局部磁场补偿装置、磁场补偿系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种局部磁场补偿装置、磁场补偿系统和方法。所述局部磁场补偿装置包括：至少一个磁探测器，配置为测量待测空间中的磁场；和补偿线圈阵列，围绕所述至少一个磁探测器布置，所述补偿线圈阵列包括多个补偿线圈；其中，所述补偿线圈阵列配置为接收驱动信号以在所述至少一个磁探测器所处位置产生补偿磁场。场。场。

【技术实现步骤摘要】
局部磁场补偿装置、磁场补偿系统和方法


[0001]本公开涉及一种局部磁场补偿装置，包括这种局部磁场补偿装置的磁场补偿系统以及用于局部磁场补偿的方法。

技术介绍

[0002]生物体内的电生理现象会产生微弱磁信号，比如心肌中的电信号、大脑皮层神经元的电信号、肝脏铁库内的电信号，以及神经系统、肺脏、肠胃等电信号都可以转换为磁信号。这些磁信号的强度非常低，约为10
‑
15
特斯拉至10
‑
12
特斯拉，即fT
‑
pT的量级。然而，这些信号周围的背景磁场信号都要强得多，地磁场约为50μT，还有城市中的车流和地铁等噪声信号。
[0003]生物磁信号的测量需要减小外界磁场噪声的干扰。一种通用的方法是安装多层导磁材料构建的磁屏蔽室。目前，屏蔽室常采用两层高磁导率的磁屏蔽材料来屏蔽外界低频的磁场干扰，一层铝板或镀铜铝板来屏蔽外界高频磁场干扰。但是，只使用被动屏蔽材料不能很好地消除屏蔽室内低频的剩余磁场和梯度场。而生物磁信号要求在低频率范围(0.01Hz
‑
10Hz)尽量提高屏蔽系数，排除磁噪声的干扰。基于光泵原子磁力计(optically pumped magnetometers，OPM)的生物磁探测装置可以在室温环境下工作，无需液氦冷却，体积小重量轻，并可实现低成本的大批量生产。但基于无自旋交换弛豫(spin
‑
exchange relaxation free，SERF)效应的光泵原子磁力计必须工作在零磁或接近零磁的环境(磁场强度范围
±
1.5nT)，这种苛刻的要求是光泵原子磁力计应用于生物磁测量需要解决的核心问题之一。为了给OPM提供理想的工作环境，在OPM探头的内部气室的周围使用补偿线圈，用以保证气室工作在零磁下。而这种补偿是在测量开始之前进行的，不能应对实验过程中产生的磁噪声。
[0004]因此，需要一种能够提供实时的动态磁场补偿的局部磁场补偿装置、磁场补偿系统和用于局部磁场补偿的磁场补偿方法，以维持磁场检测装置(例如OPM)所需的零磁环境。

