一种便携式脑磁检测装置的制造方法
【专利摘要】一种便携式脑磁检测装置，包括脑磁测量头盔(100)、光学原子磁强计(101a～101h)、驱动系统(103)、信号检测系统(104)和信号存储系统(105)。光学原子磁强计(101a～101h)的输入端与驱动系统(103)的输出端连接，输出端与信号检测系统(104)的输入端连接，信号检测系统(104)的第一输出端与信号存储系统(105)连接，信号检测系统(104)的第二输出端与驱动系统(103)的输入端连接。光学原子磁强计(101a～101h)镶嵌在脑磁测量头盔(100)上，采集脑磁信号。驱动系统(103)维持光学原子磁强计正常工作状态。信号检测系统(104)用于识别光学原子磁强计的输出信号，信号存储系统(105)完成对信号的存储。
【专利说明】
一种便携式脑磁检测装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种脑磁检测装置，特别涉及一种基于光学原子磁强计的便携式脑磁检测装置。
【背景技术】
[0002]人体大脑内的神经元电活动可产生磁场，脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)是一种能够在头皮表面无创检测这种磁场的技术。脑磁信号穿过头皮、颅骨等解剖结构时不会发生畸变，因此图像清晰易辨，对脑部疾病诊断具有更高的准确性。由于脑神经元产生的磁场极其微弱，仅有几百fT(10—15T)，最大的神经磁信号如癫痫棘波只有几pT(10—12τ)，因此必须具有可靠的磁场屏蔽系统及灵敏的脑磁场测量装置。现有的脑磁图以超导量子干涉仪(super-conducting quantum interference device，SQUID)为核心器件，超导量子干涉仪工作在低温超导状态，需要使用液氦进行冷却，理论上超导量子干涉仪的灵敏度可达lfT/Hz1/2，商用脑磁图仪的灵敏度可达2?3fT/Hz1/2。同时，测量脑磁时还需要磁屏蔽室，用来滤除地磁场、工频磁场等的干扰，屏蔽室一般由坡莫合金建造而成。但是低温超导系统和高性能的磁屏蔽室造成了现有基于SQUID的脑磁信号检测装置结构复杂、制造和维护费用极高，严重限制了脑磁图的临床应用。
[0003]光学原子磁强计同样是一种灵敏度极高的磁传感器，近年来随着半导体激光器和原子物理的发展，光学原子磁强计的灵敏度已经超过超导量子干涉仪。与超导量子干涉仪相比较，光学原子磁强计不需要低温维持装置，因而引起了各方面的广泛关注。但目前尚未见到基于光学原子磁强计的脑磁信号检测装置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于光学原子磁强计的便携式脑磁信号检测装置。
[0005]本发明便携式脑磁检测装置通过光学原子磁强计对脑磁信号进行测量，不需要屏蔽室。光学原子磁强计是一种基于光抽运效应的高灵敏度磁场测量装置。原子在光抽运的作用下发生定向排列，外加磁场的变化影响原子的排列状态，通过检测透射光即可反推出外加磁场。
[0006]本发明便携式脑磁检测装置包括脑磁测量头盔、光学原子磁强计阵列、驱动系统、信号检测系统和信号存储系统。光学原子磁强计阵列镶嵌在脑磁测量头盔上，光学原子磁强计阵列的输入端与驱动系统的输出端连接，光学原子磁强计阵列的输出端与信号检测系统的输入端连接，信号检测系统的第一输出端与信号存储系统连接，信号检测系统的第二输出端与驱动系统的输入端连接。脑磁测量头盔用于本检测装置与被试者的连接。光学原子磁强计作为传感器对脑磁信号进行采集。驱动系统的作用在于维持光学原子磁强计正常工作状态。信号检测系统用于识别光学原子磁强计的输出信号，信号存储系统完成对信号的存储。
[0007]所述的驱动系统包括激光光源阵列、加热器恒流源阵列和调制场恒流源阵列。激光光源阵列与光学原子磁强计阵列的第一输入端连接，加热器恒流源阵列的输出端与光学原子磁强计阵列的第二输入端连接，调制场恒流源阵列与光学原子磁强计阵列的第三输入端连接。激光光源阵列为光学原子磁强计阵列提供入射激光，加热器恒流源阵列为光学原子磁强计阵列提供加热电流，调制场恒流源阵列为光学原子磁强计阵列提供产生调制磁场的电流。
[0008]所述的信号检测系统包括光电探测器阵列、温度控制电路阵列和相敏检波电路阵列。光电探测器阵列的输入端与光学原子磁强计阵列的第一输出端连接，温度控制电路阵列的输入端与光学原子磁强计阵列的第二输出端连接，光电探测器阵列的输出端与相敏检波电路阵列的输入端连接，温度控制电路阵列的输出端与驱动系统中加热器恒流源阵列的输入端连接。光电探测器阵列用来检测光学原子磁强计阵列输出的出射光，出射光中携带有待测脑磁信号。温度控制电路阵列可以检测到光学原子磁强计阵列的温度，并根据设定温度调整驱动系统中加热器恒流源阵列的工作状态，如果光学原子磁强计阵列的温度低于设定温度则加热器恒流源阵列开始工作，输出加热电流，否则加热器恒流源阵列不工作。相敏检波电路阵列用于滤波，可以将光电探测器阵列输出信号中混杂的噪声滤除。
