CN110366384A - 医疗用磁力计中的噪声去除 - Google Patents

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Abstract

公开了一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法。该方法包括使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场，使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，并使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。一个或多个滤波器被配置成衰减一个或多个信号中与受试者身体的区域的运动同步的噪声，诸如心冲击描记术噪声。

Description

医疗用磁力计中的噪声去除
技术领域
本发明涉及用于医疗磁测的方法和装置，尤其涉及用于处理来自医疗用磁力计(诸如用作心脏磁力计)的信号的方法和装置。
背景技术
为了诊断目的，能够测量与人体相关或由人体产生的磁场在许多医疗情况下是有用的。例如，心脏的磁场包含ECG(Electro-cardiogram，心电图)中不包含的信息，因此心磁图扫描可以向常规ECG提供不同的和附加的诊断信息。
申请人已经设计了一种便携式磁力计设备，该设备旨在用于例如在诸如没有磁屏蔽、低温冷却等的医院或外科手术的医疗环境。(如WO2014/006387中所述)。
例如，医疗环境可能对采集可接受的MCG(Magnetocardiography，心磁图)数据提出许多挑战。特别是，来自医疗环境的噪声会干扰需要的信号。这种噪声通常会比信号高出几个数量级，这意味着去除这种噪声具有挑战性。
申请人认为，医疗用磁力计的设计和使用仍有改进的余地，特别是心脏磁感应和/或成像。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，该方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减一个或多个信号中的心冲击描记术(ballistocardiographic)噪声；和
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
根据本发明的第二方面，提供了一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自所述一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减一个或多个信号中的心冲击描记术噪声(ballistocardiographic noise)；
其中磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析受试者身体的区域产生的磁场。
本发明涉及一种分析受试者的区域(诸如他们的心脏)的磁场的方法。在本发明中，一个或多个检测器用于检测受试者身体的区域的时变磁场，并且来自一个或多个检测器的一个或多个信号被滤波。
与现有的布置相反，在本发明中，一个或多个滤波器被配置为衰减(例如，分离或去除)一个或多个测量的信号中的心冲击描记术(ballistocardiographic，BCG)效应(噪声)。如下文将更详细描述的，申请人已经发现，以本发明的方式使用滤波器对于从一个或多个信号中去除不想要的噪声特别有益。
在这点上，申请人已经特别认识到，例如在诸如医院、救护车或外科手术的医疗环境中执行的医疗磁测的情况下(其中受试者被放置在诸如床的支撑结构上)，受试者身体的运动，例如如受试者的心跳，可以导致结构(例如床)移动，即振动。由于医疗床通常有钢架，这种运动会引起磁力计系统可以捕捉到的磁背景噪声。这种“心冲击描记术噪声”或“床噪声”会将MCG信号破坏到这样的程度，以致于很难甚至不可能从MCG信号中提取有用的医疗信息。
申请人还认识到，这种噪声并非是仅确定性的，而是处于“瞬时噪声”的形式(即，包括由于心跳耦合到支撑结构(例如，床)而引起的初始脉冲，随后是由于系统振动引起的衰减振荡)，并且出现在与来自心脏的信号的频率范围重叠的频率范围内。因此，这种瞬时噪声很难去除。
