脑磁场检测装置及脑磁场的检测方法与流程

本发明涉及精密测量技术领域，特别是涉及一种脑磁场检测装置及脑磁场的检测方法。

背景技术：

大脑神经元活动产生电流进而产生脑磁场，这个磁场非常微弱，一般在10^-15(飞特斯拉量级)特斯拉左右，要用特殊的磁场检测仪才能记录。现有技术中的脑磁图(mei)检测仪是通过采用低温超导技术(squid)来实时记录大脑磁场信号的变化，重建出医学诊断图像。但是由于地磁场强度一般在10^-6特斯拉，所以需要将mei放在一个电磁场屏蔽室，只有消除了地磁场以及背景噪声磁场后才能检测到脑电波产生的飞特斯拉量级的磁场信号。

脑磁图(mei)检测仪通过是在患者头部周围放置多个低温超导量子干涉仪(squid)，检测由神经元活动产生的电流所产生的脑磁波。检测过程中须将整套设备放置于电磁屏蔽室中以屏蔽各种背景磁场噪声，存在设备体积大，维护和维修复杂以及针对不同病人头型以及人体移动时的检测精确性差的问题。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种脑磁场检测装置及脑磁场的检测方法，以提高检测精准性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

提供一种脑磁场检测装置，包括：

屏蔽单元，用于产生屏蔽磁场；及

磁力仪，包括：

探头，用于检测人脑磁场和环境磁场；

处理单元，与所述探头连接，用于从所述探头接收检测到的人脑磁场及环境磁场并对所述环境磁场中的稳恒磁场处理后输出第一控制信号，和/或对根据所述环境磁场及中的梯度磁场处理后输出第二控制信号；及

控制单元，与所述处理单元及所述屏蔽单元连接，用于从所述处理单元接收所述第一和/或第二控制信号并根据所述第一和/或第二控制信号输出第一电流和/或第二电流给所述屏蔽单元，所述屏蔽单元根据所述第一电流和/或所述第二电流产生屏蔽磁场以屏蔽所述环境磁场。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：

提供一种脑磁场的检测方法，包括：

检测人脑磁场和环境磁场；

根据检测到的人脑磁场及环境磁场对所述环境磁场中的零阶稳恒磁场处理后输出第一控制信号，和/或对根据所述环境磁场中的一阶梯度磁场处理后输出第二控制信号；及

接收所述第一和/或第二控制信号并根据所述第一和/或第二控制信号输出第一电流和/或第二电流以产生屏蔽所述环境磁场的屏蔽磁场。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过探头检测脑磁场及环境磁场，通过处理单元对所述环境磁场中的稳恒磁场处理后输出第一控制信号，和/或对所述环境磁场及中的梯度磁场处理后输出第二控制信号；及通过控制单元从所述处理单元接收所述第一和/或第二控制信号并根据所述第一和/或第二控制信号输出第一电流和/或第二电流给屏蔽单元，所述屏蔽单元根据所述第一电流和/或所述第二电流产生屏蔽磁场以屏蔽所述环境磁场，提高脑磁场的检测精准性。

附图说明

图1是本发明脑磁场检测装置的结构示意图；

图2是本发明脑磁场检测装置第一实施例的结构示意图；

图3是本发明脑磁场检测装置第一实施例的检测过程示意图；

图4是本发明第一屏蔽单元的结构示意图；

图5是本发明第一屏蔽区域的结构示意图；

图6是本发明脑磁场检测装置第二实施例的结构示意图；

图7是本发明第二屏蔽单元带支撑板的结构示意图；

图8是本发明梯度线圈的俯视结构示意图；

图9是本发明梯度线圈的立体结构示意图；

图10是本发明脑磁场检测装置第二实施例的检测过程示意图；

图11是本发明脑磁场检测装置第三实施例的结构示意图；

图12是本发明第三屏蔽区域的结构示意图；

图13是本发明磁场检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

请参阅图1，是本发明脑磁场检测装置的结构示意图。所述脑磁场检测装置100包括：

屏蔽单元10，用于产生屏蔽磁场；及

磁力仪20，包括：

探头21，用于检测人脑磁场和环境磁场；

处理单元22，与所述探头21连接，用于从所述探头21接收检测到的人脑磁场及环境磁场并对所述环境磁场中的稳恒磁场处理后输出第一控制信号，和/或对根据所述环境磁场及中的梯度磁场处理后输出第二控制信号；及

控制单元23，与所述处理单元22及所述屏蔽单元10连接，用于从所述处理单元22接收所述第一和/或第二控制信号并根据所述第一和/或第二控制信号输出第一电流和/或第二电流给所述屏蔽单元10，所述屏蔽单元10根据所述第一电流和/或所述第二电流产生屏蔽磁场以屏蔽所述环境磁场。

