CN106308796A - 基于激光原子磁力计的磁感应成像装置 - Google Patents

基于激光原子磁力计的磁感应成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，包括信号采集处理器、用于产生激励磁场的激励线圈、用于承托被测物体的托板及用于探测电磁场的探测器；所述探测器包括激光光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、四分之一波片、第二反射镜、第二半波片、原子气室、探测线圈、直流电源、第二偏振分光棱镜、第三反射镜、平衡光电二极管接收器、放大电路模块、锁相放大器及射频电源模块；本发明采用了激光原子磁力计结构的探测器，利用原子的磁矩和外磁场之间的相互作用对电磁场进行测量，具有更高的探测灵敏度，能够精确地测量生物组织产生的微弱的电磁场，有利于磁感应成像在医学影像诊断中的推广应用。

Description

基于激光原子磁力计的磁感应成像装置
技术领域
本发明涉及一种磁感应成像装置，特别涉及一种基于激光原子磁力计的磁感应成像装置。
背景技术
X射线在医学上的应用建立了活体解剖学和生理学的新概念，促进了基础医学和临床医学的蓬勃发展。特别是最近20余年间，随着高速计算机的发展，将放射技术、超声波、电磁技术与计算机运算结合，产生了包括CT、超声成像、磁共振成像等在内的一系列高精度、高分辨率的医学影像诊断设备。
虽然目前的检测技术如头颅CT、核磁共振(MRI)及磁共振弥散成像(DWI)等，可以准确判定危重疾病的性质、范围和程度，但是还是无法进行床旁连续的成像，对于病情危重、变化较快，但又不宜反复搬动的患者不能监测其病灶的动态变化，因此对病情演变的及时判断及调整治疗方案受到限制。所以急需一种便携，能够对病人进行连续监护的医学影像诊断设备，尤其重要的是能够有效地检测脑水肿血肿的状况。
磁感应成像(Magnetic Induction Tomography,MIT)是一种新型的成像技术，其基本原理是利用通过正弦电流的激励线圈产生主磁场B，将被测物体置于主磁场B场中，被测物体内部诱导出涡流电流，涡流电流产生的二次磁场ΔB将引起空间中磁场分布发生变化，在检测线圈上检测到B+ΔB，当物体的电导率发生改变，物体内部的涡流电流分布将随之改变，从而检测线圈的电压也发生变化，因此检测线圈电压的变化与电导率分布存在密切的关系，利用重构算法可以实现对被测物体内部电导率分布的图像显示。MIT与传统的医学成像技术不同，MIT采用电阻抗这一全新的物理量为媒介来反映人体内的生理和病理状态。
MIT具有以下四个显著的优点，时间敏感性、易穿透颅骨、无创和安全、便携和便。因此，采用MIT技术运用于临床，将能够有效解决临床上脑血管疾病的早期筛查和动态监护预警的难题，提升诊疗水平，更好地为人民健康服务。但是由于生物组织的电导率非常小，通常在10s/m以下，生物组织在主磁场的作用下，产生的二次磁场十分微弱，而现有的磁感应成像装置难以精确地测量这一微弱的电磁场，从而限制了磁感应成像在医学影像诊断中的推广应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，能够精确地测量生物组织产生的微弱的电磁场，有利于磁感应成像在医学影像诊断中的推广应用。
本发明的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，包括信号采集处理器、用于产生激励磁场的激励线圈、用于承托被测物体的托板及用于探测电磁场的探测器；
所述探测器包括激光光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、四分之一波片、第二反射镜、第二半波片、原子气室、探测线圈、直流电源、第二偏振分光棱镜、第三反射镜、平衡光电二极管接收器、放大电路模块、锁相放大器及射频电源模块；
所述激光光源发射出的激光通过第一半波片后经过第一偏振分光棱镜分成相垂直的泵浦光及检测光，泵浦光通过第一反射镜的反射后通过四分之一波片射入照射原子气室，检测光通过第二反射镜的反射后通过第二半波片射入原子气室；从原子气室射出的检测光经过第二偏振分光棱镜分成相垂直的两束光，其中一束光经过第三反射镜的反射后到达平衡光电二极管接收器的第一信号输入端，另一束光直接到达平衡光电二极管接收器的第二信号输入端；所述直流电源为探测线圈提供直流电流，所述探测线圈为气室提供静态磁场；