另一方面，例如通过使用磁屏蔽和/或电绝缘和/或非磁性支撑结构，诸如木质床，可能并不总是可能(或期望)避免这种噪声。例如，电绝缘(不导电)和/或非磁性床可能不存在于诸如医院、救护车或外科手术的医疗环境中，或者例如在医疗紧急情况或其他情况下，可能不希望将患者移动到这样的床。因此，申请人已经认识到，试图通过使用磁屏蔽和/或电绝缘(不导电)和/或非磁支撑结构来避免噪声的传统方法在医疗环境中可能是不切实际的。
因此，本发明首先在于识别这种新型的“心冲击描记术噪声”，第二在于认识到使用本发明的滤波器可以成功地从信号中去除这种噪声。因此，这有助于在“正常”医疗环境中从MCG信号中提取有用的医疗信息，而无需使用磁屏蔽和/或电绝缘(不导电)和/或非磁性支撑结构，即，即使当受试者由包括导电和/或磁性材料的结构支撑时，例如当受试者在医疗环境中的钢架床上时。
因此，应该理解，本发明提供了一种改进的医疗用磁力计系统。
本发明的磁力计系统可以在正常的医院、救护车、外科手术或其他环境中使用，而不需要磁屏蔽。因此，在一个特别优选的实施例中，本发明的方法包括使用磁力计系统在非磁屏蔽环境中(并且不使用磁屏蔽)检测受试者心脏(或其他身体区域)的磁场。相应地，本发明的磁力计系统优选不包括(除了包括)磁屏蔽。
应该注意，如本文所使用的，“磁屏蔽环境”旨在包括磁力计被布置在屏蔽室或罩中的布置。在这种布置中，被测量的受试者和磁力计都包含在相同屏蔽室或罩内。相比之下，如本文所使用的，磁力计可以被认为处于“非磁屏蔽环境”中，在该环境中没有一个或多个外部装置用于保护被测量的受试者，进行测量的磁力计也是。
如上所述，本发明的磁力计系统的一个特别的优点是，当受试者由诸如椅子或(医院)床的结构支撑(在该结构上)时，该磁力计系统可以用于检测受试者身体的区域的磁场，其中所述结构包括导电材料，例如金属材料、含铁的材料，和/或磁性材料，诸如钢架。
因此，在一个特别优选的实施例中，本发明的方法包括当受试者由包括导电材料(例如金属材料、含铁的材料)和/或磁性材料的结构支撑时，例如当受试者在具有由导电材料(例如金属材料、含铁的材料)和/或磁性材料形成的框架的(医院)床上或椅子上时，使用磁力计系统来检测受试者心脏(或其他身体区域)的磁场。相应地，本发明的磁力计系统优选包括用于支撑受试者身体的支撑结构，其中所述支撑结构包括导电材料，例如金属材料、含铁的材料，和/或磁性材料。
本发明的磁力计系统可以用作检测由受试者(由人(或动物)身体)产生的任何期望磁场的系统和探针。它优选用于检测(和分析)受试者身体的区域(诸如他们的膀胱、腹部、胸部或心脏、头部或大脑、肌肉、子宫或一个或多个胎儿)(或由其产生)的时变磁场。因此，它可以并且优选用于检测与膀胱、妊娠、肌肉活动、大脑或心脏相关的磁场。在优选实施例中，磁力计用于(并被配置用于)心磁图、脑磁图、膀胱状况(例如膀胱过度活动症)的分析和检测、胎儿异常的分析和检测以及早产的检测和分析中的一个或多个。
在一个特别优选的实施例中，磁力计被用作心脏磁力计，并且用于检测和分析受试者心脏的磁场。
因此，根据本发明的另一方面，提供了一种分析受试者心脏的磁场的方法，该方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者心脏的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减一个或多个信号中的心冲击描记术噪声；和
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者心脏产生的磁场。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于分析受试者心脏的磁场的心脏磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者心脏的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减一个或多个信号中的心冲击描记术噪声；
