一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法

本发明涉及一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，属于原子磁强计和心磁测量。

背景技术：

1、人体心脏产生的磁场可以反映很多生理信息，比如心肌梗死等。与心电信号测量相比，心磁信号测量具有诸多优点，包括非直接接触，避免皮肤刺激或不适感；空间分辨率高，可以提供心脏活动的空间分布图像；数据丰富，可以提供包括磁场的强度；方向和时间特征等更多信息，抗干扰性强；不易受到肌肉运动，电源干扰和电极质量等因素的影响等。但是，目前的心磁信号测量也存在一些限制和挑战，主要问题包括：基于超导量子干涉磁力仪的心磁测量需要液氦制冷，制造成本和维护成本均比较昂贵，基于原子磁力仪的心磁测量需要屏蔽筒，能容纳人体的大型磁屏蔽筒制造成本较高，体积庞大，难以普及，而且由于人群中有相当一部分存在幽闭恐惧症，导致测量结果失真，同时干扰正常测量数据的分析。上述两种方法均采用阵列式测量，需要几十个甚至更多的敏感探头，探头阵列的采用进一步增大了设备的体积和成本。

技术实现思路

1、本发明要解决技术问题为：

2、1.现有基于原子磁力仪的心磁测量方法需要用磁屏蔽桶或者磁屏蔽房，用来屏蔽外界磁场，这将大幅增加原子磁力仪心磁测量的成本。本发明采用原子梯度磁力仪消除地磁环境下的背景磁场，得到心磁信号，避免了使用磁屏蔽桶或者磁屏蔽房。

3、2.基于原子磁力仪的心磁测量基本采用阵列式并行测量的方式，大幅增加了设备的开发成本和后期维护成本。本发明采用单探头扫描方式，只采用一个原子梯度磁力仪探头，开发成本和后期维护成本大幅降低。

4、3.现有的原子磁力仪敏感气室周边有光电探测器等光电组件，导致敏感气室的位置离心脏较远，心磁信号较弱，不利于心磁信号的采集。本发明采用十字形对称结构和光路，靠近心脏的敏感气室周边只有一个反射镜，没有光电探测器等其他光电组件。同时采用红外测距仪实时测量探测器与胸腔之间的距离并动态调整，最大限度减小原子气室与心脏之间的距离，提高心磁信号。

5、本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，该方法利用的装置包括激光器，偏振片，两个四分之一波片，两个三轴磁场线圈，两个原子气室，两个加热炉，两个光电探测器，偏振分光棱镜和反射镜等。该方法实现的过程为：激光器发出的激光经过偏振片后转变为线偏振光，再经过四分之一波片后转变为圆偏振光穿过第一个原子气室，该光束经过偏振分光棱镜后一半光子达到光电探测器，实现远离心脏的磁场测量，该磁场测量结果通过三轴磁场线圈同时反馈到两个原子气室，使得两个气室在x和y方向的外磁场同时被抵消。另一半光子经过四分之一波片后再次转变为圆偏振光，穿过第二个原子气室并且通过垂直反射镜反射回偏振分光镜，由于四分之一波片的存在，原路返回的光进过偏振分光棱镜后发生折射，到达另一个光电探测器，该信号经过解调后的信号反映心磁的大小。

6、其中，第一个气室处于闭环状态，始终工作在零磁状态，两个气室的磁场线圈始终接受相同的驱动信号，使得第二个气室只测量相对于第一个气室的梯度磁场信号，该信号的主要贡献来自心脏磁场。

7、其中，第二个气室与待测者胸腔之间除了反射镜之外，没有光电探测器等其他光电元件，第二个气室周围没有任何光电器件，从而缩小测量探头的截面积，使得测量探头能跟踪胸腔的起伏运动。

8、其中，第一个气室和第二个气室共用一个激光源和相同的加热电流，整个装置采用十字对称结构，增大两个气室测量信号的共模成分，对于采集的信号采用自适应滤波，最大程度消除两个信号的共模成分。

9、本发明的原理在于：

10、(1)圆偏振光经过偏振分束镜7后转化强度相同的p光和s光，其中p光透射，s光被反射。p光的琼斯矩阵表达式为：

11、

12、p光经过快轴与x方向成π/4的四分之一波片10后，转化为右旋圆偏振光：

13、

14、右旋圆偏振光es经过反射镜后转化为左旋圆偏振光：

15、

16、之后再次经过四分之一波片10，此时波片快轴与x方向成-π/4夹角：

17、

18、最终转化为s光被偏振分束镜7反射到第二个光电探测器9，这样就可以让第二个原子气室13与待测者胸腔之间尽可能靠近，从而增大心磁信号。

19、(2)由于心磁磁源离原子气室6较远，离原子气室13较近，所以原子气室13只探测外界磁场波动，而原子气室6的反馈信号也用于补偿原子气室13周围的环境磁场，从而使得利用原子气室13测量得到的信号为心磁信号。

20、(3)两个原子气室使用了相同的加热电流，磁场线圈和相同的激光源，最大程度增加两者的共模噪声，从而提高信噪比。

21、(4)采用单光束虽然不能直接测量z方向的磁场，但是可以通过将x方向磁场补偿到接近于零，在y方向施加一个固定磁场，扫描z方向磁场得到补偿点，然后在每次测量前用该方法进行z向磁场的补偿校准。

