专利名称：多通道squid生物磁系统标定方法
技术领域：
本发明涉及一种多通道SQUID生物磁系统的标定方法。
背景技术：
超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是 目前已知最灵敏的磁通传感器，典型低温超导SQUID的磁场灵敏度为3-5fT/sqrt(Hz)。作 为SQUID的一个重要应用领域，经临床研究证明，生物磁系统在疾病诊断、功能研究等方面 有独特的应用潜力[V. Pizzela et al, Supercond. Sci. Technol. 14(2001)R79-R114。SQUID实现了磁通到电压的转换，生物磁系统以电压的形式记录了人体生命活动 的磁信息。由于SQUID器件、探测线圈及配套的电子系统之间的差异性，系统各通道磁通到 电压的传输系数在一定程度上存在一定的偏差。为了对信号进行成像、定位等后处理，需要 对多通道系统进行标定。多通道系统的标定是为了得出磁场到电压的传输系数，根据测量 的电压信号反演实际的磁场信号，这里的磁场是把测量的磁通等效到接收线圈得到的。目前，系统标定主要基于低温系统，采用最多的是小线圈和大线圈法 [P. H. Ornelas et al，Supercond. Sci. Technol. 16 (2003) 427-431 。小线圈法只能对各通 道进行逐个标定，通过移动小线圈的位置寻找某一通道电压输出最大值来定位，在此基础 上计算梯度计处的磁通和记录输出电压，实现标定。小线圈标定法实现起来相对简单，但其 受空间影响大，需要精确定位和计算，且只能逐个进行标定，效率低。将小线圈的直径增大， 通常至梯度计线圈直径的两个数量级以上，以此类线圈标定称为大线圈法P. C. Ribeiro et al, IEEE Trans. Biomed. Eng. 35 (1988) 551-560。大线圈由于其尺寸大，垂直于轴向的 平面中心区域可近似为均勻磁场，由此可对多个通道同时进行标定。大线圈标定法受空间 影响相对较小，标定效率高，一致性好，但其尺寸大，不易安装和操作。以上标定方法各有优缺，探寻高效率、易操作的标定方法具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多通道SQUID生物磁系统的标定方法，本方法特征在 于它基于室温和低温两套系统，首先，通过室温标定确定梯度计的等效不平衡面积，基于低 温系统，采用Helmholtz线圈产生均勻的磁场，通过计算磁通和测量电压信号来实现标定。本发明所述的室温低温联合标定法的步骤是(1)梯度计等效误差面积室温标定选择生物磁系统所需的梯度计，以螺线管作为均勻磁场源，由于梯度计误差面积 的存在，会在均勻磁场中产生感应电动势，利用锁相放大器记录梯度计感应电动势，计算等 效误差面积。梯度计感应电动势可表示为ε = ω · μ 0ηΙ · Δ S其中ω为螺线管中通入电流频率，μ ^为真空中的磁导率，η为单位长度螺线管的 匝数，I为螺线管中的电流，Δ S为梯度计等效误差面积。
通入螺线管某一频率ω的电流，记录输入电流I及输出的电压信号ε，多组进行 线性拟合，计算等效误差面积AS。(2) SQUID生物磁系统安装SQUID系统包括无磁杜瓦，梯度计，SQUID传感器，读出电路，控制盒，适配器，数据 采集卡和计算机。梯度计和SQUID输入线圈组成超导传输线，通过输入线圈与SQUID之间 的互感把外接磁通传输到SQUID中，SQUID传感器及梯度线圈工作于液氦温度4. 2Κ。通过 控制盒和读出电路，实现SQUID参数的调节和磁通电压转换的线性输出。适配器，数据采集 卡和计算机组成了系统数据的采集和处理。(3)Helmholtz线圈低温标定利用Helmholtz线圈作为均勻磁场源，把系统杜瓦内的梯度计置于线圈中心部分 的均勻磁场区域。Helmholtz线圈中通入一定频率的电流信号，系统记录相应频率信号的电 压输出\ 其中σ为磁场电压传输系数，BH为Helmholtz均勻磁场，Δ S为梯度计等效误差 面积，S为接收线圈面积。