[0009]所述的信号存储系统包括差分器阵列和信号存储器。差分器阵列的输入端与信号检测系统中相敏检波电路阵列的输出端连接，差分器阵列的输出端与信号存储器连接。差分器阵列的功能是计算不同光学原子磁强计测量到的信号之间的差值。信号存储器用于信号的存储。
[0010]光学原子磁强计阵列由多个相同的芯片级光学原子磁强计构成，多个芯片级光学原子磁强计均布在脑磁测量头盔上。激光光源阵列由多个结构相同的激光光源组成。加热器恒流源阵列由多个结构相同的加热器恒流源组成。调制场恒流源阵列由多个结构相同的调制场恒流源组成。光电探测器阵列由多个结构相同的光电探测器组成。温度控制电路阵列由多个结构相同的温度控制电路组成。相敏检波电路阵列由多个相敏检波电路组成。激光光源、加热器恒流源、调制场恒流源、光电探测器、温度控制电路和相敏检波电路的数量与光学原子磁强计的数量相等，并与光学原子磁强计一一对应。调制场恒流源阵列中每个调制场恒流源采用不同的电流频率，并与加热器恒流源阵列的频率不同，以便滤波处理时可以滤除相邻信号采集通道之间由调制磁场或加热器引起的电磁干扰。
[0011]I个芯片级光学原子磁强计、激光光源阵列中的I个激光光源、加热器恒流源阵列中的I个加热器恒流源、调制场恒流源阵列中的I个调制场恒流源、光电探测器阵列中的I个光电探测器、温度控制电路阵列中的I个温度控制电路、相敏检波电路阵列中的I个相敏检波电路构成光学原子磁强计的外围部件。I个芯片级光学原子磁强计及其外围部件构成I个脑磁信号采集通道，本发明便携式脑磁信号检测装置有多个信号采集通道，可以有2?257个，其中I个是参考通道，其余为测量通道。
[0012]由于光学原子磁强计测量到的信号中包含了地磁场、工频磁场等诸多干扰因素，采用差分信号可以将两个脑磁信号采集通道所采集信号的噪声部分抵消，得到的是两个通道之间信号的差值。实际应用时，参考通道中的光学原子磁强计的位置在脑磁检测头盔的边缘，如左耳旁边。这时可以认为参考通道中的光学原子磁强计采集到的信号不含有脑磁信号，只有噪声信息。测量通道中的光学原子磁强计采集到的信号同时具有脑磁信息和噪声信息。这样测量通道中的光学原子磁强计测得的信号均与参考通道中光学原子磁强计测得的信号相减，从而滤除噪声，将有用信号保留。差分后的信号输入信号存储器，以备脑磁信号后处理，以及各种分析。
[0013]本发明所述装置的信号差分功能由信号存储系统中的差分器阵列完成，差分器阵列由多个结构相同的差分器组成，差分器的数量与测量通道的数量相等，与测量通道一一对应。每个差分器由两个输入端，第一输入端与所在测量通道中的相敏检波电路的输出端连接，第二输入端与参考通道的相敏检波电路输出端连接。输出端与信号存储器连接。如果一个测量通道的相敏检波电路输出的信号为Vm，测量通道的相敏检波电路输出的信号为Vr ef，那么这个测量通道所对应的差分器输出SVm-Vref。
[0014]I个脑磁信号采集通道包括芯片级光学原子磁强计和外围部件两大部分。芯片级光学原子磁强计是脑磁信号检测装置的核心部件。一个芯片级光学原子磁强计体积不超过2立方厘米，包括有铷蒸气室、加热器、温度传感器、调制线圈、入射光纤、入射棱镜、出射棱镜、透镜、出射光纤和外壳。铷蒸气室、加热器、温度传感器、调制线圈、入射棱镜、出射棱镜和透镜封装在外壳内部。I个芯片级光学原子磁强计有五个端口，第一输入端口、第二输入端口、第三输入端口、第一输出端口和第二输出端口，这些端口位于外壳外部。入射光纤的输入端与第一输入端口连接，入射光纤穿过外壳，入射光纤的输出端与入射棱镜的入射面连接，出射光纤的输出端与第一输出口端连接，出射光纤穿过外壳，出射光纤的输入端与透镜的出射面连接，透镜的入射面与出射棱镜的出射面连接，加热器与第二输入端口连接，调制线圈与第三输入端口连接，温度传感器和第二输出端口连接。
[0015]外围部件包括激光光源、加热器恒流源、调制场恒流源、温度控制电路、光电探测器、相敏检波电路，以及信号存储器。激光光源与光学原子磁强计的第一输入端口连接，加热器恒流源的输出端与光学原子磁强计的第二输入端口连接，调制场恒流源与光学原子磁强计的第三输入端口连接，光电探测器的输入端与光学原子磁强计的第一输出端口连接，温度控制电路的输入端与光学原子磁强计的第二输出端口连接，加热器恒流源的输入端与温度控制电路的输出端连接。光电探测器的输出端与相敏检波电路的输入端连接，相敏检波电路的输出端与信号存储器连接。
