CN109152545A - 生物磁场测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物磁场测量装置。本发明的目的在于提供改进的生物磁场测量装置，特别是能够在临床实践中实现可靠生物磁场测量的生物磁场测量装置。为了解决上述问题，本发明提供了一种生物磁场测量装置，包括布置在传感器平面的阵列上的多个磁场传感器，所述多个磁场传感器由多个设计并配置成测量所述磁场的第一分量的第一磁场传感器、多个设计并配置成测量所述磁场的第二分量的第二磁场传感器、及多个设计并配置成测量所述磁场的第三分量的第三磁场传感器，所述磁场的第一、第二及第三分量彼此正交，并且从垂直于所述传感器平面的角度来观察，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器基本上布置于中心位置处，且所述第三磁场传感器基本上围绕所述第一及第二磁场传感器布置。

Description

生物磁场测量装置
技术领域
本发明涉及生物磁场测量装置。
背景技术
生物磁场测量装置是众所周知的。此类测量微弱生物磁场(例如，由肌肉或神经组织产生)的装置的例子为心磁波描记器(Magnetocardiographs)和脑磁波描记器(Magnetoencephalographs)，其是分别用于测量由心脏和脑的电活动产生的非常弱的磁场。US5,113,136、US5,644,229、US6,230,037B1、US6,424853B1、US6,842,637B2、US7,194,121B2中介绍了生物磁场测量装置。心磁图(MCG)和脑磁图(MEG)是用于检查对象心脏或脑的异常情况或疾病所建立的无创性方法。
目前已进行了多项尝试来改进生物磁场测量装置，例如，在使用矢量心磁图系统方面(参见，例如，Thiel et al.2005,The 304SOUIDs vector magnetometer system forbiomagnetic measurements in the Berlin Magnetically Shielded Room 2,Biomed.Technik(Biomedical Engineering)50,169-170；Schnabel et al.2004,Discrimination of Multiple Sources Using a SOUID Vector Magnetometer,Neurology&Clinical Neurophysiology 2004:67；et al.,2000,Cardiacmultichannel vector MFM and BSPM of front and back thorax,In:Nenonen J,Ilmoniemi RJ,Katila T,(ed.),Biomag2000,Proceedings of the 12th Int Conf onBiomagnetism；2000Aug 13-17；Espoo,Finland；Espoo:Helsinki Univ.Of Technology；2001,583-6；Drung,D.,1995,The PTB 83-SQUID system for biomagnetic applicationsin a clinic,IEEE Transactions on Applied Superconductivit5,2112-2117,doi:10.1109/77.403000；US 5,644,229)。
然而，例如，考虑到灵敏度和信号质量，仍然需要对生物磁场测量装置作出改进。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的生物磁场测量装置，特别是一种能够在临床实践中实现可靠的生物磁场测量的生物磁场测量装置。
为了解决上述问题，本发明提供了一种生物磁场测量装置，包括布置在传感器平面内的阵列上的多个磁场传感器，所述多个磁场传感器由多个设计并配置成测量所述磁场的第一分量的第一磁场传感器、多个设计并配置成测量所述磁场的第二分量的第二磁场传感器、及多个设计并配置成测量所述磁场的第三分量的第三磁场传感器，所述磁场的第一、第二及第三分量彼此正交，并且从垂直于所述传感器平面的角度来观察，所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器基本上布置于中心位置处，且所述第三磁场传感器基本上围绕所述第一及第二磁场传感器布置。
