一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，该系统主要包括：磁屏蔽桶(房)，低噪声程控电流源、亥姆霍兹线圈阵列。磁屏蔽桶(房)用于屏蔽地球磁场及其他外界磁场，同时也为使用原子磁强计测量产生的心脏磁场提供工作条件，低噪声程控电流源用于产生模拟心脏磁场所需要的电流，同时程控电流源也具有方便模拟动态信号系统的优点，亥姆霍兹线圈阵列用于产生心磁测量中胸腔表面法向的心脏磁场。本发明专利技术提出的系统可产生胸腔表面法向的心脏磁场应用于医学领域的研究，方便模拟病人的心脏磁场和原子磁强计探头的标定。心脏磁场和原子磁强计探头的标定。心脏磁场和原子磁强计探头的标定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统


[0001]本专利技术属于生物医学领域，涉及一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统。

技术介绍

[0002]人体的心脏磁场包含着许多生物电生理和病理信息，心磁图(MCG)是一种完全非接触、非侵入式的心脏磁场被动式测量方法。因为磁导率在人体的各个部位变化不大，所以心磁图的分辨率要高于传统的心电图(ECG)。心磁图在医疗、生命科学等领域拥有极高的探索潜力和广阔的应用前景，其在诊断心律失常、心肌缺血、房颤消融术定位等方面都有广泛的应用。
[0003]用于测量心磁图的心磁仪不产生辐射，不使用显影剂，相对于CT来说更加安全可靠，心磁仪也不产生外部强磁场，不与病人接触，所以做过心脏支架的患者能够安全的使用心磁仪。目前医疗领域应用的心磁仪主要有SQUID(超导量子干涉)心磁仪和SERF(Spin
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Exchange Relaxation
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Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计心磁仪。SQUID心磁仪在使用的时候需要工作在低温环境，进而液氮进行冷却，所以仪器比较笨重且仪器本身维护成本昂贵。SERF原子磁强计心磁仪的灵敏度高于SQUID心磁仪，且不需要工作在低温环境下，体积也具有微型化，集成化的优势，便于多通道的心磁测量设计，所以目前SERF原子磁强计心磁仪的应用前景更加广泛。
[0004]SERF原子磁强计心磁仪为了标定探头的灵敏度，验证MCG信号的完整性，检验SERF原子磁强计心磁仪疾病诊断的准确性，需要人体去实际进行测量，但是当校验疾病的诊断准确性时不方便寻找病人来测量，因此本专利技术使用一种亥姆霍兹线圈阵列模拟心脏竖直方向的磁场，在磁屏蔽桶(房)的工作条件下，通过低噪声程控电流源产生模拟心脏磁场的电流，进而产生模拟心脏竖直方向强度在pT量级的磁场。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，利用亥姆霍兹线圈产生匀强磁场用于模拟生物磁场，具体是利用亥姆霍兹线圈阵列模拟心脏竖直方向的磁场，便于SERF原子磁强计心磁仪的探头标定，验证MCG信号的完整性，检验SERF原子磁强计心磁仪疾病诊断的准确性。同时在对SERF原子磁强计心磁仪进行研究时，使用本专利技术也避免了需要人体反复来实验的问题。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，所述系统包括：磁屏蔽桶(房)1、亥姆霍兹线圈阵列2和低噪声程控电流源3；磁屏蔽桶(房)1用于屏蔽地磁场和环境磁场，内部工作区域的剩磁需要在20nT以内；低噪声程控电流源3置于磁屏蔽桶(房)1外部，用于提供亥姆霍兹线圈阵列2所需要的电流，输出合成的心磁信号，满足噪声水平和精度水平要求，并且提供人机交互界面；亥姆霍兹线圈阵列2置于磁屏蔽桶(房)1内，此阵列以4
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4的方
式排列，模拟产生心脏竖直方的磁场，满足多通道SERF原子磁强计使用所需。
[0008]进一步地，所述磁屏蔽桶(房)1包括：内层为环氧或铝层，外层为铝层，中间为多层高导磁坡莫合金，一端底，另一端为活盖。
[0009]进一步地，所述亥姆霍兹线圈阵列2包括：线圈形式选择为亥姆霍兹线圈，上下两组线圈匝数均为1，即单导线线圈，导线直径设为1mm，线圈半径R设置为2cm，因而h＝R＝2cm；相邻两线圈中心轴距离设置为5cm。线圈供电直导线采取临近设计的方式，即令电流流入端供电导线与电流流出端供电导线紧密贴合。这样设计的目的是使供电导线磁场相互抵消从而对线圈磁场影响降到最低，同时以阵列的形式能适应多通道SERF原子磁强计测量的要求。
