在生物磁测定中补偿电磁干扰的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及在存在外部电磁干扰的情况下的超灵敏生物磁力测定领域。为了对所述干扰进行无源补偿，提出了在磁力仪输入处设计一个装置，所述装置包括补偿元件和用于移动这些补偿元件的设备，所述设备包括移位单元，保持单元，和固定单元。在具体的实施方式中，使用三个短的闭合的线圈电路（wirecontours)，所述线圈电路在空间中正交放置且独立地相对于所述磁力仪或其输入天线上下移动。根据给定的电场投影（fieldprojection)实现将电路（contours)固定在外部干扰幅度最小处。也提出了变形方案，包括冷却仪表和/或电路，将低温保持器中放置电路以及由超导体制备所述低温保持器。
【专利说明】在生物磁测定中补偿电磁干扰的装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及防护高灵敏性测量装置不受外部干扰的【技术领域】，并可用于例如在未 屏蔽的环境下操作的心磁图描记器（magnetocardiographic complexe)等系统的电磁噪声 防护。
【背景技术】
[0002] 作为生物磁系统中的传感器，使用高灵敏性磁力仪，诸如超电导量子干扰检 测器（SQUID)，光泵磁力仪或磁阻传感器。这些磁力仪的特征为在皮可-飞秒特斯拉 (pico-femto Tesla)范围具有高磁场分辨率。同时，生物体（例如，人心脏）的有用的磁信 号谱集中在低频范围0.1-100HZ。工业噪声的存在（广播电台，移动通讯，静电放电以及其 他电磁场和电磁波来源）会扰乱这些测量设备的操作稳定性。磁力仪仍能正常工作的干扰 水平通常不超过0. InT。
[0003] 高水平的城市工业噪声需要在测量区使用抵抗磁干扰的额外的无源和有源防护。 同时，生物磁场诸如人心脏的磁场（MF)的最大感应值不超过50ρΤ，因此为了可靠地记录和 识别如此弱的信号，应使用专门的硬件和软件工具以将测量区域的外部干扰磁场减少几个 数量级。由此，使病人处于天然磁场背景中，即地球的MF中，所述地球的MF等于约50μ Τ。
[0004] 有以下几种已知的抵抗磁干扰的方法：
[0005] 1)磁屏蔽室（MSR)。至今，为了确保生物磁系统的效率，广泛使用屏蔽室形式的无 源电磁屏，其比测量设备本身贵好几倍。专利US 5, 152,288[A61B5/04，A61B5/05，G01R33 /00, G01R33/035, Apparatus and method for measuring weak, location-dependent and time-dependent magnetic fields, Hoening E. , Reichenberger H. , Schneider S. , 1992]证 实了使用MSR进行生物磁测量的必要性。然而，MSR -是昂贵的且技术复杂的产品，因此仅 大型的研究中心能负担得起使用它。
[0006] 另外，在各源足够接近并在测量区域产生非均一的MF的情况下，磁干扰的减弱程 度是不足够的。为了降低这种类型的磁干扰，基于在工程学的其他分支中广泛应用的降 低有源噪声的原理，开发了多种技术方案，例如US 5, 844, 996[A61F011/06, D. Enzmann，M. F.Anthony et al. Active electronic noise suppression system and method for reducing snoring noise, 1998]〇
[0007] 2)利用感应线圈的有源噪音补偿。该方法基于使用负反馈（NFB)的理念：使用 通过参考传感器测量的磁障碍（magnetic obstacle)来产生MF，其具有与障碍物相等的幅 度，但是方向相反。该MF进一步用于减去（补偿）测量信号的噪声分量。