[0016]—个信号采集通道从功能上可分为温度控制系统、光学系统和外加调制磁场系统，它们分别以热、光、磁的形式作用于光学原子磁强计的核心部件一一铷蒸气室。本发明采用的铷蒸气室为圆柱形，侧面为透光面。铷蒸气室内除了天然铷，还充入了缓冲气体以维持铷原子的极化状态，充入的缓冲气体为氖气，压力约为133Pa。
[0017]光学原子磁强计的光学系统包括入射光纤、入射棱镜、出射棱镜、透镜和出射光纤。其中入射棱镜和出射棱镜固定在加热器的外表面，加热器在与入射棱镜、出射棱镜交界面处开孔，以便激光可从孔内穿过并照射铷蒸气室。透镜安装在出射棱镜和出射光纤之间，可以将出射光汇聚起来再进入出射光纤。激光光源发出波长为795nm的左旋或右旋圆偏振光，激光进入光纤，然后到达入射棱镜，经过棱镜分光后由加热器上的开孔照射铷蒸气室，激光通过铷蒸气室后的透射光再由出射棱镜分光，出射棱镜的出射光由透镜收集、聚焦后进入出射光纤，最后由光电探测器检测最终的出射光。铷蒸气室内的铷原子在激光照射下吸收光子，发生能级跃迀，被“抽运”到高能级状态，光抽运使原子集中分布于某个能级较高的子能级之上。由于激光的能量发生变化，铷蒸气室的透射光中包含了铷原子状态的信息。
[0018]为了增强光抽运的效果，必须通过加热来提高气态铷原子的个数。铷的光抽运信号对温度变化十分敏感，测量过程中必须保持铷蒸气室的温度恒定。本发明中，加热器、温度传感器、加热器恒流源和温度控制电路构成了铷蒸气室的闭环温度控制系统，能够将铷蒸气室的温度控制在45?55°C之间。在这个铷蒸气室的闭环温度控制系统中，铷蒸气室被加热器包裹，热器外观为立方体，内部有用于加热的电阻丝，其余部分由导热材料制成。同时铷蒸气室表面安装了温度传感器，可实时测量铷蒸气室温度。铷蒸气室的闭环温度控制系统工作时，加热器恒流源产生的电流通过加热器对铷蒸气室进行加热，并使其稳定在工作温度，45?55°C，同时温度传感器开始工作，将测量到的铷蒸气室温度信息实时传送至温度控制电路，温度控制电路根据铷蒸气室的温度调整加热器恒流源的输出电流，如果铷蒸气室的温度低于47°C，则加热器恒流源的输出电流，对铷蒸气室进行加热直至温度传感器检测到铷蒸气室温度升高至53°C，然后关闭加热器恒流源。
[0019]光学原子磁强计的外加调制磁场系统包括调制线圈和调制场恒流源。调制线圈为一对或三对同轴圆形线圈，安装在加热器外表面，可产生一个或三个方向的调制磁场。调制线圈由调制场恒流源驱动，调制场恒流源可以产生频率为几百赫兹到几百兆赫兹的电流， 电流流过调制线圈，产生调制磁场，每对调制线圈通过的电流不同，以便滤除不同调制磁场之间的相互干扰。调制磁场与光抽运共同作用于铷原子，原子发生定向排列。
[0020]光学原子磁强计工作时，闭环温度控制系统、光学系统和外加调制磁场系统共同作用于铷蒸气室，原子发生定向排列，同时铷原子对光子的吸收将导致铷蒸气室出射光的改变，光电探测器输出的将是稳定的正弦波，频率与调制磁场频率相同。调制场恒流源与加热器恒流源频率不同。如果脑磁信号也作用于铷蒸气室，铷蒸气室的出射光将同时携带调制磁场和脑磁信号的信息，光电探测器输出的将是调制后的正弦波，相敏检波电路可将电信号中携带的调制磁场等无用信息滤除。由于调制场恒流源与加热器恒流源频率不同，相敏检波电路也可以将加热器产生的磁场滤除，然后由信号存储器进行存储，以备软件部分处理。[0021 ]本发明便携式脑磁检测装置工作过程如下:
[0022]第一步，光学原子磁强计阵列的预热。驱动系统开始工作，加热器恒流源阵列输出电流对光学原子磁强计加热，同时温度控制电路通过光学原子磁强计阵列内部的温度传感器检测温度，所有光学原子磁强计达到工作温度后停止加热。[〇〇23]第二步，装置自检。激光光源阵列发出入射激光，调制场恒流源阵列发出电流，光学原子磁强计进入工作状态，光电探测器阵列检测光学原子磁强计阵列的出射激光，相敏检波电路阵列对光电探测器阵列的输出信号进行滤波，差分器阵列将每个测量通道对应的相敏检波电路输出与参考通道对应的相敏检波电路输出相减，得到差分信号并存入信号存储器。如果检测信号存储器中存储单元中的信号均为零，表明装置工作正常，如果不正常则需要对装置进行校对。[〇〇24]第三步，被试者戴好脑磁检测头盔，准备测试。
[0025]第四步，正式检测。光学原子磁强计采集到被试者脑磁信号，并存储到信号存储器。
[0026]第五步，结束检测。被试者摘掉脑磁检测头盔。
[0027]本发明所述装置与现有技术相比，具有以下优势:
[0028]第一，本发明所述装置采用光学原子磁强计为传感器测量脑磁信号，相比于传统的以超导量子干涉仪为传感器的脑磁检测系统，其结构简单，不需要低温超导系统，在不降低测量精度的前提下，降低了成本。
[0029]第二，本发明所述装置采用了差分结构，以测量通道所采集的信号减去参考通道所采集的信号作为实际的脑磁信号输出，相比于传统的构建屏蔽室的被动屏蔽的方法，或者外加屏蔽线圈的主动屏蔽法，这种去噪方法成本低、体积小，适用于便携式装置。