[0010]进一步地，所述低噪声程控电流源3包括：电源模块、AD模块，DA模块，功放模块、MCU控制模块和人机交互模块，这几个模块之间采用集成化的连接方式，同时设计在一块PCB印刷电路板上面。其应满足能够产生满足模拟心脏磁场所需要的电流值要求，且具有模拟动态信号系统的优点，模拟产生心脏竖直方向的心磁信号，还可以调节各个波群的持续时间以及幅值，同时低噪声程控电流源满足产生心脏磁场的低噪声和高精度要求。
[0011]特别地，本专利技术通过如下实现：
[0012]一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，主要包括：磁屏蔽桶(房)1、低噪声程控电流源3、亥姆霍兹线圈阵列2。低噪声程控电流源3置于屏蔽桶(房)1外部，亥姆霍兹线圈阵列2放置于磁屏蔽桶(房)1内，低噪声程控电流源3产生模拟心磁电流信号，亥姆霍兹线圈阵列2产生心脏竖直方向磁场。将合成的心磁信号输入到程控电流源的微控制器(MCU)中，然后通过程控电流源输出到亥姆霍兹线圈阵列中产生模拟心脏竖直方向的磁场。
[0013]1)磁屏蔽桶或磁屏蔽房
[0014]心脏磁场强度在pT量级，而地球磁场强度在6
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107pT左右，因此心脏磁场的测量需要在磁屏蔽的环境内，磁屏蔽桶(房)1用于屏蔽地磁场和环境磁场。磁屏蔽桶(房)1内部工作区域的剩磁需要在20nT以内，以便为SERF原子磁强计提供工作环境。磁屏蔽桶使用三层坡莫合金制成，对弱磁场的磁导率极高而且具有很好的塑性。
[0015]2)低噪声程控电流源
[0016]因为心脏磁场信号不同于正常的正弦信号或者其他简易信号，所以利用程控电流源便于心脏磁场信号的输入。同时因为心脏磁场强度的量级在pT量级，所以需要用到低噪声的程控电流源防止噪声对输出磁场产生影响。采用低噪声程控电流源3也避免了因为设计亥姆霍兹线圈阵列2和亥姆霍兹线圈阵列2输入导线所带来的额外的输出阻抗产生影响。本专利技术使用的低噪声程控电流源3同时具有连续可调功能，输出范围大，可实现恒流输出和任意波形输出，适合用于模拟动态信号系统。本专利技术设计的低噪声程控电流源具有输入屏幕，方便恒流输出和波形输出，便于操作使用。
[0017]3)亥姆霍兹线圈阵列
[0018]亥姆霍兹线圈是一种制造小范围匀强磁场的器件，其均匀区体积大，使用空间开阔，操作简便。可实现一维、二维、三维组合磁场，可提供交、直流磁场，并且其电流与磁场有很好的线性关系。亥姆霍兹线圈被广泛的应用于电子、生物、医疗、航空航天等各个学科，其主要用途有：产生标准磁场、地球磁场的抵消与补偿、地磁环境模拟、磁屏蔽效果的判定、电磁干扰模拟实验、霍尔探头和各种磁强计的定标、生物磁场的研究等。亥姆霍兹线圈是由一
对完全相同的圆形导体线圈组成。这两个半径为R的圆形线圈的中心轴都与Z轴同轴。两个圆形线圈间距h等于两个圆形线圈半径R。两个圆形线圈的匝数相同，每一个导体线圈载有同向电流I，电流值与磁场强度有良好的线性关系。如图4所示，在亥姆霍兹线圈中心的刨面的磁场线分布。在两个线圈之间的磁场近似均匀。本专利技术充分利用了亥姆霍兹线圈产生匀强磁场的特性，利用亥姆霍兹线圈阵列2模拟心脏竖直方向的磁场。
[0019]本专利技术的基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统主要实现如下：
[0020]第一步，利用SER本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，其特征在于：所述系统包括：磁屏蔽桶(房)(1)、亥姆霍兹线圈阵列(2)和低噪声程控电流源(3)；磁屏蔽桶(房)(1)用于屏蔽地磁场以及环境磁场，内部工作区域的剩磁需要在20nT以内；低噪声程控电流源(3)置于磁屏蔽桶(房)(1)外部，用于提供亥姆霍兹线圈阵列(2)所需要的电流，输出合成的心磁信号，满足噪声水平和精度水平要求，并且提供人机交互界面；亥姆霍兹线圈阵列(2)置于磁屏蔽桶(房)(1)内，此阵列以4
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4的方式排列，模拟产生心脏竖直方的磁场，满足多通道SERF原子磁强计使用所需。2.根据权利1所述的模拟系统，其特征在于：所述磁屏蔽桶(房)(1)包...

【专利技术属性】
技术研发人员：马辛，窦帅，曹一荻，李君儒，张祎琛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：