所述平衡光电二极管接收器将输入的光信号转换成电信号，电信号经过放大电路模块的放大后送入锁相放大器的检测端；所述射频电源模块提供交流信号到锁相放大器的参考信号端以提供参考频率，同时射频电源模块提供交变的电流驱动激励线圈产生激励磁场，激励磁场在被测物体中诱导出涡流场；所述锁相放大器的幅值和相位信号均输入至信号采集处理器进行处理。
进一步，所述探测线圈为亥姆霍兹线圈。
进一步，所述探测器还包括一用于控制原子气室内温度的温度控制系统，所述温度控制系统包括温度控制器、设在原子气室中的温度传感器及分别设在原子气室上下两端的加热板，所述温度控制器的信号输入端与温度传感器的信号输出端相连，所述温度控制器的信号输出端与加热板的信号输入端相连。
进一步，所述激光光源通过激光稳频处理进行频率锁定。
进一步，所述原子气室内部充填铷原子气体。
进一步，所述托板由三维扫描系统驱动在三维空间中移动，信号采集处理器向三维扫描系统发出控制信号；所述信号采集处理器根据三维扫描系统的空间位置信号及锁相放大器的幅值和相位信号进行图像重构。
本发明的有益效果：本发明的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，采用了激光原子磁力计结构的探测器，利用原子的磁矩和外磁场之间的相互作用对电磁场进行测量，具有更高的探测灵敏度，能够精确地测量生物组织产生的微弱的电磁场，有利于磁感应成像在医学影像诊断中的推广应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，如图所示：本实施例的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，包括信号采集处理器1、用于产生激励磁场的激励线圈2、用于承托被测物体4的托板3及用于探测电磁场的探测器；信号采集处理器1可以是具有数据处理及信号控制的单片机；被测物体4置于托板3上，并随托板3的移动而移动，激励线圈2产生主磁场，将被测物体4置于主磁场中，被测物体4内部诱导出涡流电流，涡流电流产生的二次磁场将引起空间中磁场分布发生变化；所述探测器包括激光光源5、第一半波片6、第一偏振分光棱镜7、第一反射镜8、四分之一波片9、第二反射镜10、第二半波片11、原子气室12、探测线圈13、直流电源14、第二偏振分光棱镜15、第三反射镜16、平衡光电二极管接收器17、放大电路模块18、锁相放大器19及射频电源模块20；激光光源5通过激光稳频处理进行频率锁定，例如可利用二向色性原子蒸气激光稳频技术进行频率锁定；原子气室12内部可充填铷原子气体。
所述激光光源5发射出的激光通过第一半波片6后经过第一偏振分光棱镜7分成相垂直的泵浦光及检测光，泵浦光通过第一反射镜8的反射后通过四分之一波片9射入照射原子气室12，检测光通过第二反射镜10的反射后通过第二半波片11射入原子气室12；从原子气室12射出的检测光经过第二偏振分光棱镜15分成相垂直的两束光，其中一束光经过第三反射镜16的反射后到达平衡光电二极管接收器17的第一信号输入端，另一束光直接到达平衡光电二极管接收器17的第二信号输入端；所述直流电源14为亥姆霍兹线圈提供直流电流，所述探测线圈13为气室提供静态磁场；探测线圈13优选为亥姆霍兹线圈，可提高磁场强度和均匀度。
所述平衡光电二极管接收器17将输入的光信号转换成电信号，电信号经过放大电路模块18的放大后送入锁相放大器19的检测端；所述射频电源模块20提供交流信号到锁相放大器19的参考信号端以提供参考频率，同时射频电源模块20提供交变的电流驱动激励线圈2产生激励磁场，激励磁场在被测物体4中诱导出涡流场；所述锁相放大器19的幅值和相位信号均输入至信号采集处理器1进行处理；平衡光电二极管接收器17是一种克服波动和噪声的平衡接收器，能够消除几乎所有的来自光谱分析的噪声，例如可采用sacher-laser品牌的平衡光电二极管接收器。
本实施例中，所述探测器还包括一用于控制原子气室12内温度的温度控制系统，所述温度控制系统包括温度控制器21、设在原子气室12中的温度传感器及分别设在原子气室12上下两端的加热板22，所述温度控制器21的信号输入端与温度传感器的信号输出端相连，所述温度控制器的信号输出端与加热板22的信号输入端相连。