[0030]第三，本发明采用了闭环温度控制的方法对铷蒸气室进行温控，使其温度能够稳定在45?55°C之间，提高了光学原子磁强计关键部件的稳定性，从而提高整个装置的测量精度。
[0031]第四，综合以上三个优势，本发明所述装置体积小、重量轻，是一种便携式脑磁测量装置，相比于传统的脑磁测量装置，无需屏蔽室、低温超导系统，是未来的发展趋势。【附图说明】
[0032]图1本发明便携式脑磁检测装置实施例结构框图；
[0033]图2为本发明一个脑磁信号测量通道的结构图；[〇〇34]图3为本发明信号存储系统的原理图。【具体实施方式】[〇〇35]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0036]如图1所示，本发明便携式脑磁检测装置的实施例包括脑磁测量头盔100、光学原子磁强计阵列、驱动系统103、信号检测系统104和信号存储系统105。光学原子磁强计阵列镶嵌在脑磁测量头盔100上，光学原子磁强计阵列由8个光学原子磁强计101a?101h构成， 均布在脑磁测量头盔100上。光学原子磁强计阵列的输入端与驱动系统103的输出端连接， 光学原子磁强计的输出端与信号检测系统104的输入端连接，信号检测系统104的第一输出端与信号存储系统105连接，信号检测系统104的第二输出端与驱动系统103的输入端连接。
[0037]所述的驱动系统103包括激光光源阵列106、加热器恒流源阵列107和调制场恒流源阵列108。激光光源阵列106与光学原子磁强计阵列的第一输入端102a连接，加热器恒流源阵列107的输出端与光学原子磁强计阵列的第二输入端102b连接，调制场恒流源阵列108 与光学原子磁强计阵列的第三输入端l〇2c连接。激光光源阵列106为光学原子磁强计阵列提供入射激光，加热器恒流源阵列107为光学原子磁强计阵列的加热提供加热电流，调制场恒流源阵列108为光学原子磁强计阵列提供产生调制磁场的电流。
[0038]所述的信号检测系统104包括光电探测器阵列109、温度控制电路阵列110和相敏检波电路阵列111。光电探测器阵列109的输入端与光学原子磁强计阵列的第一输出端102d 连接，温度控制电路阵列110的输入端与光学原子磁强计阵列的第二输出端l〇2e连接，光电探测器阵列109的输出端与相敏检波电路阵列111的输入端连接，温度控制电路阵列110的输出端与驱动系统103中加热器恒流源阵列107的输入端连接。光电探测器阵列109用来检测光学原子磁强计阵列输出的出射光，出射光中携带有脑磁信号。温度控制电路阵列110可以检测到光学原子磁强计阵列的温度，并根据设定温度调整驱动系统103中加热器恒流源阵列107的工作状态，如果光学原子磁强计阵列的温度低于设定温度则加热器恒流源阵列107开始工作，输出加热电流，否则加热器恒流源阵列107不工作。相敏检波电路阵列110用于滤波，可以将光电探测器阵列109输出信号中混杂的噪声滤除。
[0039]所述的信号存储系统105包括差分器阵列112和信号存储器113。信号存储器113用于信号的存储。差分器阵列112的输入端与信号检测系统106中相敏检波电路阵列111的输出端连接，差分器阵列112的输出端与信号存储器113连接。差分器阵列112的功能在于计算不同光学原子磁强计所采集信号之间的差值。
[0040]激光光源阵列106由8个结构相同的激光光源组成。加热器恒流源阵列107由8个结构相同的加热器恒流源组成。调制场恒流源阵列108由8个结构相同的调制场恒流源组成。 光电探测器阵列109由8个结构相同的光电组探测器成。温度控制电路阵列110由8个结构相同的温度控制电路组成。相敏检波电路阵列111由8个相敏检波电路组成。激光光源、加热器恒流源、调制场恒流源、光电探测器、温度控制电路和相敏检波电路的数量与光学原子磁强计的数量相等，并光学原子磁强计一一对应。调制场恒流源阵列108中每个调制场恒流源采用不同的电流频率，与加热器恒流源阵列107的频率不同，以便滤波时能够滤除相邻信号采集通道之间由调制磁场或加热器引起的电磁干扰。
[0041]激光光源阵列106中的1个激光光源、加热器恒流源阵列107中的1个加热器恒流源、调制场恒流源阵列108中的1个调制场恒流源、光电探测器阵列109中的1个光电探测器、 温度控制电路阵列110中的1个温度控制电路和相敏检波电路阵列111中的1个相敏检波电路构成光学原子磁强计的外围部件，1个芯片级光学原子磁强计及其外围部件构成一个脑磁信号采集通道。本实施例有8个脑磁信号采集通道，其中1个是参考通道，其余7个为测量通道。[〇〇42] 本实施例的工作过程如下:
[0043]第一步，光学原子磁强计的预热。光学原子磁强计驱动系统103开始工作，加热器恒流源阵列107输出电流对光学原子磁强计加热，同时温度控制电路110通道光学原子磁强计内部的温度传感器检测温度，光学原子磁强计l〇la?101h均达到工作温度后停止加热。
[0044]第二步，装置自检。激光光源阵列106发出入射激光，调制场恒流源阵列108发出电流，光学原子磁强计l〇la?101h进入工作状态。光电探测器阵列109检测光学原子磁强计阵列的出射激光，相敏检波电路阵列111对光电探测器阵列109的输出信号进行滤波，差分器阵列112将每个测量通道对应的相敏检波电路的输出与参考通道对应的相敏检波电路输出相减，得到差分信号并存入信号存储器113。如果检测信号存储器113中存储单元中的信号均为零，表明装置工作正常，如果不正常则需要对装置进行校对。
[0045]第三步，被试者戴好脑磁检测头盔100，准备测试。[〇〇46]第四步，正式检测。光学原子磁强计101a?101h采集到被试者脑磁信号，并存储到信号存储器113。
[0047]第五步，结束检测，被试者摘掉脑磁检测头盔100。
[0048]图2所示为本发明1个脑磁信号采集通道的结构图。如图2所示，1个脑磁信号采集通道包括芯片级光学原子磁强计和外围部件两大部分。芯片级光学原子磁强计包括铷蒸气室200、加热器201、温度传感器202、调制线圈203、入射光纤204、入射棱镜205、出射棱镜 206、透镜207、出射光纤208和外壳209。铷蒸气室200、加热器201、温度传感器202、调制线圈 203、入射棱镜205、出射棱镜206和透镜207封装在外壳209内部。芯片级光学原子磁强计有五个端口:第一输入端口 211、第二输入端口 212、第三输入端口 213、第一输出端口 214,以及第二输出端口 215,这些端口位于外壳209外部，通过延长线210与外壳209内部的部件连接。 入射光纤204的输入端与第一输入端口 211连接，入射光纤204穿过外壳209，入射光纤204的输出端与入射棱镜205的入射面连接，出射光纤208的输出端连接第一输出端214口，出射光纤208穿过外壳209，出射光纤208的输入端与透镜207的出射面连接，透镜207的入射面与出射棱镜206的出射面连接，加热器201与第二输入端口 212连接，调制线圈203与第三输入端口 213连接，温度传感器202连接第二输出端口 215。一个芯片级光学原子磁强计的体积小于 2立方厘米，延长线210的长度在30厘米到2米之间。外围部件包括激光光源216、加热器恒流源219、调制场恒流源218、温度控制电路217、光电探测器220、相敏检波电路221，以及信号存储器222。激光光源216与第一输入端口 211连接，加热器恒流源219的输出端与第二输入端口 212连接，调制场恒流源218与第三输入端口 213连接，光电探测器220的输入端连接在第一输出端口 214，温度控制电路217的输入端与第二输出端口 215连接。加热器恒流源219 的输入端与温度控制电路217的输出端连接。光电探测器220的输出端与相敏检波电路221 的输入端连接，相敏检波电路221的输出端与信号存储器222的输入端连接。
[0049]铷蒸气室200是光学原子磁强计的核心部件，本发明采用的用的铷蒸气室为圆柱形，侧面为透光面。铷蒸气室内除了天然铷，还充入了缓冲气体以维持铷原子的极化状态， 充入的缓冲气体为氖气，压力约为133Pa。为了增强光抽运的效果，必须通过加热来提高气态铷原子的个数。铷的光抽运信号对温度变化十分敏感，测量过程中必须保持铷蒸气室的温度恒定。铷蒸气室200被加热器201包裹，加热器201外观为立方体，内部有用于加热的电阻丝，其余部分由导热材料制成。同时铷蒸气室200表面安装了温度传感器202,可实时测量铷蒸气室温度。调制线圈203为一对或三对同轴圆形线圈，安装在加热器外表面，可产生一个或三个方向的调制磁场。入射光纤204、入射棱镜205和出射棱镜206、透镜207、出射光纤 208构成了光学原子磁强计的光路，其中入射棱镜205和出射棱镜206固定在加热器201的外表面，加热器201在与入射棱镜205、出射棱镜206的交界面处开孔，以便激光可从孔内穿过并照射铷蒸气室200。透镜207安装在出射棱镜206和出射光纤208之间，可以将出射光汇聚起来再进入出射光纤208。
[0050]以下说明光学原子磁强计的工作原理。