由此可得磁场电压传输系数 在(1)和(2)中，梯度计线圈用石蜡进行封装，保证室温和低温条件下线圈的一致 性。SQUID系统安装过程中，对梯度计进行编号，对应相应SQUID的输出电压，统一进行标定。 本方法和现有技术相比，采用了室温梯度计标定技术，在此基础上进行低温标定。 Helmholtz标定线圈大小适中，对线圈定位要求不高，操作和计算简单，可以对整个系统进 行一次标定。综上所述，本发明公开了一种多通道SQUID生物磁系统标定方法，是一种室温 和低温相联合的标定方法。通过室温标定确定梯度计的等效误差面积，在低温下使用 Helmholtz线圈产生均勻的磁场，利用系统输出的对应电压信号和测量的误差面积，进行 系统磁场电压系数的标定。本发明包括以下步骤(1)梯度计等效误差面积室温标定；(2) SQUID生物磁系统安装；(3) Helmholtz线圈低温标定。本方法的特点是利用室温和低温等 效误差面积的一致性进行系统的标定，其优势是避免了单一低温线圈标定带来的空间定位 精度和计算问题，操作简单，多通道同时标定，一致性好。
图1是SQUID接收线圈示意图1为磁强计；2为一阶梯度计；3为二阶梯度计。图2是标定实验系统示意图4为信号发生器；5为恒压源驱动电路；6为螺线管； 7为梯度计；8为示波器；9为锁相放大器。图3是多通道SQUID生物磁系统示意图10为无磁杜瓦；11为SQUID ；12为读出 电路；13为控制盒；14为适配器；15为数据采集卡；16为计算机。图4是系统标定示意图17为Helmholtz线圈。
具体实施例方式1、利用螺线管6作为均勻磁场源，通入一定频率ω的电流I，示波器8检测螺线管 中流过的电流I，利用锁相放大器9测量梯度计7的感应电动势ε，对等效误差面积AS进 行标定。如图2所示，信号发生器4与恒压源驱动电路5相连接，恒压源驱动电路的输出端 又分别与螺线管6和示波器8相连接。梯度计7的位置置于螺线管6的轴向中心位置，以 保证梯度计7及螺线管6的轴向方向一致。信号发生器4输入一定频率ω的电压信号到 恒压源驱动电路5，驱动螺线管6产生相应频率的均勻磁场，用示波器8监控螺线管支路参 考电阻Rm的电压Vm。以信号发生器4输出信号为锁相放大器9的参考信号，采用锁相放大 器9检测梯度计7的感应电压信号\。测量过程中，在一定的频率下，改变信号发生器的 电压，测量一组监控电压Vm及锁相电压值\。使用梯度计如图1中一阶梯度计或二阶梯度 计。在标定测试系统中梯度计置于螺线管的轴向中心位置，使螺线管和梯度计的轴向方向 一致，信号发生器与恒压源驱动电路相连接，恒压源驱动电路又分别与螺线管连接和示波 器连接，输入一定频率ω的电压信号到恒压源驱动电路中，驱动螺线管产生相应的均勻磁 场；示波器监控螺线管支路参考电阻民的电压Vm ；以信号发生器输出信号为锁相放大器的 参考信号，采用锁相放大器检测梯度计的感应电压信号\ ；测量过程中，在一定的频率下， 改变信号发生器的电压，测量一组监控电压Vm及锁相电压值\。2、梯度计7接入SQUID11的输入线圈接口，置于低温杜瓦10中，工作于液氦温度 4. 2Κ。读出电路12连接SQUID11的输出，利用控制盒13来调节读出电路12的参数，使非 锁定状态下输出信号最大，且以零点为基准上下强度对称。锁定读出电路12，SQUID11及读 出电路12实现了磁通到电压的线性转换。系统输出的电压信号接口通过适配器14连接到 数据采集卡15，用计算机16进行数据采集和处理。3、给定一定频率的电流，一般80Hz，利用边长2m左右的Helmholtz线圈17作为均 勻磁场源，把无磁杜瓦10内的梯度计7置于Helmholtz线圈17中心区域，测量系统对均勻 磁场的响应。理论计算Helmholtz线圈17中的均勻磁场BH，联合梯度计接收线圈面积S， 等效误差面积Δ S和测量的电压Vs，标定系统磁场到电压的传输系数σ。
权利要求
一种多通道SQUID生物磁系统的标定方法，其特征在于所述的标定方法是一种室温和低温相结合的标定方法，通过室温标定确定梯度计的等效误差面积，在低温下使用Helmholtz线圈产生均匀的磁场，利用系统输出的对应电压信号和测量的误差面积，进行系统磁场电压系数的标定。