其中磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析受试者心脏产生的磁场。
如本领域技术人员将会理解的，视情况而定，本发明的这些方面可以并且优选地包括本文描述的本发明的优选和可选特征中的任何一个或多个或全部。
本发明的一个或多个检测器可以被配置成以任何合适和期望的方式检测受试者身体的区域的时变磁场。
本发明的磁力计系统可以包括单个检测器。在这种情况下，检测器可以适当地定位在受试者上面(例如，受试者的胸部或受试者身体的其他区域)，以从所讨论的受试者身体(subject’s body in question)的区域的适当(单一)采样位置获取读数。或者，检测器可以在受试者上面(例如受试者的胸部)移动，以从使用中的多个不同的采样位置获取读数。
然而，在一个优选实施例中，磁力计系统包括多个检测器，例如并且优选地为至少7个，例如7-500个(或更多)，优选地为至少16个，例如16-500个(或更多)检测器。
在磁力计系统包括多个检测器的情况下，检测器中的一些或全部可以布置成二维或三维阵列，布置成二维或三维阵列的例如并且优选地至少7个、优选地至少16个检测器。在这种情况下，检测器阵列或每个检测器阵列优选地被配置成使得当被适当地定位在受试者上面(例如，受试者的胸部或受试者身体的其他区域)时，检测器阵列可以从适当的采样位置集合中获取读数，而不需要进一步在受试者上移动阵列。
该阵列或每个阵列可以具有任何期望的配置，诸如规则或不规则阵列、六边形、矩形或圆形阵列(例如由同心圆形成)等。
优选地选择该阵列或每个阵列中检测器的数量和/或配置，以便为所讨论的受试者身体的区域提供适当数量的采样点和/或适当的覆盖范围。
在优选实施例中，检测器阵列被配置成覆盖有生物磁性兴趣的区域，诸如躯干或心脏。在一个这样的优选实施例中，其中磁力计被用作心脏磁力计来检测和分析受试者心脏的磁场，该阵列或每个阵列包括具有至少7个(例如7-500个(或更多))、优选地至少16个(例如16-500个(或更多))检测器的六边形阵列。
可以提供更多数量的检测器，例如，在期望以更高的分辨率测量受试者心脏的时变磁场的情况下和/或在期望测量除心脏之外的受试者身体的区域(诸如尤其是大脑)的时变磁场的情况下。根据各种优选实施例，该阵列或每个阵列可以包括具有7、19、37、61、91、127、169、217、271、331、397(或更多)检测器的六边形阵列。
磁力计系统可以包括检测器的单个层，或者可以包括一个或多个检测器的多个层，例如并且优选为2-10(或更多)层，即一层在另一层之上。
在一个这样的实施例中，每个检测器层包括单个检测器。在这种情况下，然后再次，磁力计可以被适当地定位在受试者上面(例如，受试者的胸部或受试者身体的其他区域)，以从所讨论的受试者身体的区域的适当(单一)采样位置获取读数。可替换地，磁力计可以在受试者上面(例如受试者的胸部)移动，以从使用中的多个不同的采样位置获取读数。然而，在优选实施例中，检测器层中的一个或多个或全部包括多个检测器，例如排列成二维阵列，其中一个或多个或每个阵列优选地按照上面针对二维阵列排列所讨论的方式排列。
在这些实施例中，根据需要，每个检测器层中的一个或多个或每个检测器可以与其他层中的一个或多个或全部中的一个或多个或每个检测器对齐，或者以其他方式(例如，反对齐)。
在磁力计系统包括多个检测器的情况下，检测器中的一些或全部可以例如并联和/或串联连接。对于给定的磁场强度，串联连接多个检测器将具有增加感应电压的效果。并联连接多个检测器将具有降低检测器中热噪声(约翰逊噪声)的效果。优选地，串联和并联连接的组合用于优化检测器的电压和噪声性能的平衡。
在一个实施例中，磁力计系统中的一个或多个或每个检测器被布置成梯度仪配置，即，其中两个检测器同轴对齐(在与布置每个线圈绕组的平面正交的方向上)，并且其中来自每个线圈的信号被求和，例如，以提供对空间磁场变化的测量。
磁力计系统中的检测器或每个检测器可以包括用于检测时变磁场的任何合适的检测器。
该检测器或每个检测器优选地被配置成至少对0.1Hz和1kHz之间的磁信号敏感，因为这是心脏的(大多数的)相关磁信号的频率范围。该检测器或每个检测器可以是该范围之外的磁信号敏感。该检测器或每个检测器优选对10fT-100pT范围内的磁场敏感。
