CN105147289B - 基于原子磁力计的meg系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于原子磁力计的MEG系统及方法。给出了在实际操作中可自由拆卸组装的脑磁图仪的设计方案，解决了实际使用中要隔热、避免额外磁场干扰的问题；并在所有，或者有代表性的磁力计中加入陀螺仪来获取磁力计方向，鉴于脑磁帽在加载了大量的磁力计阵列之后是一个很大的系统，处于技术原因和经济因素，本发明给出了集成化处理光学信号的方法，这样做可以提高MEG的空间分辨率，减小技术上的复杂度，同时有较好的经济效应。
Description
技术领域
本发明涉及脑磁成像领域，尤其涉及使用光泵原子磁力计搭建的脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)系统及方法。
技术背景
脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)是一种通过测量神经电流在头外产生的磁场来推断头内脑活动的无损脑功能，脑成像和脑疾病诊断的技术。脑磁图的时间分辨率小于一毫秒，定位皮层活动的空间分辨率在2-4毫米左右。利用测量的脑磁场分布，在合适的源模型下，可以唯一的确定皮层上因受到刺激而产生活动的神经元位置。脑磁图可用以研究包括脑的自发和诱发活动在内的多种脑神经活动过程，在临床上用以对癫痫病灶的定位。脑磁图的研究对于人类认识脑，开发脑，治愈脑疾病都有重要的意义。
现有的脑磁图，以超导量子干涉仪(Superconducting Quantum InterferenceDevices，SQUID)为核心器件。SQUID的探测灵敏度理论上可以达到1fT(10-15T)，实际商用的脑磁图的探测灵敏度为2-3fT。用于探测磁场强度为50-500fT的脑磁场时，其测量的灵敏度是足够的。但是SQUID需要工作在超导条件下，而超导条件的维持需要使用液氦来维持低温，这导致现有的脑磁图的采购成本和运行成本都非常昂贵，大大阻碍了脑磁图的实际推广应用。
在过去的几十年中，有一种新型的探测磁场的仪器被发展起来，即光泵原子磁力计(Optical Pumping Atomic Magnetometer)。这类原子磁力计以一个充满碱金属气体的小腔为核心，首先利用圆偏振的光使得里面的碱金属原子整体极化，然后照射线偏振光，极化的碱金属在外磁场中会发生偏转，这使得探测光的偏振方向发生偏转，通过探测光的偏振的信息即可测得所处位置的磁场的强度。目前，原子磁力计可达到的精度为6fT，同时体积非常小，探头的体积仅为10mm3，已经可以取代SQUID作为MEG的核心器件。更进一步，原子磁力计有望通过合适的测量的手段，同时测得三维磁场矢量的信息，大大强于现有的SQUID的能力，有望使得脑磁仪获得更高的空间分辨率和源定位准确度。最重要的是，基于原子磁力计的MEG可以在常温下进行测量，仅仅需要在小范围内进行小功率的加热(对蒸汽小腔进行加热)，这样，对比于需要用液氦降温的基于SQUID的脑磁图，采购和运行的成本将大大下降，有利于脑磁图的推广使用。
虽然目前对于原子磁力计的基础技术验证工作已经完成，但并没有成型的脑磁图的产品或者实际可行的脑磁系统出现，或者说现有的对脑磁图的设计在真正实用时尚存在一些问题，本发明将就基于原子磁力计搭建脑磁图系统提出技术实现方案。
发明内容
本发明的目的是提供基于原子磁力计的MEG系统及方法，可用于脑磁图的实际推广使用。
以下为具体实现方案：
基于原子磁力计的MEG系统，包括：
脑磁帽，设有用于搭载原子磁力计的接口；
原子磁力计，包括：蒸汽小腔，双线绕线柱，调制线圈，陀螺仪，光纤和反射镜，所述蒸汽小腔中包含碱金属气体，所述双线绕线柱用于通过电流对所述蒸汽小腔进行加热，所述陀螺仪用于获得原子磁力计的方向信息，所述调制线圈用于测量三维磁场，所述原子磁力计中包含的光路为激发光路和测量光路，所述测量光路为经由光纤的入射光路、经反射镜改变方向后穿过蒸汽小腔的光路和再次经反光镜改变方向后的出射光路；每个原子磁力计上均单独设有保温装置；