[0051]第一步，加热器恒流源219产生的电流通过加热器201对铷蒸气室进行加热，并使其稳定在工作温度，45?55°C，同时温度传感器202开始工作，将测量到的铷蒸气室200温度信息实时传送至温度控制电路217,温度控制电路217根据铷蒸气室200的温度调整加热器恒流源219的输出电流，如果铷蒸气室200的温度低于47°C，则增加加热器恒流源219的输出电流，对铷蒸气室200进行加热直至温度升高至53°C，然后关闭加热器恒流源219。[〇〇52]第二步，激光光源216发出波长为795nm的左旋或右旋圆偏振光，激光进入入射光纤204，然后到达入射棱镜205，经过入射棱镜205分光后由加热器上的开孔照射铷蒸气室 200,激光通过铷蒸气室200后再由出射棱镜206分光，出射棱镜206的出射光由透镜207收集、聚焦后进入出射光纤208,最后由光电探测器220检测最终的出射光。铷蒸气室200内的铷原子在激光照射下发生能级跃迀，被“抽运”到高能级状态，光抽运使原子集中分布于某个能级较高的子能级之上。
[0053]第三步，调制场恒流源219产生频率为几百赫兹到几百兆赫兹的电流，电流流过调制线圈203,产生调制磁场，调制磁场与光抽运共同作用，原子发生定向排列。[〇〇54]第四步，测量时，脑磁信号对铷蒸气室200内的原子产生作用，影响其对光子的吸收，从而改变铷蒸气室200的透射光，从透射光的改变可以反推脑磁信号。
[0055]第五步，光电探测器220检测到携带脑磁信号的出射光，将其转化为电信号，并传送至相敏检波电路221，相敏检波电路221将电信号中携带调制磁场等无用信息滤除，之后的有用传送至信号存储器222进行存储。[〇〇56]图3所示为本发明信号存储系统原理图。[〇〇57]结合图1、图2、图3说明信号存储系统原理。信号存储系统包括7个差分器301a? 30 lg和1个信号存储器300。每个差分器有两个输入端，第一输入端与差分器所在测量通道的相敏检波电路的输出端连接，第二输入端与参考通道的相敏检波电路输出端连接。7个差分器的输出均连接到信号存储300。例如图1中光学原子磁强计101h所在脑磁信号采集通道为参考通道，光学原子磁强计101a?101g所在信号采集通道为测量通道，光学原子磁强计 101 a?101 h测量到的信号通过相敏检波电路阵列113中的8个相同的相敏检波电路输出，每个相敏检波电路都具有图2中光电探测器221的结构与功能。那么7个差分器的第一输入端对应于光学原子磁强计l〇la?101g检测到的信号，7个差分器的第二输入端对应于光学原子磁强计l〇lh检测到的信号。7个差分器的输出端为光学原子磁强计101a?101g检测到的信号与光学原子磁强计l〇lh检测到的信号的差值。
[0058]差分器的功能在于计算两个通道信号的差值。由于光学原子磁强计测量到的信号中包含了地磁场、工频磁场等诸多干扰因素，采用差分信号可以将两个光学原子磁强计中相同的噪声部分相减，得到的是两个通道之间信号的差值。实际应用时，可以将8个脑磁信号采集通道中的一个，如图1中光学原子磁强计l〇lh所在脑磁信号采集通道设为参考通道， 它的位置在脑磁测量头盔1〇〇的边缘，如左耳旁边。这时可以认为光学原子磁强计l〇lh采集到的信号不含有脑磁信号，只有噪声信息。其余光学原子磁强计采集到的信号同时具有脑磁信息和噪声信息。这样光学原子磁强计l〇la?101g测得的信号均与101h测得的信号相减，从而滤除噪声。
【主权项】
1.一种便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的便携式脑磁检测装置包括脑磁测量头盔(100)、光学原子磁强计阵列、驱动系统(103)、信号检测系统(104)和信号存储系统(105);光学原子磁强计阵列均匀镶嵌在脑磁测量头盔(100)上;光学原子磁强计阵列的输入端与驱动系统(103)的输出端连接，光学原子磁强计阵列的输出端与信号检测系统(104)的输入端连接，信号检测系统(104)的第一输出端与信号存储系统(105)连接，信号检测系统(104)的第二输出端与驱动系统(103)的输入端连接;光学原子磁强计阵列作为传感器采集脑磁信号;驱动系统(103)的作用在于维持光学原子磁强计正常工作状态;信号检测系统(104)用于识别光学原子磁强计的输出信号，信号存储系统(105)完成对信号的存储。2.按照权利要求1所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的驱动系统(103)包括激光光源阵列(106)、加热器恒流源阵列(107)和调制场恒流源阵列(108);激光光源阵列(106)与光学原子磁强计阵列的第一输入端(102a)连接，加热器恒流源阵列(107)的输出端与光学原子磁强计阵列的第二输入端(102b)连接，调制场恒流源阵列(108)与光学原子磁强计阵列的第三输入端(102c)连接;激光光源阵列(106)为光学原子磁强计阵列提供入射激光，加热器恒流源阵列(107)为光学原子磁强计阵列的加热提供加热电流，调制场恒流源阵列(108)为光学原子磁强计阵列提供产生调制磁场的电流。3.