在优选实施例中，磁力计系统中的每个检测器包括感应线圈。因此，一个或多个感应线圈(即，在两端连接到放大器的线圈)优选地用于检测受试者(例如，受试者心脏)的磁场。在这种情况下，每个线圈可以根据需要配置。
每个线圈的最大外径优选地小于10厘米，优选地小于7厘米，优选地在4和7厘米之间。通过将线圈的外径限制在10厘米或更小，提供了一种具有能够实现适合于医疗磁测(并且特别是心磁描记)的空间分辨率的总尺寸的线圈。特别地，这有助于使用16至50个(或更多)采样位置(检测通道)来生成图像的医疗上可应用的诊断。(如上所述，并且如本领域技术人员将理解的，每个采样位置的数据可以例如通过使用线圈阵列或者通过使用围绕胸部移动以收集数据的一个(或几个)线圈来收集。)在优选实施例中，使用直径约为7厘米的线圈。
每个线圈可以具有非磁性活性芯(即，线圈绕组可以缠绕在非磁性活性芯周围)，诸如空气芯。附加地或可替换地，一个或多个线圈或每个线圈可以包括磁活性芯，诸如铁氧体芯或其他磁性材料芯。
在一个优选实施例中，每个线圈对应于申请人早期申请WO2014/006387中描述的布置。这种线圈可以用于提供一种医疗用磁力计，该磁力计可以是便携式的、相对便宜的、在室温下可用的并且不需要磁屏蔽，但是仍然可以提供足够的灵敏度、准确度和分辨率以在医疗上有用。
然而，该线圈或每个线圈不需要包括根据WO2014/006387的优化线圈，并且可以具有任何合适的和期望的配置。
由该检测器或每个检测器输出的一个或多个信号将(并且优选地确实)包括由该检测器由于受试者身体的区域的时变磁场(连同噪声)而产生的周期性(或伪周期性)信号。
由于受试者身体的区域的时变磁场而由该检测器或每个检测器产生的周期性(或伪周期性)信号可以包括一个或多个(不同)信号特征，即信号的一个或多个(不同)属性或部分(可能感兴趣或不感兴趣)。例如，在由于受试者心脏的时变磁场而产生的信号的情况下，该信号可能包括(对应于)P波、QRS波和/或T波(的信号特征)，但是可以包括其他信号特征。
在优选实施例中，来自一个或多个检测器的一个或多个信号例如使用一个或多个数字化器被数字化。
该数字化器或每个数字化器可以包括可操作来将从一个或多个检测器接收的模拟信号数字化(转换)成数字信号(例如用于进一步处理和平均等)的任何合适的数字化器。数字化器应该(并且优选地确实)将磁场在一个或多个检测器(线圈)中产生的电压或电流转换成数字信号。
在一个优选实施例中，该数字化器或每个数字化器包括模数转换器(analogue todigital converter，ADC)。
在优选实施例中，磁力计系统包括耦合到每个检测器(每个线圈)并被配置成数字化来自检测器的信号的数字化器。在系统包括多个检测器的情况下，每个检测器可以具有其自己的、各自的和独立的数字化器(即，将有多少个检测器就有多少个数字化器)，或者检测器中的一些或全部可以共享数字化器。
该数字化器或每个数字化器可以直接连接到相应的检测器或每个相应的检测器，或者更优选地，该数字化器或每个数字化器可以经由放大器连接到该相应的检测器或每个相应的检测器。因此，在优选实施例中，磁力计系统包括连接到一个或多个检测器或每个检测器(例如连接到每个线圈的端部)的一个或多个检测放大器，优选为麦克风放大器(低阻抗放大器)的形式。然后，该检测放大器或每个检测放大器优选地连接到一个或多个数字化器。
该放大器或每个放大器可以被配置成具有任何合适的和期望的放大水平。该放大器或每个放大器可以例如将从该检测器或每个检测器接收的信号(包括噪声)放大大约1000倍(60dB)或更多。
在优选实施例中，磁力计系统被布置成使得检测器(例如线圈)和(耦合到检测器(线圈)的)放大器一起布置在传感器头或探针中，然后传感器头或探针通过导线连接到磁力计系统的剩余部件，以允许传感器头(探针)与使用中的磁力计系统的剩余部分隔开。
因此，在优选实施例中，被滤波的一个或多个信号包括已经数字化的来自一个或多个检测器的一个或多个信号，即来自一个或多个检测器的数字化的一个或多个信号。
在一个优选实施例中，来自一个或多个检测器的一个或多个(优选地为数字化的)信号在多个周期内被平均，例如使用平均电路和/或软件。
