一种胎儿心磁检测探头、系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种胎儿心磁检测探头、系统及方法，包括：第一三轴磁强计、第二三轴磁强计、核心梯度计，第一三轴磁强计对核心梯度计所处的环境磁场进行检测，并驱动磁补偿线圈对环境磁场进行抑制；第二三轴磁强计对抑制后的环境磁场进行检测；核心梯度计在抑制后的环境磁场中对被测磁场进行检测，将第二三轴磁强计和核心梯度计输出信号进行合成，抵消核心梯度计输出信号中的环境磁场信号，得到被测信号。本发明专利技术可以在无屏蔽环境下实现高信噪比的微弱信号探测，不使用屏蔽室大大降低了系统成本，提高了系统的灵活性，突破了传统超导量子干涉器磁探测器的应用壁垒，进一步推动超导量子干涉器系统的应用，具有重要的经济价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微弱磁场探测领域，特别是涉及一种胎儿心磁检测探头、系统及方法。
技术介绍
基于超导量子干涉器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevice,以下简称SQUID)的磁探测器是目前已知的噪声水平最低、最灵敏的磁探测器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10-15特斯拉)量级。在极微弱磁场探测、科学研究中具有很高的科研和应用价值。如图1所示，基于超导量子干涉器件SQUID的磁探测器主要由以下几个部分组成：1、探测线圈，即超导拾取线圈：根据被测信号源的磁场空间分布，绕制线圈，用于耦合被测信号磁场产生的磁通。拾取线圈采用超导线绕制，并接入SQUID器件中同样是超导线绕制的输入线圈，构成一个超导环路。根据超导环路的磁通量子化效应，拾取线圈耦合的磁通将使超导环按比例产生电流Is，该电流流入SQUID器件的输入线圈再产生磁通耦合到SQUID磁通传感器中。2、SQUID磁通传感器由SQUID器件和其配套的SQUID读出电路构成，将SQUID感受的磁通量按比例线性转换成电压Vout。这样超导绕制的磁通拾取线圈和SQUID磁通传感器结合，就实现了被测磁场的捕获的磁场-电压的线性转换。形成了具有磁场检测能力的磁探测器。由于其灵敏度非常高，因此广泛应用在微弱磁信号的仪器设备中。超导量子干涉其微弱磁探测器中的一个重要应用领域是生物磁场探测，构建心磁图仪等高端医疗设备。其中胎儿心磁图仪具有重要的应用潜力。胎儿心脏异常的探测手段非常有限，超声只能进行结构性检测，心电方法由于母体电导问题，难以获得有效心电信号。只有心磁信号不受母体电导问题影响，可以有效反映胎儿心脏活动信息，同时完全无创检测，因此胎儿心磁探测称为胎儿心脏检测的重要手段。胎儿心磁信号探测仪器的核心是超导量子干涉其磁传感器，胎儿心磁信号非常微弱，最大只有几个pT(皮特斯拉，10-12特斯拉)，相比与几个微特(微特：10-6特斯拉)地球环境磁场的波动，要提取出高信噪比的信号非常困难。因此在传统SQUID磁探测器的基础上进行探头的特殊设计，才能在强大的背景干扰磁场中获取微弱胎儿心磁信号。基于超导量子干涉器的磁场探测器具有极高的灵敏度，磁场分辨率可达到飞特(10-15特斯拉)量级。因为其高灵敏性，该传感器的测量量程一般较小，因此在进行微弱磁信号探测时，遇到了很大的挑战，主要原因是我们所处的环境中充满了地球磁场，地球磁场的大小在50微特(微特：10-6特斯拉)左右，同时地球磁场的波动有几百纳特(纳特：10-9特斯拉)到几个微特。这个背景磁场干扰相对于SQUID磁探测器能分辨的信号是巨大的。因此在进行微弱磁信号探测时，这个背景噪声将严重影响探测信号的信噪比。解决上述问题，采用的技术手段有，1)使用屏蔽室抑制环境磁场。目前使用SQUID磁探测器进行微弱磁信号探测时，需要在屏蔽室，一种具有环境磁场屏蔽的设备中进行。使用屏蔽室，占用空间大，使用不方便，同时造价非常昂贵(200万到1000万元)，严重限制了SQUID传感器的应用。2)使用梯度线圈抑制环境磁场。使用一阶或高阶的复杂的拾取线圈绕制方法，进行环境磁场抑制。如图2所示为平面梯度计，图3所示为轴向梯度计。梯度线圈绕制时形成两个磁场耦合面积，这两个面积大小相等，法线方向平行，两个面积耦合的磁通符号相反，即两个线圈的耦合的磁通量相减，因此分布均匀的磁场，同时耦合到两个线圈面积中的磁场产生的磁通相抵消，即共模信号抵消。而在两个面积上磁场分布不同的，即有梯度的磁场，在该梯度线圈上将转换成磁通，接入SQUID磁通传感器中进行电压转换。因此梯度线圈实现了梯度信号的探测，而对均匀磁场信号进行了抑制。即，梯度线圈具有磁场的共模抑制能力。但由于线圈的绕制不是理想的对称的，两个线圈面积存在误差，其共模抑制比只能做到104左右，仍不足以将强大的背景磁场抑制到小于被测微弱磁场的水平。用传统梯度线圈的传感器输出中仍引入较大的环境干扰磁场信号，信号探测的信噪比仍无法满足无屏蔽环境下胎儿心磁信号检测的要求。