已经发现，本发明生物磁场测量装置的传感器布置和配置能够实现微弱生物磁场(例如，起源于心脏或脑)的灵敏、鲁棒测量。本发明的装置对磁场源(例如，心脏或脑)的细小变化尤其敏感。因此，本发明的装置特别适于那些电流/磁矩的细小变化极其重要的情况(例如，分离左前降支冠状动脉疾病(“LAD疾病”))的检查。本发明的装置还为更好的反解性能(即，由测得的磁场数据对源内电流或磁矩的更精确重建)提供了支持。此外，本发明的装置对相对于源(例如，心脏中心)的偏移比较不敏感，使得本发明的装置特别适于用于临床环境中。
术语“生物磁场”是关于细胞、组织或器官(如，心脏或脑组织)中的电流产生的磁场。
本文中所使用的术语“磁场传感器”是指能够测量(生物)磁场的传感器。优选SQUID(“超导量子干涉仪”，参见Fagaly,R.L.,2006,Superconducting quantuminterference device instruments and applications,Rev.Sci.Instrum.77,101101,doi:10.1 063/1.235 4545)作为传感器。术语“1-轴磁场传感器”、“2-轴磁场传感器”或“3-轴磁场传感器”是指仅测量磁场的三个正交分量(x,y,z)中的一个、两个或三个的磁场传感器，即，“3-轴磁场传感器”例如是测量全部三个维度上的磁场分量的磁场传感器。术语“2-轴磁场传感器”包含由至少两个测量磁场的正交x-分量和y-分量、x-分量和z-分量、或y-分量和z-分量的磁力计(magnetometers)或梯度仪(gradiometers)组成的传感器。类似地，术语“3-轴磁场传感器”包含由至少三个测量磁场的正交x-分量、y-分量及z-分量的磁力计或梯度仪组成的传感器。
术语“传感器平面”是关于传感器，特别是其磁场感应元件(例如，检测线圈)，所在的平面。术语“传感器平面”并于意于从严格的数学角度上限定一平面，即二维结构，而是关于传感器所布置在的二维或三维(虚拟)层。在多数情况下，所述传感器平面基本平行于x-y平面。
关于磁场的术语“第一分量”、“第二分量”或“第三分量”是指磁场的正交分量。作为替代，也可以使用术语“x-分量”(对于，例如，第一分量)、“y-分量”(对于，例如，第二分量)及“z-分量”(对于，例如，第三分量)。该些术语是指任一组正交磁场分量的分量，而不被限制为这些术语关于例如人体平面或轴的特定含义。特别地，术语“x-分量”和“y-分量”优选分别是指由人体表面(例如，人体胸腔的前面或背面、或颅表面)形成的或平行于人体表面的平面(x-y平面)的x-轴和y-轴方向上的磁场分量。术语“z-分量”优选特别是关于z-轴方向上的分量，即，垂直于x-y平面。当测量人体心脏磁场时，对x-轴的指代优选对应于对右至左轴的指代，对y-轴的指代优选对应于对头至脚轴的指代，对z-轴的指代优选对应于对前后轴的指代，其中，“右”、“左”、“头”、“脚”和“前后”是相对于人体而言。
本文所使用的术语“源”是指单个或多个生物磁场的来源，例如，心脏或脑。该术语包含对参考点源的指代，即对被视为心脏或脑、或心脏或脑组织的全部电和/或磁活动的来源的点的指代。
术语“反解(inverse solution)”是指对反问题的解。本领域技术人员熟悉此问题，并且熟悉找出反解的方法，即解反问题的方法。在本发明的上下文中，术语“反解”是指利用在“传感器空间”(即心脏或脑外部)测得的数据重建例如心脏或脑活动(即“源空间”中真实的电和/或磁活动，该源为心脏或脑，特别是指心脏)的方法。
术语“反解性能”是关于由针对给定源测得的磁场数据计算出的该源的反解的质量。所述“反解性能”可以例如通过取/模拟给定电流源、计算源的正解(forward solution)并将所述正解与由测得的或模拟的源的磁场数据计算出的反解进行比较来进行评估。
本文所使用的术语“对象”优选是指脊椎动物，更优选是指哺乳动物，最优选是指人。
磁场传感器被设计和配置成测量磁场特定分量(即，第一、第二及第三分量(x-分量、y-分量或z-分量))的表达是指所述磁场传感器是以只测量磁场的各自分量的方式进行构造和调整。这并不排除磁场传感器以使其能够测量磁场其它分量之一者或之二者的方式进行构造。因此，磁场传感器可以例如被构造成包括用于检测所述三个磁场分量中的每一个分量的磁力计或梯度仪，使得在需要时检测器所测量的磁场分量可以改变。因此，磁场传感器被设计和配置成测量例如生物磁场的x-分量的表达是指磁场传感器可被构建成还能够测量磁场的y-分量和/或z-分量，但配置成只测量x-分量。此种配置可例如通过各自的开关或通过软件设立。