法拉第旋光设备，位于入射到原子磁力计的入射光路上，用于调制探测光；
分光处理设备，位于从原子磁力计出射的出射光路上，用于对来自原子磁力计的出射光进行处理；
所述原子磁力计，法拉第旋光设备和分光处理设备之间通过光纤相连接；
后续数据处理设备，用于根据获得的三维矢量或者标量磁场的信息对脑磁发生源进行溯源和定位。
本发明以可测三维磁场的原子磁力计为基础，设计了一个搭载磁力计阵列的脑磁帽。脑磁帽以不会产生电磁干扰的弹性材料制成(如纤维和硅胶等)能够包住被试头部，并且借助下颌处的弹性带可以与被试头部固定。脑磁帽有一定的伸缩特性，能够适应不同头型，并且使得被试感到舒适。
脑磁帽上密集排列磁力计的接口，可以方便地将磁力计插入。优选地，接口的外形为方形，便于位置的确定和制造。
采用基准点定位方法确定脑磁帽上搭载有原子磁力计的接口位置。
在每个(或者空间分布均匀且分散的多个)磁力计中加入陀螺仪，借助陀螺仪来获得磁力计的指向，从而可以三维的磁场信息出发来进行脑磁源的定位。
脑磁帽上的原子磁力计仅仅包含有测量探头的敏感元件以及部分必须的光路，而将激发用的激光、探测的激光、对激光进行分析处理的光路通过光纤来传导，然后进行集中处理。具体的，本发明提出在入射的集成光路上加上用以调制探测光的法拉第旋光设备；并且对携带有信号的出射激光，我们采用集成化的分光处理设备，在一个比较大的光学元件并行地完成上百道光路的处理。
上述原子磁力计还包括磁场隔离层，该磁场隔离层由高磁导率材料制成。
在每个磁力计上均使用能满足要求的保温材料，即有足够低的热导率(在设计的时间内能够使蒸汽小腔的温度保持足够高的水平)，同时不会产生额外的电磁干扰的保温材料，例如绝热瓷层涂料。一方面，自然隔绝高温，使得被试无灼烧感；另一方面，减小通电加热的需求，使得测量更连续。
上述分光处理设备包括：光纤，分光棱镜，光电二极管和锁频放大器，所述光纤用于传导光信号，所述分光棱镜用于对照射到分光棱镜上的光信号进行分光，所述光电二极管用于将光信号转化为电信号，所述锁频放大器用于提取调制信号。
在加载调制磁场以获得待测磁场的三维信息的过程中，使用不同的调制的频率，通过后期处理，可以有效地提取出当前位置的磁场的信息，将周围的磁场的影响消除。优选的，在使用不同频率的调制磁场的时候只要让邻近的几个磁力计有不同的频率即可，距离比较远的磁力计之间的影响无需再考虑。
采用上述MEG系统获得脑磁图的方法，包括以下步骤：
1)将脑磁帽戴到被试头部，并根据实际测量需要选择测量时使用的原子磁力计的位置，数量和密度，将原子磁力计插入相应的接口；
2)通过陀螺仪获得各原子磁力计的方向信息，将这些方向信息作为参数，输入后续数据处理设备中；
3)使用之前先对双线绕线柱通电流将蒸汽小腔加热到工作温度；
4)切断加热电流，利用保温装置将各原子磁力计保持在工作温度，并在激发光路中加入激发用的激光使得蒸汽小腔中的碱金属原子激发而极化；
5)将经过法拉第旋光设备调制的探测光通过光纤分多路传导，分别加载到各原子磁力计的入射光路上进行测量，并利用分光处理设备对来自各原子磁力计的出射光进行处理；
6)通过后续数据处理设备计算得到磁场的信息，并进行脑磁源的定位。
进一步地，使用基准点法获得各个原子磁力计的位置，具体方法为：首先预设大脑的特征点以作为基准点，将标记着脑磁帽原点的相应的接口调整到预设的大脑的特征点的交点上，并同时调整另外几个事先选定好的头颅特征位置与脑磁帽的接口的位置符合，然后根据上述基准点的信息推算出别的磁力计接口的位置。具体的位置数据的对应，可以根据事先测量好的位置获得。
进一步地，步骤5)中利用分光处理设备对来自各原子磁力计的出射光进行处理的过程包括：将原子磁力计各光纤中的出射光按照一定编号照射到分光棱镜上形成一个阵列，将分光之后的光信号分别再通过光纤传导，照射到光电二极管上，将光信号转化为电压信号，再通过锁频放大器提取出感兴趣的调制信号。
上述方法还包括：在使用原子磁力计前，在绕线柱及调制线圈的电流通路中通电，测试电流信号是否正常；在激发光路和测量光路中通光，测量是否能够接收到返回的光的信号。
