用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號檢測技術領域，涉及一種梯度補償方法，特別是涉及一種用于生 物磁檢測的全張量空間梯度補償方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 生命活動背后蘊藏著豐富的電磁信息，生物磁，來源于生物磁電活動產生的空間 磁場，其強度非常微弱，如成人心磁的典型強度為ΙΟΟρΤ，腦磁更為微弱，只有百fT量級。作 為一種高靈敏的磁傳感器，超導量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)廣泛地應用于生物磁信號的測量。相對于微弱的生物磁信號，環(huán)境磁場非 常強，如地球磁場的典型強度為30-50 μ T，城市環(huán)境噪聲的變化也達到了數(shù)百nT。為此，除 了高靈敏的SQUID磁傳感器，還需要高性能的噪聲抑制技術。
[0003] 目前，最常用的噪聲抑制方案是梯度計技術，尤其是在非屏蔽環(huán)境下，梯度計對磁 場的空間梯度產生響應。通常，生物磁為近源，表現(xiàn)出一個大的空間梯度，環(huán)境磁場為遠源， 在檢測處的空間上比較均勻，由此，梯度計能很好的檢測生物磁信號和抑制環(huán)境噪聲。根據(jù) 梯度對磁場的響應階數(shù)，有一階、二階、更高階等。實際應用過程中，理想的梯度計是不存在 的，不可避免地對均勻場及低階的梯度場產生響應。為了提高梯度計的噪聲抑制性能，合成 噪聲抑制方法得到了廣泛地使用。
[0004] 合成噪聲抑制方法是基于一個探測生物磁的信號通道和距離信號源比較遠的基 本檢測背景環(huán)境噪聲的多個參考通道，利用參考通道的線性組合去補償信號通道中包含的 噪聲，以構筑更高噪聲抑制性能梯度計的方法。對于一定的信號通道，參考通道的選擇和補 償決定了最終的合成噪聲抑制性能。目前，最常使用的參考通道是單Z軸磁強計和xyz三軸 磁強計。此方法結構簡單，實現(xiàn)起來很方便，但是噪聲抑制性能有限。究其原因，主要是由 于環(huán)境磁場包含除了包含xyz三個分量的均勻場，還包括一階梯度、二階梯度等。以一階梯 度為例，環(huán)境磁場的一階梯度為一個由9個分量組成的張量，根據(jù)磁場的無源性和無旋性， 也包含有5個獨立分量，這些都會帶來一定的噪聲噪聲干擾?；谶@些一階梯度噪聲干擾， 目前也有使用多磁強計構筑某一個或者兩個一階梯度參考。雖然能取得一定的噪聲抑制效 果，但從理論上來看，仍然補償能力有限。為此，探尋高性能的梯度補償顯得尤為必要。

【發(fā)明內容】

[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種用于生物磁檢測的全 張量空間梯度補償方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術中利用多磁強計構筑某一個或者兩個一 階梯度參考的補償能力有限的問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種用于生物磁檢測的全張量空間 梯度補償方法及系統(tǒng)。
[0007] -種用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法，包括：根據(jù)三維直角坐標系 xyz確定環(huán)境磁場的9個全張量一階梯度分量，為X方向磁場分別在x、y和z方向的一階梯 度分量，y方向磁場分別在x、y和Z方向的一階梯度分量，z方向磁場分別在x、y和z方向 的一階梯度分量；根據(jù)環(huán)境磁場的無源性和無旋性，確定所述9個全張量一階梯度分量中 的5個獨立的一階梯度分量，利用在三維直角坐標系xyz中設置磁強計構建所述5個獨立 的一階梯度分量；利用所述5個獨立的一階梯度分量對一環(huán)境磁場的信號通道進行補償， 通過最小均方誤差求得補償系數(shù)，實現(xiàn)對所述環(huán)境磁場的信號通道的全張量一階梯度的補 償。
[0008] 優(yōu)選地，設Bx為X方向磁場，By為y方向磁場，B z為z方向磁場；貝U Bx在x、y和z 方向的一階梯度分量分別為
【主權項】
1. 一種用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法，其特征在于，所述用于生物磁檢 測的全張量空間梯度補償方法包括： 根據(jù)三維直角坐標系xyz確定環(huán)境磁場的9個全張量一階梯度分量，為x方向磁場分 別在x、y和z方向的一階梯度分量，y方向磁場分別在x、y和z方向的一階梯度分量，z方 向磁場分別在x、y和z方向的一階梯度分量； 根據(jù)環(huán)境磁場的無源性和無旋性，確定所述9個全張量一階梯度分量中的5個獨立的 一階梯度分量，利用在三維直角坐標系xyz中設置磁強計構建所述5個獨立的一階梯度分 量； 利用所述5個獨立的一階梯度分量對一環(huán)境磁場的信號通道進行補償，通過最小均方 誤差求得補償系數(shù)，實現(xiàn)對所述環(huán)境磁場的信號通道的全張量一階梯度的補償。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法，其特征在于： 設Bx為x方向磁場，By為y方向磁場，Bz為z方向磁場；貝uBx在x、y和z方向的一階梯度分 量分別為
，By在x、y和z方向的一階梯度分量分別為?