请参阅图2，是本发明脑磁场检测装置第一实施例的结构示意图。所述脑磁场检测单元100包括：

第一屏蔽单元11，用于产生第一屏蔽磁场；

磁力仪20，

探头21，用于检测人脑磁场和环境磁场；

处理单元22，与所述探头21连接，用于从所述探头21接收检测到的人脑磁场及环境磁场并对所述环境磁场中的零阶稳恒磁场处理后输出第一控制信号；

控制单元23，与所述处理单元22及所述第一屏蔽单元11连接，用于从所述处理单元22接收所述第一控制信号并根据所述第一控制信号输出第一电流给所述第一屏蔽单元11，所述第一屏蔽单元11根据所述第一电流产生第一屏蔽磁场以屏蔽所述环境磁场中的零阶稳恒磁场。

其中，所述探头21为碱金属原子光泵探头，所述探头21包括至少一个第一探头和至少三个第二探头，每一第二探头用于检测与所述探头21的激光方向垂直的两个方向上的环境磁场。

结合图3，所述探头21包括三个第一探头211，212，213和三个第二探头214，215，216。所述第一探头211～213设置于人体头部，可以贴附于待检人体的头部，环绕设置，用于检测人脑磁场和零阶稳恒磁场，在其他实施例中还可采用多个所述第一探头设置在人体头部附近，以实现全脑覆盖。本实施例中，所述磁力仪20采用铯原子光泵磁力仪，将其铯原子光泵探头贴在人体头部表面使用，其中，铯(cs)蒸汽工作在体温，这样在使用过程中不用担心会灼伤病人，所述探头21的体积很小(5立方毫米)这样进一步缩短了所述探头21和产生磁场的脑神经元之间的距离，能提供飞特量级的检测灵敏度，并且所述光泵磁力仪根据需要检测的脑磁波的频率，可以调节工作频率和接收带宽。

所述第二探头214～216远离人体头部设置，用于检测外界稳恒磁场。其中，所述第二探头214的激光方向为x轴，检测y轴正方向和z轴正方向上的稳恒磁场by1和bz1，所述第二探头215的激光方向为y轴，检测x轴正方向和z轴负方向上的零阶稳恒磁场bx1和bz2，所述第二探头216的激光方向为z轴，检测x轴负方向和y轴负方向上的稳恒磁场bx2和by2。

请参阅图4，是本发明第一屏蔽单元的结构示意图。所述第一屏蔽单元11包括六个平面线圈111～116，所述六个平面线圈111～116构成一立方体m。所述处理单元22将根据三个所述第二探头214～216检测到的bx1、bx2、by1、by2、bz1以及bz2六个零阶稳恒磁场计算得出六个所述第一电流i1，输出第一控制信号给所述控制单元23，使所述控制单元23将所述六个第一电流i1分别输入对应方向上的六个平面线圈111～116，以使所述六个平面线圈111～116产生与所述六个零阶稳恒磁场方向相反的六个第一屏蔽磁场，以屏蔽所述零阶稳恒磁场。

具体的，根据磁场与电流的相关计算式，将六个所述零阶稳恒磁场bx1、bx2、by1、by2、bz1以及bz2计算得出能产生相应大小的磁场的所述第一电流i1，分别为i1-x1、ii-x2、ii-y1、ii-y2、ii-z1以及ii-z2。如图4所示，给所述平面线圈111通入沿顺时针方向的第一电流i1-y1，产生与所述by1方向相反，大小相等的第一屏蔽磁场by1’(by1的方向为y轴正方向，by1’的方向为y轴负方向)，以将所述零阶稳恒磁场by1屏蔽。给所述平面线圈112通入沿时针方向的第一电流i1-z1，产生与所述bz1方向相反，大小相等的第一屏蔽磁场bz1’(bz1的方向为z轴正方向，bz1’的方向为z轴负方向)，以将所述零阶稳恒磁场bz1屏蔽。给所述平面线圈113通入沿顺时针方向的第一电流i1-x1，产生与所述bx1方向相反，大小相等的第一屏蔽磁场bx1’(bx1的方向为x轴正方向，bx1’的方向为x轴负方向)，以将所述零阶稳恒磁场bx1屏蔽。给所述平面线圈114通入沿逆时针方向的第一电流i1-z2，产生与所述bz2方向相反，大小相等的第一屏蔽磁场bz2’(bz2的方向为z轴负方向，bz2’的方向为z轴正方向)，以将所述零阶稳恒磁场bz2屏蔽。给所述平面线圈115通入沿逆时针方向的第一电流i1-x2，产生与所述bx2方向相反，大小相等的第一屏蔽磁场bx2’(bx2的方向为x轴负方向，bx2’的方向为x轴正方向)，以将所述零阶稳恒磁场bx2屏蔽。给所述平面线圈116通入沿逆时针方向的第一电流i1-y2，产生与所述by2方向相反，大小相等的第一屏蔽磁场by2’(by2的方向为y轴负方向，by2’的方向为y轴正方向)，以将所述零阶稳恒磁场by2屏蔽。