2.按权利要求1所述的标定方法，其特征在于所述的方法包括以下3个步骤(1)梯度 计等效误差面积室温标定；(2)SQUID生物磁系统安装；(3)Helmh0ltz线圈低温标定；其中，在步骤1中，选择生物磁系统所需的梯度计，以螺线管作为均勻磁场源，在均勻 磁场中产生感应电动势，利用锁相放大器记录梯度计感应电动势，计算等效误差面积；梯度 计感应电动势为ε = ω · μ 0ηΙ · Δ S其中ω螺线管中通入电流频率，l·^为真空中的磁导率，η为单位长度螺线管的匝数， I为螺线管中的电流，AS为梯度计等效误差面积。通入螺线管某一频率ω的电流，记录输入电流I及输出的电压信号ε，多组进行线性 拟合，计算等效误差面积AS。在步骤2中，多通道SQUID生物磁系统包括无磁杜瓦、梯度计、SQUID传感器、读出电路、 控制盒、适配器、数据采集卡和计算机；梯度计和SQUID输入线圈组成超导传输线，通过输 入线圈与SQUID之间的互感把外接磁通传输到SQUID中，SQUID传感器及梯度线圈工作于 液氦温度下；通过控制盒和读出电路，实现SQUID参数的调节和磁通电压转换的线性输出。 适配器，数据采集卡和计算机组成了系统数据的采集和处理；在步骤3中，利用Helmholtz线圈作为均勻磁场源，把系统杜瓦内的梯度计置于线圈中 心部分的均勻磁场区域，在Helmholtz线圈中通入一定频率的电流信号，系统记录相应频 率信号的电压输出\其中σ为磁场电压传输系数，BH为Helmholtz均勻磁场，Δ S为梯度计等效误差面积， S为接收线圈面积。由此可得磁场电压传输系数
3.按权利要求2所述的标定方法，其特征在于在步骤2所述多通道SQUID生物磁系统 中梯度计接入SQUID的输入线圈接口，置于工作于液氦温度下的低温杜瓦中，读出电路连 接SQUID的输出，利用控制盒来调节读出电路的参数，使非锁定状态下输出信号最大，且以 零点为基准上下强度对称，锁定读出电路，使SQUID及读出电路实现了磁通到电压的线性 转换；系统输出的电压信号接口通过适配器连接到数据采集卡，用计算机进行数据采集和 处理。
4.按权利要求2所述的标定方法，其特征在于利用锁相放大器记录梯度计感应电动 势，在标定测试系统中梯度计置于螺线管的轴向中心位置，使螺线管和梯度计的轴向方向 一致，信号发生器与恒压源驱动电路相连接，恒压源驱动电路又分别与螺线管连接和示波 器连接，输入一定频率ω的电压信号到恒压源驱动电路中，驱动螺线管产生相应的均勻磁 场；示波器监控螺线管支路参考电阻民的电压Vm ；以信号发生器输出信号为锁相放大器的参考信号，采用锁相放大器检测梯度计的感应电压信号U则量过程中，在一定的频率下， 改变信号发生器的电压，测量一组监控电压Vm及锁相电压值\。
5.按权利要求2所述的标定方法，其特征在于步骤1和步骤2中所述梯度计线圈用石 蜡进行封装。
6.按权利要求2所述的标定方法，其特征在于步骤3中所述的频率的电流信号为 80Hz。
7.按权利要求2所述的标定方法，其特征在于Helmhoty线圈的边长为2m。
全文摘要
本发明公开了一种多通道SQUID生物磁系统标定方法，是一种室温和低温相联合的标定方法。通过室温标定确定梯度计的等效误差面积，在低温下使用Helmholtz线圈产生均匀的磁场，利用系统输出的对应电压信号和测量的误差面积，进行系统磁场电压系数的标定。本发明包括以下步骤(1)梯度计等效误差面积室温标定；(2)SQUID生物磁系统安装；(3)Helmholtz线圈低温标定。本方法的特点是利用室温和低温等效误差面积的一致性进行系统的标定，其优势是避免了单一低温线圈标定带来的空间定位精度和计算问题，操作简单，多通道同时标定，一致性好。
文档编号G01R35/00GK101923153SQ20101021298
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者刘扬波, 张树林, 王永良, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所