按照权利要求1所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的信号检测系统(104)包括光电探测器阵列(109)、温度控制电路阵列(110)和相敏检波电路阵列(111);光电探测器阵列(109)的输入端与光学原子磁强计阵列的第一输出端(102d)连接，温度控制电路阵列(110)的输入端与光学原子磁强计阵列的第二输出端(102e)连接，光电探测器阵列(109)的输出端与相敏检波电路阵列(111)的输入端连接，温度控制电路阵列(110)的输出端与驱动系统(103)中加热器恒流源阵列(107)的输入端连接;光电探测器阵列(109)用来检测光学原子磁强计阵列输出的出射光，出射光中携带有脑磁信号;温度控制电路阵列(110)检测光学原子磁强计阵列的温度，并根据设定的温度调整驱动系统(103)中加热器恒流源阵列(107)的工作状态，如果光学原子磁强计阵列的温度低于设定温度，加热器恒流源阵列(107)开始工作，输出加热电流，否则加热器恒流源阵列(107)不工作；相敏检波电路阵列(110)用于滤波，将光电探测器阵列(109)输出信号中混杂的噪声滤除。4.按照权利要求1所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的信号存储系统(105)包括差分器阵列(112)和信号存储器(113);差分器阵列(112)的输入端与信号检测系统(106)中相敏检波电路阵列(111)的输出端连接，差分器阵列(112)的输出端与信号存储器(113)连接;差分器阵列(112)计算不同光学原子磁强计测量到的信号之间的的差值，信号存储器(113)用于信号存储。5.按照权利要求1所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的光学原子磁强计阵列由多个相同的芯片级光学原子磁强计构成;激光光源阵列(106)由多个结构相同的激光光源组成;所述的加热器恒流源阵列(107)由多个结构相同的加热器恒流源组成;调制场恒流源阵列(108)由多个结构相同的调制场恒流源组成;光电探测器阵列(109)由多个结构相同的光电探测器组成;温度控制电路阵列(110)由多个结构相同的温度控制电路组成;相敏检波电路阵列(111)由多个结构相同的相敏检波电路组成;激光光源、加热器恒流源、调制场恒流源、光电探测器、温度控制电路和相敏检波电路的数量与光学原子磁强计的数量相等，并与光学原子磁强计一一对应；I个激光光源、I个加热器恒流源、I个调制场恒流源、I个光电探测器、I个温度控制电路、I个相敏检波电路构成光学原子磁强计的外围部件，I个芯片级光学原子磁强计及其外围部件构成一个脑磁信号采集通道。6.按照权利要求4或5所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的差分器阵列(112)由多个结构相同的差分器组成，每个差分器有两个输入端，第一输入端与所在脑磁信号米集通道的测量通道中的相敏检波电路的输出端连接，第二输入端与所在脑磁信号采集通道的参考通道的相敏检波电路输出端连接;差分器的输出端与所在脑磁信号采集通道的信号存储器连接。7.按照权利要求1所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:一个所述的脑磁信号采集通道包括一个芯片级光学原子磁强计和外围部件两大部分;一个芯片级光学原子磁强计包括铷蒸气室(200)、加热器(201)、温度传感器(202)、调制线圈(203)、入射光纤(204)、入射棱镜(205)、出射棱镜(206)、透镜(207)、出射光纤(208)、外壳(209)和延长线(210)，铷蒸气室(200)、加热器(201)、温度传感器(202)、调制线圈(203)、入射棱镜(205)、出射棱镜(206)和透镜(207)封装在外壳(209)内部，一个芯片级光学原子磁强计有五个端口:第一输入端口(211)、第二输入端口(212)、第三输入端口(213)、第一输出端口(214)和第二输出端口(215)，这些端口位于外壳(209)外部，通过延长线(210)与外壳(209)内部的部件连接;入射光纤(204)的输入端与第一输入端口( 211)连接，入射光纤(204)穿过外壳(209)，入射光纤(204)的输出端与入射棱镜(205)的入射面连接，出射光纤(208)的输出端连接第一输出端口( 214)，出射光纤(208)穿过外壳(209)，出射光纤(208)的输入端与透镜(207)的出射面连接；透镜(207)的入射面与出射棱镜(206)的出射面连接，加热器(201)与第二输入端口(212)连接，调制线圈(203)与第三输入端口(213)连接，温度传感器(202)连接第二输出端口(215);所述的外围部件包括激光光源(216)、加热器恒流源(219)、调制场恒流源(218)、温度控制电路(217)、光电探测器(220)、相敏检波电路(221)和信号存储器(222);激光光源(216)与第一输入端口(211)连接，加热器恒流源(219)的输出端与第二输入端口( 212)连接，调制场恒流源(218)与第三输入端口(213)连接，光电探测器(220)的输入端与第一输出端口( 214)连接，温度控制电路(217)的输入端与第二输出端口( 215)连接;加热器恒流源(219)的输入端与温度控制电路(217)的输出端连接;光电探测器(220)的输出端与相敏检波电路(2 21)的输入端连接，相敏检波电路(2 21)的输出端与信号存储器(2 2 2)的输入端连接。