CN104188650B - 非屏蔽式心磁图仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了非屏蔽式心磁图仪，包括超导量子干涉器、无磁杜瓦、磁通锁定环、信号放大器、滤波器、数据采集卡、心电图仪、无磁移动床、专家疾病诊断软件信息系统和主机，以超导量子干涉器替代传统的电测量传感器作为心脏弱磁信号测量探头，提高心脏弱磁信号探测灵敏度与精度。非屏蔽式心磁图仪是一项国际上最新的无创心功能检查设备，为广大尚未确诊的冠心病病人提供了一个全新、无创伤、高灵敏度的检查仪器，非屏蔽式心磁图仪有望受到广大医务人员和广大患者，特别是那些不适合做运动试验和插导管以及对心脏导管检查恐惧患者的欢迎。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种超导心脏弱磁信号探测设备，尤其是非屏蔽式心磁图仪，旨在提早准确地诊断筛查心脏疾病患者。
背景技术
现代社会极富消耗性而又令人紧张的生活方式，使心脏病已成为最常见的疾病之一，为便于心脏病早期诊断，人们迫切地需要一种快速而精确的筛检诊断方法。特别是对于具有冠心病高危因素者(患有高血压、高血脂、糖尿病、肥胖等疾病及吸烟者)而言具有十分重要的作用和意义。目前临床常规心脏病诊断工具主要有心电图(ECG)和冠状动脉造影(CAG)。
心电图作为一种诊断心脏病的有效手段被广泛应用于临床，尤其对冠心病的诊断占据着其他医技检查所不能替代的地位。但随着临床研究深入以及冠状动脉介入技术发展，发现很多疾病均可引起心电图变化，心电图存在很大的局限性，尤其是完全阴性结果的心电图反馈给医生的可能是一种假象，特别是心电图对冠心病早期诊断不敏感。冠状动脉造影通过特制定型的心导管经皮穿刺入下肢股动脉，沿降主动脉逆行至升主动脉根部，然后探寻左或右冠状动脉口插入，注入造影剂，使冠状动脉显影。它是一种较为安全可靠的有创诊断技术，已广泛应用于临床，被认为是诊断冠心病的金标准。但由于有创存在一定的生命危险风险性，较难被人们广泛地接受。
心磁图仪(MCG)是低温超导量子干涉技术、计算机自动分析技术等高科技技术结晶，心磁图检查检测心脏切线位变化，从而可以提供多方位、多角度心功能状态。心磁图技术是心脏无创伤性检查领域的最新进展，它的应用填补了常规低灵敏度无创性心脏诊断方法(如心电图)和介入性诊断方法(如冠状动脉造影)之间的空白。相比于心电图测量，超导心磁图具有两大优势：(1)心电图只能测量交变电流信号，不能测量恒定电流信号，从而不能应用于只产生直流异常电信号的病理检测，但心磁图却可同时测量交变和直流磁场信号；(2)心电图测量都需要使用同人体接触的电极片，而电极片干湿程度及与人体接触松紧程度都会影响测量结果，且因使用电极片不能离开人体，故只是2维空间测量，但是心磁图却使用可不与人体接触测量探头，既无接触影响，又可离开人体进行3维空间测量，故能得到比2维空间测量更多的信息。因此，心磁图检查可以对那些心电图检查正常或仅有轻度异常，但有心绞痛症状的患者作出明确诊断，并对缺血程度及缺血部位进行判断，也可以对那些心电图仅有T波改变，而无Q波的心肌梗死患者作出明确诊断(异常Q波是诊断心肌梗死的重要特征，无异常Q波时容易误诊、漏诊)。
发明内容
发明目的：研发一种非屏蔽式心磁图仪，克服现有心电图在临床心脏疾病诊断上的缺陷和不足，提高心脏病诊断结果的敏感性和特异性。
技术方案：非屏蔽式心磁图仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、磁通锁定环、信号放大器、滤波器、数据采集卡、心电图仪、无磁移动床、专家疾病诊断软件信息系统和主机，以低温超导量子干涉器替代传统的电测量传感器作为心脏弱磁信号测量探头，提高心脏弱磁信号探测灵敏度与精度。
超导量子干涉器结合了磁通量子化和约瑟夫森隧道效应两个物理现象，包含由一个射频超导量子干涉器(rf-SQUID)或两个直流超导量子干涉器(dc-SQUID)弱连结(即约瑟夫森结)的超导环构成，可对心脏微弱磁场信号(幅值约10-10T)进行测量。为实现心磁图仪非屏蔽式测量方式，使用空间鉴别技术制成梯度仪来抑制地球磁场干扰。
所述无磁杜瓦的作用是维持超导量子干涉器正常工作所需的低温环境，内部加注液氦作为制冷剂。无磁杜瓦具有内外壁双层结构，且内外壁之间抽成真空，降低了杜瓦内外的热交换，以保持内部液氦的低蒸发率。