技术实现思路

[0005]针对上文提到的问题和需求，本公开提出了一种新型的局部磁场补偿装置和方法，其由于采取了如下技术特征而解决了上述问题，并带来其他技术效果。
[0006]一方面，本公开提供一种局部磁场补偿装置，包括：至少一个磁探测器，配置为测量待测空间中的磁场；和补偿线圈阵列，围绕所述至少一个磁探测器布置，所述补偿线圈阵列包括多个补偿线圈。其中，所述补偿线圈阵列配置为接收驱动信号以在所述至少一个磁探测器所处位置产生补偿磁场。
[0007]在一些示例中，所述局部磁场补偿装置还包括磁探测器支架，相对于受试者的局部身体部位设置，所述磁探测器固定安装在所述磁探测器支架上。
[0008]在一些示例中，所述局部磁场补偿装置还包括外壳，包括多个安装部，所述补偿线圈阵列通过所述多个安装部设置在所述外壳内，其中，所述磁探测器支架容纳在所述外壳
内，并且所述补偿线圈阵列设置在所述磁探测器支架和所述外壳之间。
[0009]在一些示例中，所述多个安装部包括从所述外壳向内延伸的多个安装柱，所述补偿线圈阵列的多个补偿线圈绕制在所述安装柱上。
[0010]在一些示例中，所述外壳还包括出线结构，所述多个补偿线圈通过所述出线结构引出并且连接至驱动源。
[0011]在一些示例中，所述磁探测器支架相对于受试者的头部设置，并且所述磁探测器支架和所述外壳具有贴合头部的曲面形状。
[0012]在一些示例中，所述外壳为头盔，所述磁探测器支架固定安装在所述头盔内。
[0013]在一些示例中，所述外壳和/或所述磁探测器支架通过3D打印加工或塑料模制而成。
[0014]在一些示例中，所述驱动信号包括控制所述多个补偿线圈之间连接方式的连接信号和控制所述多个补偿线圈产生的补偿磁场大小的电流信号。
[0015]在一些示例中，所述多个补偿线圈均匀分布在平面或曲面上。
[0016]在一些示例中，所述多个补偿线圈具有圆形、多边形或其组合的形状。
[0017]在一些示例中，所述补偿磁场使得所述至少一个磁探测器所处位置的磁场强度和/或磁场梯度在阈值范围内。
[0018]另一方面，本公开提供一种磁场补偿系统，包括：如前所述的局部磁场补偿装置、处理系统和驱动装置，所述处理系统接收所述至少一个磁探测器检测到的磁场信号，所述驱动装置在所述处理系统的控制下向所述多个补偿线圈施加驱动信号。
[0019]在一些示例中，所述驱动装置为精度为μA量级的电流源。
[0020]在一些示例中，所述多个补偿线圈的每个单独连接到所述驱动装置。
[0021]在一些示例中，所述磁场补偿系统还包括信号采集装置，采集所述至少一个磁探测器检测到的磁场信号并发送至所述处理系统。
[0022]又一方面，本公开还提供一种用于局部磁场补偿的方法，包括：围绕至少一个磁探测器布置补偿线圈阵列，所述补偿线圈阵列包括多个补偿线圈；获得所述补偿线圈阵列的多个补偿线圈中的每一个的驱动信号与其在所述至少一个磁探测器所处位置产生的磁场强度的关系参数；通过所述至少一个磁探测器测量至少一个待测点的磁场大小；根据所测磁场大小及所述关系参数，计算所述多个补偿线圈中的每一个的驱动信号大小。
[0023]在一些示例中，获得所述补偿线圈阵列的多个补偿线圈中的每一个的驱动信号与其在所述至少一个磁探测器所处位置产生的磁场强度的关系参数包括：
[0024]向所述多个补偿线圈中的每一个线圈施加单位电流，测量其在每个待测点处产生的磁场影响得到下列关系矩阵A：
[0025][0026]其中，为第i个补偿线圈单独施加单位电流时在第j个磁探测器j位置产生的
磁场强度。
[0027]在一些示例中，根据所测磁场大小及所述关系矩阵A，求解下列广义逆矩阵，以计算所述多个补偿线圈中的每一个的驱动信号大小：
[0028][0029]其中，I
i
为驱动信号中控制所述多个补偿线圈产生的补偿磁场的电流信号电流的大小，为第N个磁探测器位置所测磁场大小。
[0030]在一些示例中，求解广义逆矩阵包括通过在系统中最小化整体能量，即最小化系数矩阵的平方和，同时电流I规范化到实际的电流范围，以求解广义逆矩阵。
[0031]在一些示例中，所述方法还包括根据所测磁场大小，判断是否需要进行磁场补偿。
[0032]在一些示例中，判断是否需要进行磁场补偿包括：将所测磁场大小与零磁场的差值与阈值进行比较，如果大于等于阈值，则需要进行磁场补偿，反之则不需要。
[0033]在一些示例中，将所测磁场大小与零磁场的差值与阈值进行比较包括：将所测磁场的X、Y、Z三个方向的分量的大小与零磁场的差值分别与阈值进行比较。
[0034]在一些示例中，如果判断需要进行磁场补偿，则向所述多个补偿线圈输出经计算所得的驱动信号。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种局部磁场补偿装置，包括：至少一个磁探测器，配置为测量待测空间中的磁场；和补偿线圈阵列，围绕所述至少一个磁探测器布置，所述补偿线圈阵列包括多个补偿线圈；其中，所述补偿线圈阵列配置为接收驱动信号以在所述至少一个磁探测器所处位置产生补偿磁场。2.如权利要求1所述的局部磁场补偿装置，还包括：磁探测器支架，相对于受试者的局部身体部位设置，所述磁探测器固定安装在所述磁探测器支架上。3.如权利要求2所述的局部磁场补偿装置，还包括：外壳，包括多个安装部，所述补偿线圈阵列通过所述多个安装部设置在所述外壳内，其中，所述磁探测器支架容纳在所述外壳内，并且所述补偿线圈阵列设置在所述磁探测器支架和所述外壳之间。4.如权利要求3所述的局部磁场补偿装置，其中，所述多个安装部包括从所述外壳向内延伸的多个安装柱，所述补偿线圈阵列的多个补偿线圈绕制在所述安装柱上。5.如权利要求4所述的局部磁场补偿装置，其中，所述外壳还包括出线结构，所述多个补偿线圈通过所述出线结构引出并且连接至驱动源。6.如权利要求3所述的局部磁场补偿装置，其中，所述磁探测器支架相对于受试者的头部设置，并且所述磁探测器支架和所述外壳具有贴合头部的曲面形状。7.如权利要求6所述的局部磁场补偿装置，其中，所述外壳为头盔，所述磁探测器支架固定安装在所述头盔内。8.如权利要求1所述的局部磁场补偿装置，其中，所述外壳和/或所述磁探测器支架通过3D打印加工或塑料模制而成。9.如权利要求1所述的局部磁场补偿装置，其中，所述驱动信号包括控制所述多个补偿线圈之间连接方式的连接信号和控制所述多个补偿线圈产生的补偿磁场大小的电流信号。10.如权利要求1至9中任一项所述的局部磁场补偿装置，其中，所述多个补偿线圈均匀分布在平面或曲面上。11.如权利要求10所述的局部磁场补偿装置，其中，所述多个补偿线圈具有圆形、多边形或其组合的形状。12.如权利要求1至9中任一项所述的局部磁场补偿装置，其中，所述补偿磁场使得所述至少一个磁探测器所处位置的磁场强度和/或磁场梯度在阈值范围内。13.一种磁场补偿系统，包括：如权利要求1至12中任一项所述的局部磁场补偿装置；处理系统，所述处理系统接收所述至少一个磁探测器检测到的磁场信号；和驱动装置，所述驱动装置在所述处理系统的控制下向所述多个补偿线圈施加驱动信号。14.如权利要求13所述的磁场补偿系统，其中，所述驱动装置为精度为μA量级的电流源。15.如权利要求13所述的磁场补偿系统，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵微，王会臣，王美青，胡辉华，
申请(专利权)人：中科知影北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：