基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法制造方法及图纸

本申请公开了基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法，探测装置包括：光路架，用于接收一束入射光，调整入射光的偏振状态，并将入射光分为第一激光光束和第二激光光束；原子气室，包括第一原子气室和第二原子气室；相较于第二原子气室，第一原子气室更加靠近被测生物；磁场线圈用于为第一原子气室和第二原子气室提供不同频率的调制磁场；光电探测器用于检测第一激光光束经过第一原子气室的后的第一光信号以及第二激光光束经过第二原子气室的后的第二光信号；并且对第一光信号和第二光信号进行解调和差分，以得到被测生物的生物磁信号。通过上述探测装置，可以精确测量极微弱的生物磁信号，且探测装置的工作环境要求较低。境要求较低。境要求较低。

【技术实现步骤摘要】
基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法


[0001]本申请涉及量子信息领域的磁场信号探测，尤其涉及基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法。

技术介绍

[0002]生物体普遍存在电信号，而通过法拉第电磁感应定律，生物电场也会感应生物磁场。生物电信号的变化也会引起生物磁信号的微小变化，只要磁梯度计的精度足够高，就可以探测出这些变化。医学上，病变组织的磁信号将会有异常的变化，可以为疾病的确定和治疗提供依据。生命体的磁导率相较于电导率基本是一致的，所以探测生物磁信号相较于电信号可以获得更高的空间分辨率，通过生物磁探可以更准确地定位病灶位置。
[0003]测量通过线圈的磁通量是探测磁场的一般方法，但是生物磁信号普遍较微弱(例如脑磁信号小于百fT)，对探测装置的灵敏度有着很高的要求。目前一般使用超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device，SQUID)，对生物体内发出的微弱生物磁信号进行直接测量，其基本原理基于超导隧道效应和磁通量子化。
[0004]但是SQUID工作需要维持极低的温度，可以由液氦或液氮提供，但是液氦或液氮的维持费用高昂，并且超导线圈温度极低，也需要与生物组织保持一定距离，影响其空间分辨率。
[0005]光泵原子磁梯度计是测量磁场的另一种方式。光泵原子磁梯度计，其主要原理是利用原子能级的塞曼效应，将磁场大小的变化转化为原子能级裂距的变化，再利用激光和原子发生相互作用的光谱学特性，实现对磁场的高灵敏度测量。r/>[0006]在外加磁场下(待测磁场)，原子能级的超精细结构发生塞曼分裂，即原来不同总角动量代表的能级又分裂成了新的能级结构，称为塞曼子能级，且塞曼子能级间的能量差与外磁场密切相关，即测量磁场可以通过测量能级差得到。其中，对原子气室加热，可以提高气室的原子数密度，
[0007]在外界磁场中，原子能级发生塞曼分裂，对应能级裂距，使用一束泵浦光对原子气室进行极化，再使用另一束探测光通过原子气室，由于原子气室对光的吸收已经基本饱和，探测光的光强不发生变化。此时在原子气室外加频率对应的射频场，射频场作用下，电子在塞曼子能级上发生跃迁，探测光再通过时将会被吸收，光强也会衰减。通过观察探测光的光强变化，找到射频场的频率，即可通过公式(也称为共振条件ω0＝γB)计算出外界磁场，这就是光泵原子磁梯度计的一般原理。
[0008]但是，现有技术中光泵原子磁梯度计的精度不够，无法用于测量微弱的生物磁信号。