所述心电图仪用于采集心电信号，并与心磁图仪同时记录心磁信号，实现两种信号的同步对比，主要目的是利用心电信号作时间参考，对心磁信号作平均处理。
所述磁通锁定环(FLL)的作用是精确测量所测对象心脏磁场信号外磁通变化量，将外磁通变化量与电压关系线性化。
所述无磁移动床采用无磁材料制作，可实现XY方向移动，是由底座、纵向移动平台和横向移动床板三部分组成。
所述信号放大器的基本功能是完成对磁通锁定环输出信号的前端调理及放大微弱电信号信号，它采用两级运算放大器AD729和OP270进行放大，使其幅值达到毫伏(mV)级别。
所述滤波器采用低通滤波器，抑制高频段噪声并提高有用心磁信号的信噪比。
所述数据采集卡将滤波后的模拟心磁信号和心电信号数字化采集为相应的数字心磁信号和数字心电信号，并输出至主机。
所述主机可为普通的个人计算机或其他高端计算机，其作用主要是为心磁图仪的专家疾病诊断软件信息系统提供一个硬件运行平台。所述专家疾病诊断软件信息系统主要功能是将各种诊断参数定量化，诊断过程程序化，减少对经验的依赖，提高心磁图仪诊断结果准确性和特异性。
本发明的优点和有益效果：非屏蔽式心磁图仪是一项国际上最新的无创心功能检查设备，为广大尚未确诊的冠心病病人提供了一个全新、无创伤、高灵敏度的检查仪器。它也可使不愿接受有创检查而长期未确诊的患者尽早确诊或排除冠心病，使病人解除心头之患和思想负担。非屏蔽式心磁图仪有望受到广大医务人员和广大患者，特别是那些不适合做运动试验和插导管以及对心脏导管检查恐惧患者的欢迎。
(1)所述非屏蔽式心磁图仪可以广泛应用于临床心脏疾病无创检查诊断，其中高灵敏度超导量子干涉器可探测微弱的心脏磁场信号(幅值约为10-10T)。
(2)使用空间鉴别技术制成梯度仪来抑制地球磁场干扰,实现了心磁图仪的非屏蔽式检查方式。
(3)所述无磁杜瓦具有内外壁双层结构以保持低液氦的低蒸发率，其材料采用无磁玻璃钢，其磁化率低于10-5Gs/Oe。
(4)所述磁通锁定环可将所述超导量子干涉器接收到的磁场信号转换为电压信号，以便于后期进行数据分析处理。
附图说明
图1是本发明的非屏蔽式心磁图仪结构框图；
图2是生物磁与环境噪声对比图；
图3是本发明射频超导量子干涉器结构框图；
图4是本发明直流超导量子干涉器结构框图；
图5是本发明近场源和远场源线圈示意图；
图6是本发明无磁杜瓦内部结构框图；
图7是本发明磁通锁定环工作原理图；
图8是本发明无磁移动床外观结构图；
图9是本发明专家疾病诊断软件信息系统功能结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
图1所示，非屏蔽式心磁图仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、磁通锁定环、信号放大器、滤波器、数据采集卡、心电图仪、无磁移动床、专家疾病诊断软件信息系统和主机。以低温超导量子干涉器替代传统的电测量传感器作为心脏弱磁信号测量探头，提高心脏弱磁信号探测灵敏度与精度。
心脏跳动时有离子(如Na+、K+)的跨细胞膜运动，细胞膜内外离子及其跨细胞膜运动产生微弱生物电流。由毕奥—萨伐尔定律可知，微弱的生物电同样产生磁场，不受组织和空间的影响，信号不会衰减。生物磁场幅值通常都非常微弱从0.1pT至100pT(图2)，其中1pT＝10-12T。超导量子干涉器对心脏微弱磁场信号(幅值约10-10T)进行测量，它结合了磁通量子化和约瑟夫森隧道效应两个物理现象，包含由一个射频超导量子干涉器(rf-SQUID)(图3)或两个直流超导量子干涉器(dc-SQUID)(图4)弱连结(即约瑟夫森结)的超导环构成。为了将强大的地球磁场去除，实现心磁图仪非屏蔽式测量方式，使用空间鉴别技术制成梯度仪来抑制地球磁场干扰，其技术原理为将一组线圈距探测源(心脏磁场)较近，另一组线圈放置距探测源较远(图5)，如果相同背景噪音源距梯度仪线圈比较远时(远场源)，在梯度仪线圈周围空间分布均匀，无磁场变化，梯度仪对其不敏感。被测人体磁场距离梯度仪线圈很近(近场源)，在梯度仪线圈周围空间分布不均匀，磁场变化可测量。
所述无磁杜瓦的作用是维持超导量子干涉器正常工作所需的低温环境，内部加注液氦作为制冷剂。无磁杜瓦具有内外壁双层结构(图6)，且内外壁之间抽成真空，降低了杜瓦内外的热交换，以保持内部液氦的低蒸发率；其所选材料均采用磁化率低于10-5Gs/Oe的无磁性材料—无磁玻璃钢，无磁性材料可避免在交变磁场作用下出现的感生磁噪声，该无磁玻璃钢为无磁玻璃纤维通过特种环氧粘接剂、聚氨酯固化剂及其他剂粘合固化而成。