数字化的一个或多个信号可以根据需要在多个周期上平均，并且平均电路和/或软件可以包括用于在多个周期上平均数字化的一个或多个信号的任何合适和期望的电路和/或软件。
在优选实施例中，触发器被提供并被用于对信号进行选通(gate)(加窗)(即，用于识别周期性(或伪周期性)信号并将其划分到其多个重复周期)。触发器应该并且优选地与受试者身体的区域的时变磁场同步。例如，在磁力计用于分析受试者心脏的磁场的情况下，信号优选地在多个心跳上平均，并且来自测试的受试者的ECG或脉冲Ox触发(Pulse Oxtrigger)可以用作信号采集过程的检测触发。
因此，在优选实施例中，触发器用于识别周期性(或伪周期性)信号的每个重复周期，然后在多个识别的周期上对信号进行平均。
当然，其他布置也是可能的。例如，(周期性或伪周期性)信号的每个重复周期可以在不使用触发器的情况下被识别，然后该信号可以在多个被识别的周期上被平均。
在本发明中，使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的(优选地为数字化的)一个或多个信号进行滤波。一个或多个滤波器应该被配置为衰减(例如，去除)一个或多个信号中的心冲击描记术噪声，但是也可以以任何合适的方式被另外地配置。
可以在信号平均之前执行滤波。因此，在一个实施例中，被滤波的来自一个或多个检测器的一个或多个信号包括(直接)来自一个或多个检测器(或(直接)来自数字化器)的(未平均的)一个或多个信号。然而，在优选实施例中，滤波是在信号平均之后执行的。这样，在优选实施例中，被滤波的一个或多个信号包括平均的一个或多个信号。
一个或多个滤波器应该(并且优选地)被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生滤波后的一个或多个信号。
在一个实施例中，一个或多个信号的衰减部分被丢弃(即不被使用)。因此，在实施例中，一个或多个滤波器被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便去除(并丢弃)心冲击描记术噪声。
然而，也可以保留一个或多个信号的心冲击描记术(衰减(去除)的)部分，并将其用于一些其他目的，例如作为诊断指示器。因此，在实施例中，一个或多个滤波器被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生(例如，分离出)滤波后的一个或多个信号和一个或多个其他(例如心冲击描记术噪声)信号。
在操作模式下，也可能仅保留(和使用)一个或多个信号的心冲击描记术部分。
一个或多个滤波器被配置成衰减一个或多个信号中的心冲击描记术噪声，即以便产生滤波后的一个或多个信号。
在这点上，“心冲击描记术噪声”包括由检测器检测到的由支撑结构的运动(振动)引起的磁噪声，其中该支撑结构支撑受试者身体并且包括导电材料，例如金属、含铁材料，和/或磁性材料，其中该运动与所讨论的受试者身体的区域的运动(例如受试者的心跳)相关(同步)(例如由该运动引起)。具体而言，“心冲击描记术噪声”是指由检测器检测到的由支撑结构的运动(振动)引起的磁噪声，其中该运动与身体对心脏将血液喷射到脉管系统的反应的反冲力相关(同步)(例如由反冲力引起)。
申请人还认识到，存在其他类型的生物来源的磁噪声，即由支撑结构(例如床)(包括导电材料，例如金属、含铁材料，和/或磁性材料)的运动(振动)引起的磁噪声，该运动与所讨论的受试者身体的区域的运动相关(同步)(例如由所讨论的受试者身体的区域的运动引起)，并且可以使用本发明的一个或多个滤波器来衰减该磁噪声。
例如，虽然心冲击描记述噪声可能是由于身体对心脏将血液喷射到脉管系统的反应的反冲力，但是“地震心动描记术噪声(seismocardiographic noise)”可能是由于胸壁响应心跳的局部振动。
同步生物噪声的其他来源包括例如呼吸(例如，其中所讨论的受试者身体的区域包括腹部、胸部或肺部)。
此外，受试者身体在支撑结构上的位置变化，例如由于说话、坐立不安等，会引起支撑结构的运动(振动)，这又会在一个或多个信号中产生磁噪声。这种噪声可以与所讨论的受试者身体的区域的运动同步，例如，其中所讨论的受试者身体的区域包括一个或多个肌肉。