技术实现思路

[0009]本申请提供基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法，以解决现有技术中无法有效测量生物磁信号的问题。
[0010]为解决上述技术问题，本申请提出一种基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置，包括：光路架，包括准直器、偏振片、偏振分光棱镜、1/4波片和直角反射镜，用于接收一束入射光，调整入射光的偏振状态，并将入射光分为第一激光光束和第二激光光束；原子气室，包括第一原子气室和第二原子气室；相较于第二原子气室，第一原子气室更加靠近被测生物；磁场线圈，用于为第一原子气室和第二原子气室提供不同频率的调制磁场；光电探测器，用于检测第一激光光束经过第一原子气室的后的第一光信号以及第二激光光束经过第二原子气室的后的第二光信号；通过对第一光信号和第二光信号进行解调和差分，能够得到被测生物的生物磁信号。
[0011]为解决上述技术问题，本申请提出一种基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测方法，包括：接收一束入射光，调整入射光的偏振状态，并将入射光分为第一激光光束和第二激光光束；对第一原子气室和第二原子气室提供不同频率的调制磁场；其中，相较于第二原子气室，第一原子气室更加靠近被测生物；检测第一激光光束经过第一原子气室的后的第一光信号以及第二激光光束经过第二原子气室的后的第二光信号；并且对第一光信号和第二光信号进行解调和差分，以得到被测生物的生物磁信号。
[0012]本申请提出基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法，探测装置包括光源模块、光路架、原子气室、磁场线圈和光电探测器。原子气室，包括第一原子气室和第二原子气室；相较于第二原子气室，第一原子气室更加靠近被测生物；磁场线圈，用于为第一原子气室和第二原子气室提供不同频率的调制磁场；本申请的探测装置接收一束入射光，调整入射光的偏振状态，并将入射光分为第一激光光束和第二激光光束，检测第一激光光束经过第一原子气室的后的第一光信号以及第二激光光束经过第二原子气室的后的第二光信号；并且对第一光信号和第二光信号进行解调和差分，以得到被测生物的生物磁信号利用光泵原子磁梯度计探测生物磁信号，本申请的探测装置通过对光泵原子磁梯度计进行了改进，通过设置双原子气室的方式排出环境误差，能够实现生物磁信号的测量；并且，探测装置不需要工作在极低温环境，对工作环境的要求低；并且可以直接与被测生物直接接触，提高空间分辨能力，是一种生物磁信号精准探测的新方案。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是本申请基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置一实施例的光路示意图；
[0015]图2是本申请探测装置中第一原子气室和第二原子气室的位置关系示意图；
[0016]图3是本申请基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测方法一实施例的流程示意图。
[0017]主要元件及符号说明：
[0018]1、准直器；2、准直器压板；3、起偏器；4、偏振分光棱镜；5、原子气室；6、窗口片；7、光电探测器；8、直角反射镜。
具体实施方式
[0019]为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置及探测方法进一步详细描述。
[0020]本申请提出一种基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置，请参阅图1图1是本申请基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置一实施例的光路示意图。
[0021]为了实现生物磁信号探测，本申请在光泵原子磁梯度计的一般原理的基础上还进行了改进，具体如下：
[0022]在本实施例中，基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置可以包括光路架、原子气室5、磁场线圈和光电探测器7。
[0023]其中，光路架可以包括准直器11、偏振片3、偏振分光棱镜44、1/4波片和直角反射镜88。在本实施例中，1/4波片可以胶合在偏振分光棱镜4的表面。光路架可以用于调整激光光束的光路和偏振状态，将入射光分为第一激光光束和第二激光光束。
[0024]原子气室5可以包括第一原子气室5和第二原子气室5。经过光路架的光路调整后，第一激光光束入射第一原子气室5，第二激光光束入射第二原子气室本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置，其特征在于，包括：光路架，包括准直器、偏振片、偏振分光棱镜、1/4波片和直角反射镜，用于接收一束入射光，调整所述入射光的偏振状态，并将所述入射光分为第一激光光束和第二激光光束；原子气室，包括第一原子气室和第二原子气室；相较于所述第二原子气室，所述第一原子气室更加靠近被测生物；磁场线圈，用于为所述第一原子气室和所述第二原子气室提供不同频率的调制磁场；光电探测器，用于检测所述第一激光光束经过所述第一原子气室的后的第一光信号以及所述第二激光光束经过所述第二原子气室的后的第二光信号；通过对所述第一光信号和所述第二光信号进行解调和差分，能够得到所述被测生物的生物磁信号。2.根据权利要求1所述的基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置，其特征在于，所述光电探测器还用于在无被测生物时，对检测当前的所述第一光信号和所述第二光信号，以计算剩余磁场；所述磁场线圈还用于为所述第一原子气室和所述第二原子气室提供与所述剩余磁场相反方向的补偿磁场，以使所述原子气室内的原子处于近零磁场的状态，从而增加所述光泵原子磁梯度计的灵敏度。3.根据权利要求2所述的基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置，其特征在于，还包括：磁场线圈用于接收交流调制信号和直流激励，其中所述交流调制信号用于生成所述调制磁场；所述直流激励通过PID控制器调节，用于生成所述补偿磁场。4.根据权利要求3所述的基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置，其特征在于，所述PID控制器接收解调后的所述第一光信号和所述第二光信号作为输入信号，并且通过比较所述交流调制信号与零点的差控制所述补偿磁场，以使所述补偿磁场和所述被测生物的生物磁信号的数值相等。5.根据权利要求1所述的基于光泵原子磁梯度计的生物磁信号探测装置，其特征在于，还包括：温度控制模块，包括加热片和温度检...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭弘，彭翔，吴腾，肖伟，张相志，吴玉龙，冯雨龙，孙晨曦，刘梦，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：