图1中的心电图仪用于采集心电信号，并与心磁图仪同时记录心磁信号，实现两种信号的同步对比，主要目的是利用心电信号作时间参考，对心磁信号作平均处理。图1中液氦杜瓦悬挂在人体前胸正上方，杜瓦高度可通过旋转悬挂支架来调节，超导量子干涉器要尽可能靠近杜瓦底部以缩短与前胸之间的距离。
所述磁通锁定环(FLL)的作用是精确测量所测对象心脏磁场信号外磁通变化量，将外磁通变化量与电压关系线性化。其工作原理为(图7)：磁通锁定环是由振荡器提供一个频率为f的交变电流，并加到调制线圈上，通过互感在超导环中产生一个交流调制磁通，由于调制的作用，输出电压成为时间的周期函数。振荡器同时向同步检波器输入频率为f的参考信号，同步检波器只把与参考信号频率相同的基频信号检波，产生一个直流检波输出。
所述无磁移动床采用无磁材料制作(图8)，可实现XY方向移动，是由底座、纵向移动平台和横向移动床板三部分组成。其床面尺寸为:700mm(宽)×1800mm(长)；床面总高度为:550mm；三层之间的距离没有要求，但上面两层(纵向移动平台和移动床板)需要移动，应尽可能轻。其中，XY位移量:±150mm(相对中心线)；移动精度:无要求；控制方式：手动，建议采用手摇移动。
所述信号放大器的基本功能是完成对磁通锁定环输出信号的前端调理及放大微弱电信号信号，它采用两级运算放大器AD729和OP270进行放大，使其幅值达到毫伏(mV)级别。由于心磁信号为极低频信号(频率范围为0～200Hz)，因此所述滤波器采用低通滤波器，抑制高频段噪声并提高有用心磁信号的信噪比。所述数据采集卡将滤波后的模拟心磁信号和心电信号数字化采集为相应的数字心磁信号和数字心电信号，并输出至主机。所述主机可为普通的个人计算机或其他高端计算机，其作用主要是为心磁图仪的专家疾病诊断软件信息系统提供一个硬件运行平台。所述专家疾病诊断软件信息系统(图9)主要功能是将各种诊断参数定量化，诊断过程程序化，减少对经验的依赖，提高心磁图仪诊断结果准确性和特异性。
Claims (8)
1.非屏蔽式心磁图仪，包括超导量子干涉器、无磁杜瓦、磁通锁定环、信号放大器、滤波器、数据采集卡、心电图仪、无磁移动床、专家疾病诊断软件信息系统和主机，其特征在于，以超导量子干涉器替代传统的电测量传感器作为心脏弱磁信号测量探头，提高心脏弱磁信号探测灵敏度与精度；
所述无磁杜瓦的作用是维持超导量子干涉器正常工作所需的低温环境，内部加注液氦作为制冷剂；所述无磁杜瓦具有内外壁双层结构，且内外壁之间抽成真空；
所述信号放大器的基本功能是完成对磁通锁定环输出信号的前端调理及放大微弱电信号，它采用两级运算放大器AD729和OP270进行放大，使其幅值达到毫伏(mV)级别。
2.根据权利要求1所述的非屏蔽式心磁图仪，其特征在于，所述超导量子干涉器包含由一个射频超导量子干涉器或两个直流超导量子干涉器弱连结的超导环构成，可对心脏微弱磁场信号进行测量；为实现心磁图仪非屏蔽式测量方式，使用空间鉴别技术制成梯度仪来抑制地球磁场干扰。
3.根据权利要求1所述的非屏蔽式心磁图仪，其特征在于，所述心电图仪用于采集心电信号，并与心磁图仪同时记录心磁信号，实现两种信号的同步对比。
4.根据权利要求1所述的非屏蔽式心磁图仪，其特征在于，所述磁通锁定环的作用是精确测量所测对象心脏磁场信号外磁通变化量，将外磁通变化量与电压关系线性化。
5.根据权利要求1所述的非屏蔽式心磁图仪，其特征在于，所述无磁移动床采用无磁材料制作，可实现XY方向移动，是由底座、纵向移动平台和横向移动床板三部分组成。
6.根据权利要求1所述的非屏蔽式心磁图仪，其特征在于，所述滤波器采用低通滤波器，抑制高频段噪声并提高有用心磁信号的信噪比。
7.根据权利要求1所述的非屏蔽式心磁图仪，其特征在于，所述数据采集卡将滤波后的模拟心磁信号和心电信号数字化采集为相应的数字心磁信号和数字心电信号，并输出至主机。
8.根据权利要求1所述的非屏蔽式心磁图仪，其特征在于，所述主机可为普通的个人计算机或其他高端计算机，是为心磁图仪的专家疾病诊断软件信息系统提供一个硬件运行平台；所述专家疾病诊断软件信息系统主要功能是将各种诊断参数定量化，诊断过程程序化，减少对经验的依赖，提高心磁图仪诊断结果准确性和特异性。
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