根据本发明，具有三部分或三组磁场传感器，测量生物磁场的不同分量并且在空间上以特定方式布置。第一组磁场传感器测量生物磁场的第一分量(x-分量)，第二组磁场传感器测量生物磁场的第二分量(y-分量)，且第三组磁场传感器测量磁场的第三分量(z-分量)。所述第一、第二、及第三磁场传感器以使得从垂直于所述传感器平面的方向来观察，所述第一磁场传感器和第二磁场传感器基本上设置在中心位置，且所述第三磁场传感器基本上围绕所述第一和第二磁场传感器布置。如前面已经提到的，所述第一、第二及第三磁场传感器都能够以它们还能够测量磁场的其它分量之一者或之二者的方式被构造，如果被配置成要这样做的话。然而，根据本发明，所述第一组磁场传感器被配置成测量生物磁场的x-分量，而第二和第三组磁场传感器被配置成测量生物磁场的y-分量和z-分量。所述多个磁场传感器优选被包含在合适的壳体中，例如，现有技术中已知的杜瓦瓶(Dewar vessel)。
在本发明生物磁场测量装置的优选实施例中，测量生物磁场的第一分量(x-分量)的第一磁场传感器的数量等于测量生物磁场的第二分量(y-风量)的第二磁场传感器的数量。
在本发明生物磁场测量装置的特别优选实施例中，所述第一磁场传感器中的每一个在空间上都与第二磁场传感器相关联，使得其二者在源的基本相同的位置上测量磁场分量。在本发明生物磁场测量装置的此实施例中，所述第一和第二磁场传感器形成测量生物磁场的x-分量和y-分量的传感器对。在此要注意的是，所述传感器对可包括在相同的壳体中，由此可形成2-D-传感器，即，结合两个(或更多个)测量生物磁场的两个分量(在此情况下为x-分量和y-分量)的1-D-传感器的传感器。如上面所提到的，还可以使用3-D-传感器，即，结合三个1-D-传感器的传感器，然而，这三个1-D-传感器被配置成只测量生物磁场的x-分量和y-分量。
当从垂直于所述传感器平面的方向观察时，所述磁场传感器阵列在其横截面或覆盖区域方面可具有若干形状，例如，基本呈圆形、椭圆、多边形或矩形的形状。在任一情况下，所述第一和第二组磁场传感器都布置在中心位置，所述第三组磁场传感器布置在周围。在本发明生物磁场测量装置的优选实施例中，(a)当从垂直于所述传感器平面的方向观察时，所述磁场传感器阵列基本呈圆形，(b)所述第一磁场传感器和第二磁场传感器布置在所述阵列的基本呈圆形区域的中心，及(c)所述第三磁场传感器基本布置在围绕所述第一及第二磁场传感器的圆形区域内。
根据本发明的生物磁场测量装置可具有任意合适数量的磁场传感器，例如，32个、64个、102个或更高数量的磁场传感器。优选地，所述第一及第二磁场传感器的数量高于所述第三磁场传感器的数量。优选地，所述第一和第二磁场传感器的数量与所述第三磁场传感器的数量的关系为约2-5:1，优选2.5-4:1或2.5-3:1。
在一个实施例中，根据本发明的生物磁场测量装置可例如包括64个磁场传感器，其中，24个第一磁场传感器和24个第二磁场传感器布置在所述阵列的基本呈圆形部分的中心，且16个第三磁场传感器基本布置在围绕含有所述第一磁场传感器和所述第二磁场传感器的所述圆形区域的圆形区域内。
下面将通过具体实施例和附图对本发明作详细描述，这些实施例和附图仅用于说明目的。
附图说明
图1为现有技术中传感器布置方式的示意图；
图2为本发明一实施例的传感器布置方式的示意图；
图3和图4为作为比较的传感器布置(并非根据本发明)实例的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术中64-通道生物磁场测量装置的传感器布置方式。附图标记2表示的具有虚线轮廓的圆圈代表磁源(此处是指心脏)上的测量点。在测量点处测量由心脏产生的生物磁场的z-分量的磁场传感器3布置在基本呈圆形的阵列1中。该现有技术装置的全部64个磁场传感器3都是一个类型，即，仅测量生物磁场的z-分量的类型的传感器。