本实施例中，所述托板3由三维扫描系统23驱动在三维空间中移动，信号采集处理器1向三维扫描系统23发出控制信号；三维扫描系统23可包括若干导轨及驱动电机，能够使托板3在X向、Y向及Z向构成的三维空间中移动；所述信号采集处理器1根据三维扫描系统23的空间位置信号及锁相放大器19的幅值和相位信号进行图像重构。
本装置的工作流程包括三个阶段：预热阶段、初始化阶段和正式测量阶段。预热阶段将射频电源模块20工作，激励线圈2发热趋于平衡，使激励磁场稳定；将亥姆霍兹线圈的电源模块工作，线圈发热趋于平衡，使静态场磁场稳定；温度控制系统加热，使气室的温度稳定。激光光源5预热工作，频率锁定。通过调整三维扫描系统23，坐标回到原点，每移动一个坐标点，测试一组幅值和相位数据，直到扫描结束，计算机图像重构。
本实施例的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，采用了激光原子磁力计结构的探测器，利用原子的磁矩和外磁场之间的相互作用对电磁场进行测量，具有更高的探测灵敏度，能够精确地测量生物组织产生的微弱的电磁场，有利于磁感应成像在医学影像诊断中的推广应用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，包括信号采集处理器、用于产生激励磁场的激励线圈、用于承托被测物体的托板及用于探测电磁场的探测器；其特征在于：
所述探测器包括激光光源、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、四分之一波片、第二反射镜、第二半波片、原子气室、探测线圈、直流电源、第二偏振分光棱镜、第三反射镜、平衡光电二极管接收器、放大电路模块、锁相放大器及射频电源模块；
所述激光光源发射出的激光通过第一半波片后经过第一偏振分光棱镜分成相垂直的泵浦光及检测光，泵浦光通过第一反射镜的反射后通过四分之一波片射入照射原子气室，检测光通过第二反射镜的反射后通过第二半波片射入原子气室；从原子气室射出的检测光经过第二偏振分光棱镜分成相垂直的两束光，其中一束光经过第三反射镜的反射后到达平衡光电二极管接收器的第一信号输入端，另一束光直接到达平衡光电二极管接收器的第二信号输入端；所述直流电源为探测线圈提供直流电流，所述探测线圈为气室提供静态磁场；
所述平衡光电二极管接收器将输入的光信号转换成电信号，电信号经过放大电路模块的放大后送入锁相放大器的检测端；所述射频电源模块提供交流信号到锁相放大器的参考信号端以提供参考频率，同时射频电源模块提供交变的电流驱动激励线圈产生激励磁场，激励磁场在被测物体中诱导出涡流场；所述锁相放大器的幅值和相位信号均输入至信号采集处理器进行处理。
2.根据权利要求1所述的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，其特征在于：所述探测线圈为亥姆霍兹线圈。
3.根据权利要求2所述的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，其特征在于：所述探测器还包括一用于控制原子气室内温度的温度控制系统，所述温度控制系统包括温度控制器、设在原子气室中的温度传感器及分别设在原子气室上下两端的加热板，所述温度控制器的信号输入端与温度传感器的信号输出端相连，所述温度控制器的信号输出端与加热板的信号输入端相连。
4.根据权利要求3所述的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，其特征在于：所述激光光源通过激光稳频处理进行频率锁定。
5.根据权利要求4所述的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，其特征在于：所述原子气室内部充填铷原子气体。
6.根据权利要求4所述的基于激光原子磁力计的磁感应成像装置，其特征在于：所述托板由三维扫描系统驱动在三维空间中移动，信号采集处理器向三维扫描系统发出控制信号；所述信号采集处理器根据三维扫描系统的空间位置信号及锁相放大器的幅值和相位信号进行图像重构。
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