[0008] 例如，在生物磁测量中，障碍信号在放大后作为电流传输到感应线圈系统以 在测量区域产生与磁干扰场相反的MF。所述线圈系统的规模由该系统中MF均匀性 (homogeneity)的程度和生物体的尺寸决定。这种补偿系统的理念在以下专利中进行了详 细描述：
[0009] a)US 3, 311, 821, G01C17/38 ；G01R33/025 ；G01C17/00 ；G01R33/025, J. J. A. Brunei, Apparatus for automatically compensating the output of a magnetic field sensing device for the effects of interfering magnetic fields, March28, 1967,
[0010] 6)US 5, 122, 744, G01R33/022 ;G01R33/025, Koch，Roger H. (Amawalk，NY); Gradiometer having a magnetometer which cancels background magnetic field from other magnetometers, Oct 9, 1990，
[0011] 3)电子噪声抑制系统。在已知方案中在生物磁测量系统中最广泛的使用的有 所称的电子噪声抑制系统（ENSS)[参见，例如A.N.Matlashov et.al.In Advances In Biomagnetism, Eds. S. J. Williamson, M. Hoke, G. Stroink, and M. Kotani, Plenum Press, New York and London, pp. 725-728, 1989]。
[0012] ENSS包括多个具有相当低的敏感性（参考通道）的磁力仪，具有在梯度计（信 号）通道中设置的单独的电子产品。参考通道使用比信号通道中使用的磁力仪具有更低敏 感性的磁力仪。典型的，参考通道记录在3个正交投影上的干扰MF并形成参考矢量磁力仪 (RVM)。将RVM的输出信号反转，缩放并与信号通道的输出信号混合。例如，如果在RVM输 出处的干扰性X-信号高于（低于）在信号通道输出处的干扰性X-信号，则将RVM信号放 大（减弱）并从信号通道输出处的信号中减去。
[0013] 在这点上，已知有一个论述充分的具有相似内容的专利US5, 113, 136 [G radiometer apparatus with compensation coils for measuring magnetic fields, G01R3 3/022, G01R33/025, G01R33/035, H. Hayashi, Yu. Igarashi, T. Hayashi et al, 1992, Fujitsu Ltd]。发明公开了 17个ENSS系统的实施方法，几乎覆盖所有可能的磁力测定方案。在这些 方案中，测量装置包括RVM和多通道磁力仪，其中MVR用于记录干扰的MF，然后用来自MVR 的信号，使用负反馈回路在信号通道的输出处或在信号通道的输入处减去这些干扰。例如， 这些ENSS选择方案中通过权利要求16和19进行保护的两种方案，在具有SQUID-磁力仪 的信号通路的输入处进行补偿。
[0014] US 5, 113, 136所述的装置的优点在于其仅用作人体的MF的生物磁测量。需要注 意的缺点是MVR也使用SQUID-磁力仪，这增加了成本并使生物磁测量装置复杂化。
[0015] 因此，最近提出了 一种根据 US 7, 091，717[SQUID sensor using auxiliary s ensor, G01R33/25, G01R33/35, Seung Min Lee, Heon Joo Lee, Byung Du Oh, 2006,LG Electronics Inc.]的ENSS系统的选择，该系统使用参考磁力仪，NFB以及在信号 SQUID-通道的输入处的补偿器。该方案的优点在于，在信号通道中，可使用高温超导体，即 氮冷却水平的高温超导体，制成的SQUID。缺点与所有的有源补偿系统相同一需要参考磁力 仪和NFB。
