化設計之外，從軟體算法基礎上也需對其參數進行優化設計，使心磁信號在達到信噪比最優的同時，心磁信號失真度儘可能小，軟體算法上需優化的參數為滑窗最小二乘算法的窗長； 3)最後採集真實心磁信號，從時域上可以看出，使低頻及高頻噪聲得到進一步抑制，一階梯度補償模塊使心磁信號信噪比提高，對梯度計中三分量的一階梯度補償為最優方案，其剩餘響應抑制能力增強。
8.按權利要求7所述的方法，其特徵在於經一階梯度補償模塊補償後，低頻和高頻噪聲都得到抑制，高頻部分抑制從僅三軸補償時的12. 02dB提升到19. 90dB，心磁信號噪聲比明顯提聞。
9.按權利要求7所述的方法，其特徵在於不僅適用於4通道無屏蔽的心磁圖儀，而且適用於多通道無屏蔽或有屏蔽的心磁圖儀。
全文摘要
本發明涉及一種用於無屏蔽的心磁圖儀的一階梯度補償模塊及方法，其特徵在於所述的一階梯度補償模塊式以引入的3個z方向參考磁強計與已知的三軸模塊中的z方向參考磁強計共同構築而成的；所述引入的3個z方向參考磁強計分別為SQz1、SQz2和SQz3，其中SQz1和SQz2與三軸模塊的SQz在同一平面內，SQz3和SQz為同一軸線。所述的補償方法1)首先，構築一階梯度補償模塊，模塊與梯度計相對位置保持一定；2)進行低溫測試並在軟體算法上優化；3)採集真實心磁信號。本發明不局限於無屏蔽心磁圖儀而且適用於多通道無屏蔽或有屏蔽的心磁圖儀。
文檔編號A61B5/04GK102988038SQ20121054667
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者曾佳, 邱陽, 張樹林, 王永良, 孔祥燕, 劉明, 李華 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所