本实施例通过所述第一屏蔽单元11产生与所述零阶稳恒磁场bx1、bx2、by1、by2、bz1以及bz2大小相等，方向相反的所述第一屏蔽磁场bx1’、bx2’、by1’、by2’、bz1’以及bz2’，进而将所述外界磁场中的零阶稳恒磁场屏蔽，以减小脑磁场检测过程中外界磁场带来的影响，提高检测精度。同时，所述第一屏蔽单元11的六个所述平面线圈通入对应所述第一电流i1后产生，形成如图5所示第一屏蔽区域a，待检测人体的头部可以在所述第一屏蔽区域a内自由活动而不影响检测精度。

请参阅图6，是本发明脑磁场检测装置第二实施例的结构示意图。所述脑磁场检测单元100包括：

第二屏蔽单元12，用于产生第二屏蔽磁场。

磁力仪20，

探头21，用于检测人脑磁场和环境磁场；

处理单元22，与所述探头21连接，用于从所述探头21接收检测到的人脑磁场及环境磁场并对所述环境磁场中的一阶梯度磁场处理后输出第二控制信号；

控制单元23，与所述处理单元22及所述第二屏蔽单元12连接，用于从所述处理单元22接收所述第二控制信号并根据所述第二控制信号输出第二电流给所述第二屏蔽单元12，所述第二屏蔽单元12根据所述第二电流产生所述第二屏蔽磁场，以屏蔽所述环境磁场中的一阶梯度磁场。

如图7所示，所述第二屏蔽单元12包括两组梯度线圈121和122，所述第二屏蔽单元12的两组梯度线圈可分别设置于两支撑板s1和s2上，以使所述两组梯度线圈121和122可以相对设置在人体头部的两侧。如图8所示，以其中一组所述梯度线圈121为例，所述梯度线圈121包括一圆环形的第一梯度线圈p1以及环绕所述第一梯度线圈p1的四个第二梯度线圈q1～q4。结合图9，为所述梯度线圈121的立体图，其中，所述第二梯度线圈q1～q4所在平面a与所述第一梯度线圈p1所在平面b垂直，所述第二梯度线圈q1～q4环绕所述第一梯度线圈p1的一边l1为沿所述环绕方向的圆弧状。在实际应用中，将所述第二梯度线圈q1～q4的相对的l2边尽可能设置短，以使所述第一梯度线圈p1和所述第二梯度线圈q1～q4可以制作在同一支撑板(图中未示出)上。

相对于所述第一实施例，本实施例中所述处理单元22根据三个所述第二探头214～216检测到的bx1、bx2、by1、by2、bz1以及bz2六个零阶稳恒磁场以及三个所述第二探头214～216的空间位置坐标，计算得出x、y、z轴方向上的三个一阶梯度磁场gx，gy，gz，所述处理单元22再根据梯度磁场与电流的相关计算式，将所述三个一阶梯度磁场gx、gy、gz计算得出能产生相应大小的磁场梯度的三个所述第二电流i2，输出第二控制信号给所述控制单元23，使所述控制单元23将所述三个第二电流i2分别输入给所述两组梯度线圈121和122，以使所述两组梯度线圈121和122产生与所述三个一阶梯度磁场方向相反的三个第二屏蔽磁场，以屏蔽所述一阶梯度磁场。

如图10所示，所述两组梯度线圈121和122相对设置在人体头部的两侧，其中，所述两组梯度线圈121和122中的八个所述第二梯度线圈q1～q8用于产生屏蔽x轴和y轴方向上一阶梯度磁场的第二屏蔽磁场，所述两组梯度线圈中的两个第一梯度线圈p1和p2用于产生屏蔽z轴方向上一阶梯度磁场的第二屏蔽磁场。

本实施例通过所述第二屏蔽单元12产生与所述一阶梯度磁场gx、gy、gz大小相等、方向相反的所述第二屏蔽磁场，进而将所述外界磁场中的一阶梯度磁场屏蔽，减小脑磁场检测过程中外界磁场带来的影响，提高检测精度。同时，所述第二屏蔽单元12的两组梯度线圈121和122在输入对应所述第二电流i2后，形成第二屏蔽区域b，待检测人体的头部可以在所述第二屏蔽区域b内自由活动而不影响检测精度。

请参阅图11，是本发明脑磁场检测装置第三实施例的结构示意图。相对于本发明第二实施例(图6)，所述脑磁场检测装置100还包括第一屏蔽单元11，与所述控制单元23连接，用于产生第一屏蔽磁场。