[0016] 然而，该方案的主要优点是参考磁力仪能在没有SQUID，S卩非超导电的，甚至没有 冷却的情况下使用。这种改变的意义在于在强磁干扰水平下不需要的高分辨率。这使得有 源补偿系统便宜并简单得多，因此在US7, 091，717中提供的ENSS系统被选择作为原型。
[0017] 该原型的开发理念为，能否在没有SQUID磁力仪的情况下实现信号通道？目前 的技术水平证实了这种测量装置基于具有光泵的磁力仪，参见如US 7, 656, 154 [Magnetic field measurement system and optical pumping magnetometer, G01R33/035, G01V3/00, G 01R33/02, R. Kawabata, A. Kandori, 2010, Hitachi High-Tech Corp.]。然而，另一个缺点是 使用感应亥姆霍兹线圈（induction Helmholtz coil)的有源补偿，其需要参考磁力仪，这 与选择的原型相似，不需要冷却或超导电性。
[0018] 因此，有源噪音补偿系统具有若干由以下因素引起的明显缺陷：
[0019] 1)外部干扰可能极大地超出有用的信号，这对于电子反馈链的动态范围具有高的 要求并限制了它们的功能；
[0020] 2)外部干扰可能具有非常高的频率，在这种情况下，补偿效率取决于电子反馈补 偿器的性能等级；
[0021] 3)该补偿系统包括其他具有电源供应和控制的电子回路，使得生物磁信号测量装 置的总成本提1?以及其调控的复杂性提1?。
【发明内容】
[0022] 所提出的技术方案的核心在于：所提出的装置不使用参考磁力仪记录在三个正交 方向X，Y，Z的干扰MF，而是使用至少三个导电材料（包括超导体）环，所述三个导电材料环 还与生物磁测量装置的输入天线正交或接近。
[0023] 本发明的新颖处在于使用以下相对简单的技术方案，消除了针对原型装置的缺陷 和限制：
[0024] 1)提供用于补偿磁干扰的装置，所述装置不含有源电子反馈电路。
[0025] 2)所提出的装置对于性能等级和动态范围没有限制。
[0026] 本发明的目的是改良用于在存在高水平外部电磁干扰，以及缺少磁和/或电磁屏 蔽或缺少有源噪音补偿下，测量生物磁信号的电磁干扰无源补偿装置的设计，以简化所述 装置或降低成本，所述装置对电磁干扰实施调节补偿不需要用于冷却到低温的装置，并使 用其他类型的生物磁测量装置代替超导SQUID-磁力仪。
[0027] 上述目的通过以下实现：
[0028] -将所述装置与至少一个补偿元件和所述元件的重定位设备一起使用；
[0029] -以任意形状的短的闭合电路（short-circuited contours)形式使用补偿元件；
[0030] -由高导电性的材料（铜，铝等）制备补偿元件；
[0031] -制备补偿元件使得它们没有电耦合而仅与测量装置电感耦合；
[0032] -在空间中定位补偿元件使得电场或电场梯度的每个投影对应于至少一个元件；
[0033] -在补偿元件的紧固、移位和固定过程中使用重定位设备；
[0034]-使用重定位设备重复移位和固定补偿元件，以改变在测量装置的位置处的噪声 条件；
[0035]-使用重定位设备以独立移动各个补偿元件；
[0036] -使用固定设备将补偿元件保持在测量装置的输入处具有最小噪声幅度的位置；
[0037] -冷却所述测量装置，例如使用低温液体或任何其他设备，将所述测量装置放置在 冷却器内部，以及将各个补偿元件放置在所述冷却器外部，所述冷却器诸如为低温保持器 或其他设备；
[0038] -将至少一个补偿元件放置在测量装置的冷却器内部，所述冷却器例如为低温保 持器或其他设备；
[0039] -至少一个补偿元件是由超导材料制备的。
[0040] 本发明的技术效果是，在提出的装置的设计中使用少量的无源元件可以提供：