本发明的有益效果如下：
(一)本发明着重解决在实际构建MEG中会遇到的问题，提出了脑磁帽的设计方案，给出了在实际操作中可自由拆卸组装的脑磁图仪的设计方案，并且解决了实际使用中要隔热、避免额外磁场干扰的问题。
(二)为了能够使用三维磁场的信息来获得更好的成像结果，本发明提出在所有，或者有代表性的磁力计中加入陀螺仪来获取磁力计方向的方法。
(三)鉴于脑磁帽在安装大量的磁力计阵列之后是一个很大的系统，出于技术原因和经济因素，本发明给出了集成化处理光学信号的方法，可以有效提高MEG的空间分辨率，减小技术复杂度，同时有较好的经济效应。
附图说明
图1为本发明中使用的原子磁力计的探测部分的光路图，其中：1为蒸汽小腔；2，3为反光棱镜；4，5为光纤；6为激发用激光束；7，8，9为探测光光路；10，11，12，13，14，15为绕线柱；16为保温罩；17，18为调制线圈；19.1‐19.4为磁场隔离层；20为陀螺仪；
图2为本发明提出的脑磁帽的结构示意图，其中：21为脑磁帽；22为磁力计探测头；
图3为本发明提出的集成化光路处理系统的示意图，其中：31为分光棱镜；32为入射光通过的光纤阵列；33，34为出射光通过的光纤阵列；35为通过光纤传输的光在分光界面上光斑的示意；
图4为本发明中使用的基准点定位法的说明图，其中：36为大脑特征点；37为磁力计接口；
图5为进行磁场调制以获得磁场三维矢量信息时调制频率设定示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便于本领域技术人员对本发明更为彻底的理解。应该明白的是，本文公开的仅是具有代表性的一种较佳实施例。显然，本发明并不局限于本文所描述的任何具体结构、功能、器件和方法，也可以具有其他实施方式，或者是其他实施方式的组合。本发明中所描述或者附图中所展示的元素数目也可以任意根据需要改变。此外，为避免其他例与本发明发生混淆，对于本领域中众所周知的一些技术特征和细节未进行描述。
本发明中使用的原子磁力计的探测部分的光路图如图1所示，蒸汽小腔1中充满了碱金属蒸汽和氮气氦气，2，3为反光棱镜，4，5为光纤，6为激发用激光束，7，8，9为探测激光束的光路，为减小磁场干扰，加热用的绕线柱10，11，12，13，14，15采用双线绕结构，保温罩16顶部可拆卸，以便于装入内含的元件，17，18为测三维磁场时使用的调制线圈，磁场隔离层19.1‐19.4由高磁导率材料制成，仅在与被测磁场接触的底部是开口的，其余部分一体成形，在顶部仅开有可将光纤以及导线(未画出)连出的小孔，20为陀螺仪，陀螺仪安排在此处仅是一种设计示意，在实际制作时可置于任何合适的位置或使用集成方式。
使用时，进行光路和电路的测试，确定各个组件以及光路电路是完整且正常的，具体方法为：在绕线柱10，11，12，13，14，15的加热通路及调制线圈17，18的电流通路中通电，测试电流信号是否正常；在激发光路(激发用激光束6所在光路)和测量光路(探测激光束的光路7，8，9)中通光，测量是否能够接收到返回的光的信号。
本发明提出的脑磁帽的结构如图2所示，脑磁帽21由纤维或其他弹性材料制成，在下部可以加入弹性带，以便固定。在使用时，将大小合适的脑磁帽21戴到被试头部，使其感觉舒适。按照本发明的设计，脑磁帽21在使用的时候可以完全贴合被试的头部，并且不会随着被试头部的晃动而与被试的头部发生相对位移，因而可以减小因使用中位置偏移而带来的误差。
根据使用时的需要，自行选择测量时使用的磁力计的位置和使用的磁力计的数量和密度。直接将磁力计插入相应的接口即可。磁力计探测头22在脑磁帽21上的接口如图2所示，接口可以是结构简单的矩形状，也可以是其他各种形状，同时图中也示出了一种磁力计探测头22在脑磁帽21上的排布阵列，也可以有其他排布方式。
需要注意的是，在本方案中，插入的仅是含蒸汽小腔和部分核心光路的小探测头，而非完整独立的磁力计，有大量的光路都在外部集成。这样可以减小磁力计的体积，提高空间分辨率；减小整个脑磁帽的体积，提升便携性；减小组装的复杂度，提高数据处理的准确度；减少使用的元器件数目，便于后期的维护。