所述处理单元22可以从所述探头21接收检测到的人脑磁场及环境磁场并对所述环境磁场中的零阶稳恒磁场处理后输出第一控制信号，以及对根据所述环境磁场中的一阶梯度磁场处理后输出第二控制信号；所述控制单元23从所述处理单元22接收所述第一和第二控制信号，根据所述第一控制信号输出第一电流i1给所述第一屏蔽单元11，所述第一屏蔽单元11根据所述第一电流i1产生第一屏蔽磁场以屏蔽所述环境磁场中的零阶稳恒磁场；并根据所述第二控制信号输出第二电流i2给所述第二屏蔽单元12，所述第二屏蔽单元12根据所述第二电流i2产生第二屏蔽磁场以屏蔽所述环境磁场中的一阶梯度磁场，进而进一步提高脑磁场的检测精度。

如图12所示，通过调节构成所述第一屏蔽单元11中的所述平面线圈的大小，匝数以及其他相关变量来调整所形成的第一屏蔽区域a的大小，通过调节构成所述第二屏蔽单元12中的所述梯度线圈的大小，匝数以及其他相关变量来调整所形成的第二屏蔽区域b的大小，以形成一边长c为40cm的立方体的第三屏蔽区域c，以容纳待测人体的头部，待检测人体的头部可以在所述第三屏蔽区域c内自由活动而不影响检测精度。所述第三屏蔽区域c为所述第一屏蔽区域a和第二屏蔽区域b的重叠区域，所述第三屏蔽区域c内没有外界磁场的干扰，同时没有多余设备、装置带来的干扰磁场，以使脑磁场的检测结果更加精准。

本实施例中，所述第三屏蔽区域c即为所述第二屏蔽区域b。在其他实施例中，只要满足最终形成的所述第三屏蔽区域内没有外界磁场，也没有多余设备、装置带来的干扰磁场即可。

请参阅图13，是本发明脑磁场检测方法的流程示意图。所述脑磁场检测方法包括：

步骤s1：检测人脑磁场和环境磁场。

具体的，在人体头部检测人脑磁场和环境磁场；

在远离人头体部检测环境磁场。

所述环境磁场包括零阶稳恒磁场和一阶梯度磁场。

步骤s2：根据检测到的人脑磁场及环境磁场对所述环境磁场中的零阶稳恒磁场处理后输出第一控制信号，和/或对根据所述环境磁场中的一阶梯度磁场处理后输出第二控制信号。

步骤s3：接收所述第一和/或第二控制信号并根据所述第一和/或第二控制信号输出第一电流和/或第二电流以产生屏蔽所述环境磁场的屏蔽磁场。具体的，通过所述第一控制信号输出第一电流，所述第一电流产生第一屏蔽磁场，以屏蔽所述环境磁场中的零阶稳恒磁场。

其中，所述第一电流产生第一屏蔽磁场包括：

将所述第一电流输入六个平面线圈，所述六个平面线圈构成一立方体，使所述平面线圈产生x轴正方向和负方向、y轴正方向和负方向以及z轴正方向和负方向上的第一屏蔽磁场。

通过所述第二控制信号输出第二电流，所述第二电流产生第二屏蔽磁场，以屏蔽所述环境磁场中的一阶梯度磁场。

所述第二电流产生第二屏蔽磁场包括：

将所述第二电流输入两组梯度线圈，所述两组梯度线圈产生x轴、y轴和z轴上的梯度磁场，每组所述梯度线圈包括一圆环形的第一梯度线圈以及环绕所述第一梯度线圈的四个第二梯度线圈，所述第二梯度线圈环绕所述第一梯度线圈的一边设置为沿所述环绕方向的圆弧，所述第二梯度线圈所在平面与所述第一梯度线圈所在平面垂直；

所述第二电流输入所述两组梯度线圈中的八个所述第二梯度线圈产生x轴和y轴方向上的梯度磁场，所述第二电流输入所述两组梯度线圈中的两个第一梯度线圈产生z轴方向上的梯度磁场。

其中，所述第一屏蔽单元与所述第二屏蔽单元具体的工作及设计过程，同图1～图12中相关描述，在此不再赘述。

本发明通过检测环境磁场中的零阶稳恒磁场和一阶梯度磁场，处理得出能产生相应大小磁场的第一电流及第二电流。通过对平面线圈输入第一电流，使之产生与所述零阶稳恒磁场大小相等，方向相反的磁场，以屏蔽所述零阶稳恒磁场。通过对梯度线圈输入第二电流，使之产生与所述一阶梯度磁场大小相等，方向相反的磁场，以屏蔽所述一阶梯度磁场，进而提高所述脑磁场检测设备的精确性。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。