[0041] 1)高效率；
[0042] 2)成本低；
[0043] 3)对齐简单；
[0044] 4)适用于不同类型的生物磁测量装置，诸如基于磁阻传感器或者其他传感器的 SQUID-磁力仪，具有光泵的磁力仪。
【专利附图】
【附图说明】
[0045] 图1-用于弱化电磁干扰的补偿环和生物磁力仪装置的相互设置：1，2,和3分别 为降低沿Z，X，和Y轴的干扰的环，4为用于移位补偿环的设备，5为测量装置。
[0046] 图2_补偿环和冷却的测量装置的设置：1_3和5与图1相同，6为低温液体，7为 透磁性（magneto-transparent)低温保持器。
[0047] 图3-冷却的补偿兀件和低温生物磁信号测量装置的设置：1_3和5-7与图2相同， 8为超导天线。
【具体实施方式】
[0048] 无源补偿的原理如下：由于电磁感应现象，电磁干扰或可变磁场干扰在补偿元件 中产生涡电流。这些电流绕所述元件产生MF，方向与干扰MF方向相反。补偿MF--其为 所有3个元件的MF矢量和--进入测量装置输入，并在此与干扰的MF相加。总补偿MP矢 量的幅度和方向根据补偿元件相对于测量装置的位置而变化。
[0049] 3个短的闭合环与生物磁场测量装置的相对位置方案示于图1，其展示了本发明 的原理。在三个相互正交的平面上设置补偿环1-3,使得能独立于其方向地补偿磁干扰。所 有的环直接接近测量装置5放置，以确保感应的MF的穿透，而且在测量装置内部或其可能 具有的传感器或输入天线内部几乎不减弱。
[0050] 在补偿程序的基本实施方式中，交替上下移动补偿元件以控制在没有效信号时测 量仪输出处的干扰水平。在3个元件中每个的一定位置处，补偿场变得在幅度上与干扰MF 近似相等，并在方向上与干扰MF相反。结果，在测量装置输入处的干扰MF的幅度和在测量 装置输出处的信号幅度达到最小。
[0051] 根据所述基本实施方式，装置还可以包括独立的机构4(参见图1)，用于相对于测 量装置独立的移动每个补偿环。所述机构由紧固元件，上下移位元件和用于将补偿环固定 于在测量装置的输入处具有最小干扰MF幅度的位置处的元件构成。根据在测量区域噪声 条件的变化，所述机构的部件提供了对环的频繁调节和固定。
[0052] 在另一个【具体实施方式】中，所述装置（参见图2)用于在高灵敏性低温测量仪5的 输出处补偿干扰MF，高灵敏性低温测量仪5被冷却以降低其自身的噪声。为了实现这点，将 该测量仪放置在填充有低温液体6诸如液化氦或液化氮的低温保持器7中。用于生物磁测 量装置的低温保持器7被制造为能使低频MF-磁透过，因此其是由电介质诸如非磁性玻璃 纤维制造的。
[0053] 因此补偿环1-3固定在低温保持器表面或接近该低温保持器，以确保它们的温度 与环境温度即室温相同。根据本发明，当在进入测量装置的感应电流MF的影响下时，所有 的补偿环仅与测量天线具有电感耦合，所述感应电流MF补偿了干扰MF。
[0054] 在另一个【具体实施方式】中，设置所述装置使得补偿环1-3中的至少一个放置在所 述测量仪的冷却器内部，使得所述补偿环的温度接近所述测量仪或冷却剂的温度。图3代 表具有低温测量仪，例如SQUID磁力仪5的方案，所有补偿环1-3放置在所述低温保持器内 部接近测量天线8的输入处。该选择的优点在于，由于通过冷却降低了环的电阻因而能提 高环中的电流，并能通过降低补偿MF与测量天线的距离来提高补偿MF的幅度。缺点是很 难对在低温保持器内部的环进行移动或固定。
[0055] 在另一个【具体实施方式】中，至少一个补偿元件是由超导电材料制成的。如果低温 保持器内部的温度低于所述超导体的转变温度，达到超电导状态，所述环的电阻能降到零。 该选择的优点在于，-没有随着频率提高的感应电流阻尼，这使得能对宽的频率范围进行补 偿。该实施方式的局限在于，其仅对放置在低温保持器中的低温测量装置有用。
[0056] 在另一个【具体实施方式】中，使用至少一个额外的补偿元件，所述补偿元件放置在 空间中，使得其与电场梯度的特定空间分量匹配。额外的元件的数量取决于通过测量装置 记录的分量的数量，或者取决于要补偿的干扰梯度分量的数量。