使用基准点法获得各个磁力计的位置，具体方法为：首先精确获得基准点的位置信息，具体来讲就是将标记着脑磁帽原点的相应接口调整到预设的大脑的特征点36(如图4所示，图中特征点取了4个，左右耳，鼻根和枕骨隆突)的交点上，比如说双耳连线与鼻根点和枕骨隆突连线的交点上，并同时调整另外几个事先选定好的头颅特征位置与脑磁帽的接口的位置符合。然后就可以根据这些基准点的信息推算出别的磁力计接口37的位置，各接口对应的具体位置数据，可以根据事先测量好的位置对应表获得。
通过陀螺仪获得各磁力计的方向信息。优选的，不需要每个磁力计上面都有陀螺仪，可以在某几个磁力计上搭载陀螺仪，由这几个陀螺仪的信息，通过计算即可将各个磁力计的方向信息校准到一定的误差范围内。将这些方向信息作为参数，输入脑磁源定位的软件中，即可在后续的工作中，以磁力计的方向为基准获得待测磁场的三维矢量信息，进而可以获得更高空间分辨率并且源定位更准确的脑磁源信息。
给由双线绕成的绕线柱10，11，12，13，14，15通电，将蒸汽小腔1加热到合适的温度。需要注意的是，在本发明中使用的探测器上，每一个都单独包含有保温装置，这将带来两方面的好处。
下面分析原因，一方面，由于磁力计需要工作在100-200摄氏度的区间上，并且磁力计需要尽可能地贴近大脑来获取尽可能大的信号，因而需要采取一定的措施来使得佩戴者感觉舒适而没有灼烧感。现有的磁力计考虑的几种方法是在整个脑磁图上使用整块的隔热装置来隔绝高温，或者使用一些主动的方法(如通过各种流体带走热量)来降温。但是使用整块的隔热板的时候会造成磁力计无法自由伸缩，从而无法完美贴合头部，这会造成数据处理上的麻烦并带来误差。另一方面，维持磁力计的蒸汽小腔在高温下需要加热。而加热会带来额外的电磁场的干扰，为此，现有的解决方案为：在测量的时候将加热电流关闭或者说使用高频的加热电流最后在数据处理时将相应的高频信号去除。前者会造成测量的不连续，后者增加数据处理的复杂度，并且必然会引入一定的误差。
对于隔热和加热这两方面的问题，采用本发明提出的方案后均可解决。方法如下，使用之前先通过电流进行加热；切断电流后，保温材料可以在相当一段时间内保持磁力计处于足够的工作温度中而不需要不断通电。这样就可以连续测量，并且，因为热量耗散很慢，自然就可满足隔热的要求。同时，因为每一个探测器独立携带保温装置，可以灵活改变脑磁帽的形状。此外，因为保温材料是模块化的，可以直接组装上去的，在加工上不会带来大的麻烦。
切断加热的电流，在激发光路中加入激发用的激光，使得碱金属原子激发而极化。
如果需要测量三维磁场信息，则加载调制的磁场；如果仅要求测量某一个方向的磁场，则不需要通调制电流。在加载调制磁场的过程中，由于调制电流的磁场不可避免地会对周围磁力计的测量产生影响。为此需要在相邻的磁力计中使用不同频率的调制磁场。如附图5中所示，图中的调制频率仅作为示意，并且在实际使用中，并非一定是相邻的调制频率不同即可，需要根据实际调制磁场的强弱，磁力计的距离和磁力计的灵敏度等各方面因素在综合考虑后方可确定。
将经过法拉第旋光器调制的探测光通过光纤分光，分别加载到各磁力计的光入射路上进行测量。
如附图3所示，将各光纤中的出射光信号(即图中入射光通过的光纤阵列32)按照一定编号照射到一个大的分光棱镜31上形成一个阵列，将分光之后的光信号(即图中出射光通过的光纤阵列33，34)分别再通过光纤传导，照射到光电二极管上，将光信号转化为电信号，然后将信号转化为电压信号，再通过锁频放大器提取出我们感兴趣的经过了调制了的信号。需要注意的是，在附图3中仅仅画出了6道光路，对应图中通过光纤传输的光在分光界面上光斑35，而在实际使用中可能用到上百道光路，该方法同样可以涵盖，为简明起见，仅仅示意。
通过计算得到磁场的信息，可以是三维矢量的磁场的信息，也可以是某个方向上的磁场的信息因在测量时是否同调制电流而异。
根据获得的磁场信息，使用相应软件进行脑磁源的定位。