Bz在x、y和z方向的一階梯度分量分別為
3.根據(jù)權利要求2所述的用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法，其特征在于， 所述5個獨立的一階梯度分量的確定過程包括： 根據(jù)環(huán)境磁場的無源性和無旋性，9個一階梯度分量的關系表示為：
其中，只有5個獨立分量；所述5個獨立分量為-
，依此類推剩余不同類型的 獨立分量組合。
4.根據(jù)權利要求3所述的用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法，其特征在于， 若選定的5個獨立分量為
，則構建所述5個獨立的一階梯度 分量的具體過程包括： 放置第1個磁強計，測量x方向磁場Bx ;以Bx磁場位置為基準，分別沿著x和y方向移 動距離d放置第2個和第3個磁強計，測量x方向的磁場Bx'和Bx''，獲得Bx磁場分別在x和y方向的兩個一階梯度分量
放置第4個磁強計，測量Z方向磁場Bz ;以Bz磁場位置為基準，分別沿X、y和Z方 向移動距離d放置第5個至第7個磁強計，測量z方向的磁場Bz'、Bz''和Bz'''，獲得Bz磁 場分別在x、y和z方向的三個一階梯度分量
，和
5. 根據(jù)權利要求4所述的用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法，其特征在于： 設所述環(huán)境磁場的通道信號為Bs，對Bs進行全張量一階梯度補償獲得補償后的通道信號
*其中，kxx，kxy，kzx，kzy和kzz分別為所 述選定的5個獨立分量為
對應的補償系數(shù)。
6. -種用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償系統(tǒng)，其特征在于，所述用于生物磁檢 測的全張量空間梯度補償系統(tǒng)包括： 全張量一階梯度分量確定模塊，根據(jù)三維直角坐標系xyz確定環(huán)境磁場的9個全張量 一階梯度分量，為x方向磁場分別在x、y和z方向的一階梯度分量，y方向磁場分別在x、y 和z方向的一階梯度分量，z方向磁場分別在x、y和z方向的一階梯度分量； 全張量一階梯度分量構建模塊，與所述全張量一階梯度分量確定模塊相連，根據(jù)環(huán)境 磁場的無源性和無旋性，確定所述9個全張量一階梯度分量中的5個獨立的一階梯度分量， 利用在三維直角坐標系xyz中設置磁強計構建所述5個獨立的一階梯度分量； 全張量一階梯度分量補償模塊，與所述全張量一階梯度分量構建模塊相連，利用所述5 個獨立的一階梯度分量對一環(huán)境磁場的信號通道進行補償，通過最小均方誤差求得補償系 數(shù)，實現(xiàn)對所述環(huán)境磁場的信號通道的全張量一階梯度的補償。
7. 根據(jù)權利要求6所述的用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償系統(tǒng)，其特征在于， 所述全張量一階梯度分量構建模塊包括： 第一磁強計，設置于環(huán)境磁場中，測量5個獨立的一階梯度分量中第一個方向的磁場； 第二磁強計，設置于所述第一磁強計沿著第一個方向移動距離d的位置處，獲得所述 第一個方向的磁場在第一個方向的一階梯度分量； 第三磁強計，設置于所述第一磁強計沿著第二個方向移動距離d的位置處，獲得所述 第一個方向的磁場在第二個方向的一階梯度分量； 第四磁強計，設置于環(huán)境磁場中，測量5個獨立的一階梯度分量中第三個方向的磁場； 第五磁強計，設置于所述第四磁強計沿著第一個方向移動距離d的位置處，獲得所述 第三個方向的磁場在第一個方向的一階梯度分量； 第六磁強計，設置于所述第四磁強計沿著第二個方向移動距離d的位置處，獲得所述 第三個方向的磁場在第二個方向的一階梯度分量； 第七磁強計，設置于所述第四磁強計沿著第三個方向移動距離d的位置處，獲得所述 第三個方向的磁場在第三個方向的一階梯度分量。
8.根據(jù)權利要求6所述的用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償系統(tǒng)，其特征在于， 所述全張量一階梯度分量補償模塊包括： 補償函數(shù)構建單元，與所述全張量一階梯度分量構建模塊相連，利用所 述5個獨立的一階梯度分量構建對一環(huán)境磁場的信號通道Bs的補償函數(shù)
;其中,1^，1^，1^，、和1^分別為所 述選定的5個獨立分量為
對應的補償系數(shù)； 補償系數(shù)求解單元，與所述補償函數(shù)構建單元相連，對所述補償函數(shù)Bs。進行最小均方 誤差求解獲得補償系數(shù)kxx，kxy，kzx，kzy和kzz ; 補償單元，與所述補償系數(shù)求解單元相連，將求解到的補償系數(shù)kxx，kxy，kzx，kzy和kzz帶 入所述補償函數(shù)中，得到一階梯度補償后的信號通道。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于生物磁檢測的全張量空間梯度補償方法及系統(tǒng)，該方法包括：根據(jù)三維直角坐標系xyz確定環(huán)境磁場的9個全張量一階梯度分量，為x方向磁場分別在x、y和z方向的一階梯度分量，y方向磁場分別在x、y和z方向的一階梯度分量，z方向磁場分別在x、y和z方向的一階梯度分量；根據(jù)環(huán)境磁場的無源性和無旋性，確定9個全張量一階梯度分量中的5個獨立的一階梯度分量，利用磁強計構建5個獨立的一階梯度分量，對一環(huán)境磁場的信號通道進行補償，通過最小均方誤差求得補償系數(shù)，實現(xiàn)對環(huán)境磁場的信號通道的全張量一階梯度的補償。本發(fā)明實現(xiàn)了空間全張量的一階梯度補償，可以更加有效地抑制環(huán)境噪聲，提高了梯度計的噪聲抑制性能。
【IPC分類】A61B5-04, G01R33-022, G01R33-02
【公開號】CN104545875
【申請?zhí)枴緾N201310492676
【發(fā)明人】張樹林, 李華, 邱陽, 張朝祥, 孔祥燕, 謝曉明
【申請人】中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2013年10月18日