[0057] 在另一个【具体实施方式】中，使用所述装置在多通道测量仪输入处补偿干扰MF。因 此，所述补偿元件的优选位置通过在几个或大多数所述通道中干扰MF具有最小幅度确定， 通过在所有通道中干扰MF的最小平均幅度确定，或以其他方式确定。但是提出的装置的主 要不同在于，其对于所有的通道是一样的，不像其他的这类系统诸如ENSS系统，对于每个 通道分别制造。
[0058] 在另一个【具体实施方式】中，所述装置与其他的噪声降低方法，例如与ENSS、电磁屏 蔽，或与任何其他设备联合进行补偿。当测量装置是对MF具有高分辨率，但同时具有低的 干扰防护的敏感磁力仪时，尤其是在具有高水平工业噪声的非屏蔽区域时，上述组合尤其 重要。在这种情况下，提供出的无源补偿是不足够的，因此其应与上述的其他方法联合使 用。
[0059] 提出的装置是工业可应用的并能容易的制造，因为其是由工业上已开发的材 料（铜、铌或其他金属线、kaprolon、层压胶布板、多种纤维增强塑料）和基于标准技术 的方法制成的。其应用领域-超灵敏生物磁力测定，包括心磁图描记术，磁化率量测术 (susceptometry)或其他分支，科学生物医学研究，低温物理技术。
[0060] 仅出于阐明的目的，对给出的本发明装置的【具体实施方式】进行了详细描述。明显 的是，在实践中，熟悉超灵敏生物磁力测定和/或低温技术的人员来说，可以对提出的装置 的设计进行一些改变和变形。然而，我们认为，如果所述改变和变形是在不显著脱离本发明 实质和保护范围的情况下做出的，则这些改变和变形落入本发明的范围之内。
【权利要求】
1. 一种用于在高的外部电磁干扰水平下进行生物磁测量中补偿电磁干扰的装置，包括 生物磁信号测量装置，用于记录所述信号的一个或多个分量，包括磁场矢量和/或所 述磁场矢量的一阶或更高阶的空间梯度的至少一个投影， 用于补偿所述电磁干扰的设备， 其特征在于，所述装置包括至少一个补偿元件和用于移动所述（一个或多个）元件的 设备， 补偿元件用作任意形状的短的闭合电路并由具有高导电性的材料（铜，铝等）制备， 制备补偿元件使得它们仅与所述测量装置电感耦合而没有电耦合，所述元件在空间中 绕所述测量装置进行放置使得电场或电场梯度的每个投影对应于至少一个元件， 用于移动的设备包括补偿元件的移位设备、保持设备和固定设备， 用于移动的设备能对补偿元件进行重复移位和固定，以改变在所述生物磁测量装置的 位置处的干扰条件， 使用所述移位设备、保持设备和固定设备用于独立的移动各个补偿元件， 所述固定设备用作将补偿元件固定在所述生物磁信号测量装置的输入处具有最小电 磁干扰幅度的位置。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于包括： 使用诸如低温冷却液体或任何其他方式冷却所述生物磁信号测量装置，以及 将所述测量装置放置在冷却器内部，以及 将所述补偿元件和用于移动的设备放置在冷却器外部，所述冷却器例如为低温保持器 或任何其他设备。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将至少一个补偿元件放置在所述生物 磁信号测量装置的冷却器内部，所述冷却器例如为低温保持器或任何其他设备。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，至少一个补偿元件由超导体制 成。
【文档编号】G01R33/02GK104220890SQ201280068804
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2012年5月17日 优先权日:2012年2月2日
【发明者】弗拉基米尔·米科拉约维奇·索斯尼, 茨斯基, 尤里·德米托欧维奇·米诺夫, 米克拉·米科拉约维奇·比德尼克 申请人:弗拉基米尔·米科拉约维奇·索斯尼茨斯基, 尤里·德米托欧维奇·米诺夫, 米克拉·米科拉约维奇·比德尼克