Claims (10)
1.基于原子磁力计的MEG系统，包括：
脑磁帽，设有用于搭载原子磁力计的接口；
原子磁力计，包括：蒸汽小腔，双线绕线柱，调制线圈，陀螺仪，光纤和反射镜，所述蒸汽小腔中包含碱金属气体，所述双线绕线柱用于通过电流对所述蒸汽小腔进行加热，所述陀螺仪用于获得原子磁力计的方向信息，所述调制线圈用于测量三维磁场，所述原子磁力计中包含的光路为激发光路和测量光路，所述测量光路为经由光纤的入射光路、经反射镜改变方向后穿过蒸汽小腔的光路和再次经反光镜改变方向后的出射光路；每个原子磁力计上均单独设有保温装置；
法拉第旋光设备，位于入射到原子磁力计的入射光路上，用于调制探测光；
分光处理设备，位于从原子磁力计出射的出射光路上，用于对来自原子磁力计的出射光进行处理；
所述原子磁力计，法拉第旋光设备和分光处理设备之间通过光纤相连接；
后续数据处理设备，用于根据获得的三维矢量或者标量磁场的信息对脑磁发生源进行溯源和定位。
2.如权利要求1所述的基于原子磁力计的MEG系统，其特征在于，所述脑磁帽以不会产生电磁干扰的弹性材料制成，能够包住被试头部，并且借助下颌处的弹性带与被试头部固定。
3.如权利要求1所述的基于原子磁力计的MEG系统，其特征在于，采用基准点定位方法确定脑磁帽上搭载有磁力计的接口位置。
4.如权利要求1所述的基于原子磁力计的MEG系统，其特征在于，还包括磁场隔离层，所述磁场隔离层由高磁导率材料制成。
5.如权利要求1所述的基于原子磁力计的MEG系统，其特征在于，所述分光处理设备包括：光纤，分光棱镜，光电二极管和锁频放大器，所述光纤用于传导光信号，所述分光棱镜用于对照射到分光棱镜上的光信号进行分光，所述光电二极管用于将光信号转化为电信号，所述锁频放大器用于提取调制信号。
6.如权利要求1所述的基于原子磁力计的MEG系统，其特征在于，相邻的原子磁力计使用不同频率的调制磁场。
7.采用权利要求1-6任一所述的MEG系统获得脑磁图的方法，包括以下步骤：
1)将脑磁帽戴到被试头部，并根据实际测量需要选择测量时使用的原子磁力计的位置，数量和密度，将原子磁力计插入相应的接口；
2)通过陀螺仪获得各原子磁力计的方向信息，将这些方向信息作为参数，输入后续数据处理设备中；
3)使用之前先对双线绕线柱通电流将蒸汽小腔加热到工作温度；
4)切断加热电流，利用保温装置将各原子磁力计保持在工作温度，并在激发光路中加入激发用的激光，使得蒸汽小腔中的碱金属原子激发而极化；
5)将经过法拉第旋光设备调制的探测光通过光纤分多路传导，分别加载到各原子磁力计的入射光路上进行测量，并利用分光处理设备对来自各原子磁力计的出射光进行处理；
6)通过后续数据处理设备计算得到磁场的信息，并进行脑磁源的定位。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使用基准点法获得各个原子磁力计的位置，具体方法为：首先预设大脑的特征点以作为基准点，将标记着脑磁帽原点的相应的接口调整到预设的大脑的特征点的交点上，并同时调整另外几个事先选定好的头颅特征位置与脑磁帽的接口的位置符合，然后根据上述基准点的信息推算出别的磁力计接口的位置。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤5)中利用分光处理设备对来自各原子磁力计的出射光进行处理的过程包括：将原子磁力计各光纤中的所有出射光按照一定编号照射到一个分光棱镜上形成一个阵列，将分光之后的光信号分别再通过光纤传导，照射到光电二极管上，将光信号转化为电压信号，再通过锁频放大器提取出感兴趣的经过了调制的信号。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：在使用原子磁力计前，在绕线柱及调制线圈的电流通路中通电，测试电流信号是否正常；在激发光路和测量光路中通光，测量是否能够接收到返回的光的信号。
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