22、本发明与现有技术相比的优点在于：

23、(1)本发明中用于心磁测量的气室离待测者胸腔之间只有反射镜，用于心磁测量的气室周围没有光电器件，因此可以在垂直方向上尽可能接近胸腔，并且通过红外测距和驱动装置在扫描过程中实时跟踪胸腔的起伏，确保敏感气室在扫描过程中与胸腔距离不变。通过上述方法，所探测的心磁磁场高于传统原子磁力仪。

24、(2)本发明采用两个原子气室实现梯度测量，其中远离心脏的气室用来测量外界磁场并且通过三轴磁场线圈同时对两个气室进行磁场补偿。通过该方法，使得心磁测量不在需要磁屏蔽桶或者磁屏蔽房，降低了成本。

25、(3)本发明采用单个原子梯度磁力仪探头扫描的方式，易于与心电探测集成，也可以大幅节约设备成本和后期维护成本。

26、(4)本发明的两个原子气室采用同一个激光源，采用相同的电流进行磁场补偿，以及相同的电流进行加热炉加热，同时整个装置采用十字对称结构，增大了采集信号的共模成分，最后采用差分和自适应滤波等方法消除这些共模噪声，提升了信噪比。

技术特征：

1.一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，该方法利用的装置包括激光器(1)，偏振片(2)，四分之一波片(3，10)，三轴磁场线圈(4，11)，加热炉(5，12)，原子气室(6，13)，偏振分光棱镜(7)，光电探测器(8，9)，反射镜(14)，该方法的实现过程是：激光器(1)发出的激光经过偏振片(2)后转变为线偏振光，再经过四分之一波片(3)后转变为圆偏振光穿过第一个原子气室(6)，该光束经过偏振分光棱镜(7)后一半光子达到光电探测器(8)，实现远离心脏的磁场测量，该磁场测量结果通过三轴磁场线圈(4，11)同时反馈到两个原子气室(6，13)，使得第一个气室始终工作在零磁条件下，另一半光子经过四分之一波片(10)后再次转变为圆偏振光，穿过第二个原子气室(13)并且通过反射镜(14)反射到偏振分光镜(7)，到达另一个光电探测器(9)，实现靠近待测人体(15)心脏的磁场测量。上述原子梯度磁力仪探头的整体结构(22)相对待测人体(15)可以做三维运动，其中竖直方向z的运动可以通过丝杠或其他传动装置，表头上固连测距装置(21)，通过测距装置发出的红外光(20)和接收的红外光(19)实时获得原子梯度磁力仪探头下端与待测人体(15)胸腔之间的距离，并根据探测结果自动调整探头(22)的高度，确保在整个扫描过程中探头末端与胸腔之间的距离保持不变。探头和待测人体(15)在水平方向x和y的相对运动可以通过平台(18)以及与平台(18)固连的同步带(16)和(17)或其他传动方式实现。

2.根据权利要求1所述的一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，其特征在于：采用原子梯度磁力仪探头(22)在胸腔上部连续扫描的方式进行心磁测量，探头和胸腔的相对位置在x,y和z方向通过驱动结构，包括但不限于同步带(16、17)和丝杠。

3.根据权利要求1所述的一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，其特征在于：原子梯度磁力仪探头(22)与胸腔之间的距离通过红外测距方式进行测量并实施反馈，使探头在x和y向扫描的过程中保持与胸腔位置固定。

4.根据权利要求1所述的一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，其特征在于：接近胸腔的测试气室与胸腔之间除了一个垂直入射的反射镜之外，没有额外的光电器件，该气室周边也没有额外的光电器件，从而大幅减小了梯度原子磁力仪探头在胸腔位置的尺度，确保梯度磁力仪中敏感心磁的探头最大程度接近胸腔，并在扫描过程中跟踪胸腔部位的起伏上下移动。

5.根据权利要求1所述的一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，其特征在于：原子梯度磁力仪工作在地磁环境下，其中远离心脏的气室工作在闭环状态，反馈电流同时提供给两个气室的三轴控制线圈，接近心脏的气室工作在闭环或者开环状态，其输出直接反映心磁信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，其特征在于：为了使单光束测量情况下气室能工作在零场状态下，对光束正交的x方向与y方向采用不同频率进行调制，测量得到x方向与y方向的磁场，对于与光束平行的z方向，在每次扫描测试前，进行自校准，测量过程中施加固定补偿磁场。

7.根据权利要求1所述的一种基于扫描式原子梯度磁力仪的心磁测量方法，其特征在于：两个气室的加热电流完全相同，两个气室采用同一个激光源，结构采用十字型对称形式，这些方法可以增大噪声中的共模成分，最后通过差分和自适应滤波的方法，消除共模成分，保留心磁信号。

技术总结
本发明公开了一种基于梯度原子磁力仪的心磁测量方法，该方法不需要磁屏蔽桶或者磁屏蔽房，也不需要传感器阵列。该方法采用扫描探测的方式，只使用一个梯度原子磁力仪作为扫描探头，测量不同位置的心磁信号。十字架型原子梯度磁力仪的结构确保梯度磁力仪中敏感心磁的探头最大程度接近胸腔，并在扫描过程中跟踪胸腔部分的起伏上下移动。远离心脏的气室工作在闭环状态，反馈电流同时提供给两个气室的磁场控制线圈。接近心脏的气室工作在闭环或者开环状态，其输出为消除背景磁场后主要由心磁大小决定的差分信号。两个气室的加热膜和加热电流完全相同，两个气室采用同一个激光源，整体结构和光路对称，以增大噪声中的共模成分。

技术研发人员：胡敏,叶杭飞,董海峰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16