8.按照权利要求7所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的铷蒸气室(200)为圆柱形，侧面为透光面;铷蒸气室(200)内除了天然铷，还充入了缓冲气体以维持铷原子的极化状态，充入的缓冲气体为氖气，压力为133Pa;所述的加热器(201)、温度传感器(202)、加热器恒流源(219)和温度控制电路(217)构成了铷蒸气室(200)的闭环温度控制系统;所述的铷蒸气室(200)被加热器(201)包裹，加热器(201)内部有用于加热的电阻丝，其余部分由导热材料制成;铷蒸气室(200)表面安装有温度传感器，实时测量铷蒸气室(200)的温度;所述的加热器(201)、温度传感器(202)、加热器恒流源(219)和温度控制电路(217)构成了铷蒸气室(200)的闭环温度控制系统;铷蒸气室(200)的闭环温度控制系统工作时，加热器恒流源(219)产生的电流通过加热器(201)对铷蒸气室(200)加热，并使其稳定在工作温度45?55°C，同时温度传感器(202)开始工作，将测量到的铷蒸气室(200)温度信息实时传送至温度控制电路(217)，温度控制电路(217)根据铷蒸气室(200)的温度调整加热器恒流源(219)的输出电流，如果铷蒸气室(200)的温度低于47°C，则增加加热器恒流源(219)的输出电流，对铷蒸气室(200)进行加热直至温度升高至53°C，然后关闭加热器恒流源(219);测量时，脑磁信号对所述的铷蒸气室(200)内的原子产生作用，影响其对光子的吸收，从而改变铷蒸气室(200)的透射光，从透射光的改变反推脑磁信号;光电探测器(220)检测到携带脑磁信号的出射光，将其转化为电信号，并传送至相敏检波电路(221)，相敏检波电路(221)将电信号中携带的调制场等无用信息滤除，将有用信息传送至信号存储器(222)存储。9.按照权利要求7所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的入射光纤(204)、入射棱镜(205)、出射棱镜(206)、透镜(207)、出射光纤(208)构成光学原子磁强计的光路;入射棱镜(205)和出射棱镜(206)固定在加热器(201)的外表面，加热器(201)在与入射棱镜(205)和出射棱镜棱(206)界面处开孔，激光从孔内穿过并照射铷蒸气室(200);透镜(207)安装在出射棱镜(206)和出射光纤(208)之间，将出射光汇聚起来再进入出射光纤(208);激光光源(216)发出波长为795nm的左旋或右旋圆偏振光，激光进入入射光纤(204)，然后到达入射棱镜(205)，经过入射棱镜(205)分光后由加热器(201)上的开孔照射铷蒸气室(200)，激光通过铷蒸气室(200)后的透射光再由出射棱镜(206)分光，出射棱镜(206)的出射光由透镜(207)收集、聚焦后进入出射光纤(208)，最后由光电探测器(220)检测最终的出射光；铷蒸气室(200)内的铷原子在激光照射下吸收光子，发生能级跃迀，被“抽运”到高能级状态，光抽运使原子集中分布于某个能级较高的子能级之上。由于激光的能量发生变化，铷蒸气室(200)的透射光中包含了铷原子状态的信息。10.按照权利要求7所述的便携式脑磁检测装置，其特征是:所述的调制线圈(203)为一对或三对同轴圆形线圈，安装在加热器(201)的外表面，调制线圈(203)产生一个或三个方向的调制磁场;所述的调制场恒流源(218)产生频率为几百赫兹到几百兆赫兹的电流，电流流过调制线圈(203)，产生调制磁场，调制场与光抽运共同作用，使铷原子定向排列。调制线圈由调制场恒流源驱动，调制场恒流源产生的电流流过调制线圈，产生调制磁场，调制磁场与光抽运共同作用于铷原子，使铷原子发生定向排列;每对调制线圈通过的电流不同，以便滤波处理时滤除不同调制磁场之间的相互干扰。
【文档编号】A61B5/04GK106073751SQ201610367559
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】张广浩, 霍小林, 向敬
【申请人】中国科学院电工研究所