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种胎儿心磁检测探头、系统及方法，用于解决现有技术中环境磁场对被测微弱磁场产生干扰的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种胎儿心磁检测探头，所述胎儿心磁检测探头至少包括：第一三轴磁强计、第二三轴磁强计以及核心梯度计；所述第一三轴磁强计对所述核心梯度计所处的环境磁场进行检测，用于驱动磁补偿线圈，对环境磁场进行抑制；所述第二三轴磁强计对抑制后的环境磁场进行检测；所述核心梯度计在抑制后的环境磁场中对被测磁场进行检测，通过抵消所述核心梯度计输出信号中的环境磁场信号，得到被测信号。优选地，所述核心梯度计为超导差模线圈，对第一方向的磁场进行检测。更优选地，所述第二三轴磁强计包括三个方向的磁场拾取线圈，分别对第一方向、第二方向及第三方向的磁场进行检测，所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向两两垂直。更优选地，所述第一三轴磁强计包括三个方向的磁场拾取线圈，分别对所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向的磁场进行检测。更优选地，所述核心梯度计中超导线依对称轴走线，对称轴两侧包围的环境磁场平衡区和被测信号感应区面积相等且对称分布，超导线经对称轴后交叉走线使得对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在对称轴处引出，对称轴两侧包围的环境磁场平衡区和被测信号感应区耦合的磁通相互抵消。更优选地，所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区中设置有高磁导率材料，所述高磁导率材料的相对磁导率不小于10。更优选地，所述环境磁场平衡区和所述被测信号感应区中的高磁导率材料具有相同的介质参数。更优选地，所述介质参数包括磁导率、填充空间。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种胎儿心磁检测系统，所述胎儿心磁检测系统至少包括：上述胎儿心磁检测探头、SQUID传感器、线圈驱动电路、磁补偿线圈以及噪声抵消电路；其中，所述第一三轴磁强计的输出端连接一组SQUID传感器后，通过一组线圈驱动电路连接至一组磁补偿线圈，磁补偿线圈产生磁信号对环境磁场进行抑制；所述第二三轴磁强计和所述核心梯度计的输出端连接另一组SQUID传感器后，连接至噪声抵消电路，所述噪声抵消电路将所述核心梯度计在抑制后的环境磁场中检测到的被测磁场信号与所述第二三轴磁强计检测到的抑制后的环境磁场进行合成，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种胎儿心磁检测探头，其特征在于，所述胎儿心磁检测探头至少包括：第一三轴磁强计、第二三轴磁强计以及核心梯度计；所述第一三轴磁强计对所述核心梯度计所处的环境磁场进行检测，用于驱动磁补偿线圈，对环境磁场进行抑制；所述第二三轴磁强计对抑制后的环境磁场进行检测；所述核心梯度计在抑制后的环境磁场中对被测磁场进行检测，通过抵消所述核心梯度计输出信号中的环境磁场信号，得到被测信号。

【技术特征摘要】
1.一种胎儿心磁检测探头，其特征在于，所述胎儿心磁检测探头至少包括：
第一三轴磁强计、第二三轴磁强计以及核心梯度计；
所述第一三轴磁强计对所述核心梯度计所处的环境磁场进行检测，用于驱动磁补偿线
圈，对环境磁场进行抑制；
所述第二三轴磁强计对抑制后的环境磁场进行检测；
所述核心梯度计在抑制后的环境磁场中对被测磁场进行检测，通过抵消所述核心梯度
计输出信号中的环境磁场信号，得到被测信号。
2.根据权利要求1所述的胎儿心磁检测探头，其特征在于：所述核心梯度计为超导差模线圈，
对第一方向的磁场进行检测。
3.根据权利要求2所述的胎儿心磁检测探头，其特征在于：所述第二三轴磁强计包括三个方
向的磁场拾取线圈，分别对第一方向、第二方向及第三方向的磁场进行检测，所述第一方
向、所述第二方向及所述第三方向两两垂直。
4.根据权利要求3所述的胎儿心磁检测探头，其特征在于：所述第一三轴磁强计包括三个方
向的磁场拾取线圈，分别对所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向的磁场进行检测。
5.根据权利要求2所述的胎儿心磁检测探头，其特征在于：所述核心梯度计中超导线依对称
轴走线，对称轴两侧包围的环境磁场平衡区和被测信号感应区面积相等且对称分布，超导
线经对称轴后交叉走线使得对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在对称轴处
引出，对称轴两侧包围的环境磁场平衡区和被测信号感应区耦合的磁通相互抵消。
6.根据权利要求5所述的胎儿心磁检测探头，其特征在于：所述环境磁场平衡区和所述被测
信号感应区中设置有高磁导率...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永良，徐小峰，张树林，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31