图2示出了根据本发明一实施例的用于64-通道生物磁场测量装置(此例中为MCG)的传感器布置方式。作为对比，图1中现有技术装置的64个测量点2也绘示在了此图示里。24个第一磁场传感器4和24个第二磁场传感器5布置在阵列1的基本呈圆形的区域6中。24个第一磁场传感器4中的每一个都与对应的第二磁场传感器5相关联，使得由此形成的传感器对在相同测量点测量生物磁场的x-分量和y-分量。测量生物磁场z分量的16个第三磁场传感器3布置在围绕第一及第二磁场传感器4、5或位于其外围的基本呈圆形或环形区域7中。
图3和图4示出了用于比较目的的另外两种传感器配置方式。在图3示出的传感器配置方式中全部传感器分布在中心圆形区域6的横截面上。这种布置方式是由在中心圆形区域6内的四边形区域的角处仅测量磁场z-分量的4个传感器、及在相应的20个测量点处分别测量x-分量、y-分量和z-分量的3×20个传感器组成。图4示出的布置方式中，64个测量点2中的每一个都与64个磁场传感器之中的一个传感器相关联，这64个传感器中有18个传感器测量磁场的x-分量，17个传感器测量磁场的y-分量，29个传感器测量磁场的z-分量。
将具有如图2所示的根据本发明实施例的传感器配置方式的MCG分别与利用如图1所示的现有技术中的传感器配置方式设置的MCGs、及利用图3和图4所示的传感器配置方式设置的MCGs进行比较。对心脏正面区域上的电流偶极子模式的细小变化做了模拟。现有技术中的64-通道MCG计算出了心脏上的298个偶极子。
结果表明，为了解释所述细小变化，本发明的传感器配置方式(图2)和图3的配置方式要优于现有技术(图1)和图4的配置方式。
此外，对不同传感器布置方式的反解性能进行了评估。由给定源计算出正演模型(forward model)，由测得的磁场数据计算出反解。通过比较原始源与反解可以看出，本发明的传感器配置方式(图2)与图3的传感器配置方式较现有技术中的传感器配置方式和图4的传感器配置方式有更好的反解。
鉴于对心脏中心的偏移，对作比较的传感器配置方式的鲁棒性进行了评估。基于此目的，对x-方向(右手至左手)上的位置偏移进行了模拟。可以看出，现有技术中的传感器配置方式比本发明的传感器配置方式与图4的传感器配置方式具有较大的角误差。
总之，结果表明，在敏感度和鲁棒性方面，具有根据图2的本发明传感器配置方式的MCG要优于现有技术。

Claims (7)

1.一种生物磁场测量装置，其特征在于其包括布置在传感器平面内的阵列(1)中的多个磁场传感器(3,4,5)，所述多个磁场传感器(3,4,5)由多个设计且配置成测量所述磁场的第一分量的第一磁场传感器(4)、多个设计且配置成测量所述磁场的第二分量的第二磁场传感器(5)、及多个设计且配置成测量所述磁场的第三分量的第三磁场传感器(3)组成，所述磁场的所述第一、第二及第三分量彼此正交，并且，其中，当从垂直于所述传感器平面的方向观察时，所述第一磁场传感器(4)和所述第二磁场传感器(5)基本布置在中心位置，且所述第三磁场传感器(3)基本围绕所述第一和第二磁场传感器(4,5)布置。
2.根据权利要求1所述的生物磁场测量装置，其特征在于所述第一磁场传感器(4)的数量等于所述第二磁场传感器(5)的数量。
3.根据权利要求2所述的生物磁场测量装置，其特征在于所述第一磁场传感器(4)中的每一个在空间上与所述第二磁场传感器(5)相关联，使得其二者在源的基本相同的位置上测量所述磁场分量。
4.根据前述任一权利要求所述的生物磁场测量装置，其特征在于从垂直于所述传感器平面的方向观察，所述磁场传感器(3,4,5)的阵列(1)具有基本呈圆形、椭圆形、矩形或多边形的形状。
5.根据权利要求4所述的生物磁场测量装置，其特征在于(a)从垂直于所述传感器平面的方向观察，所述磁场传感器(3,4,5)的阵列(1)基本呈圆形，(b)所述第一磁场传感器(4)和所述第二磁场传感器(5)布置在所述阵列的基本呈圆形的区域(6)内的中心，且(c)所述第三磁场传感器(3)基本布置在围绕所述第一及第二磁场传感器(4,5)的圆形区域(7)内。
6.根据权利要求5所述的生物磁场测量装置，其特征在于其包括64个磁场传感器(3,4,5)，其中，24个第一磁场传感器(4)和24个第二磁场传感器(5)布置在所述阵列的基本呈圆形部分的中心，16个第三磁场传感器(3)基本布置在围绕含有所述第一磁场传感器(4)和所述第二磁场传感器(5)的所述圆形区域(6)的圆形区域(7)内。
7.根据前述任一权利要求所述的生物磁场测量装置，其特征在于所述生物磁场测量装置为心磁波描记器。
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