这些同步噪声的生物源应与诸如附近的振动(如振动电梯井、大型物体掉落或移动等)的其他噪声源进行对比。尽管这些其他噪声源可以引起支撑结构的运动(振动)，这反过来可以在一个或多个信号中产生磁噪声(该噪声可能看起来类似于同步生物噪声)，但是通常这种噪声与所讨论的受试者身体的区域的运动(例如心跳)不同步，因此可以使用平均(在足够长的时间段内)来减少。(然而，应该注意，本发明的一个或多个滤波器也可以去除该非同步噪声中的一些或全部，即除了上述同步生物噪声之外。)
因此，根据本发明的另一方面，提供了一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，该方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减一个或多个信号中与受试者身体的区域的运动同步的噪声；和
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
根据本发明的另一方面，提供了一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减一个或多个信号中与受试者身体的区域的运动同步的噪声；
其中磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析受试者身体的区域产生的磁场。
如本领域技术人员将会理解的，视情况而定，本发明的这些方面可以并且优选地确实包括本文描述的本发明的优选和可选特征中的任何一个或多个或全部。
衰减同步的例如心冲击描记术噪声应该(并且优选地确实)包括降低(例如，至少在滤波后的一个或多个信号中的)同步的例如心冲击描记术噪声的幅度。更优选地，衰减同步的例如心冲击描记术噪声包括(例如至少从滤波后的一个或多个信号中)(完全)去除同步的例如心冲击描记术噪声。
一个或多个滤波器应该(并且优选地)被配置成衰减(例如，分离或去除)一个或多个信号中的同步的例如心冲击描记术噪声，而不衰减(或者更小程度地衰减)、并且优选地不(显著地)失真信号的“有用的”、想要的部分中的一些或全部。
在这点上，分析受试者心脏的磁场的传统方法是尽可能多地保留来自心脏的信号。如上所述，这将包括P波、QRS波和/或T波。因此，传统上，要注意尽可能多地保留在信号中的P波、QRS波和T波。同样如上所述，申请人已发现心冲击描记术噪声出现在与该传统“想要的”信号的频率范围重叠的频率范围内。
然而，申请人还认识到，在提供诊断信息方面，QRS复合波(complex)特别重要，而在这点上，T波不太重要。申请人还认识到心冲击描记术噪声(主要)出现在与T波频率范围重叠的频率范围内。这意味着滤波器可以(并且优选地)被配置成衰减(例如，分离或去除)一个或多个信号中的心冲击描记术噪声(连同T波)，而不衰减(或者更小程度地衰减)、并且优选地不(显著地)失真“有用的”、想要的QRS复合波。
因此，一个或多个滤波器优选地被配置成允许至少QRS复合波通过(优选地不被衰减和/或失真)，并且衰减(例如分离或去除)同步的例如心冲击描记术噪声，即，以便产生滤波后的一个或多个信号。以这种方式对一个或多个信号进行滤波允许从信号中去除同步的例如心冲击描记术噪声，而不会(显著地)影响医疗上有用的QRS复合波。
在这方面，申请人已经认识到心冲击描记术床噪声包括(主要)更低的频率分量，例如当与QRS复合波出现的频率范围相比时。因此，滤波器优选地被配置为允许至少QRS复合波通过(优选地不被衰减和/或失真)，并且衰减(例如分离或去除)频率小于QRS复合波出现的频率范围的信号部分。
在优选实施例中，滤波器被配置为衰减(例如，分离或去除)频率低于特定的、优选选择的截止频率(阈值)的一个或多个信号(即，滤波器被配置为衰减频率低于截止频率的一个或多个信号的分量)。滤波器可以被配置为衰减(例如分离或去除)小于截止频率的仅一些频率，但是更优选地，滤波器被配置为衰减(例如分离或去除)小于截止频率的所有频率。
因此，在优选实施例中，该滤波器或每个滤波器包括高通滤波器，即高通滤波器具有低频截止(即，在其以下的信号(的大部分)被衰减(但是在其以上的信号(的大部分)通过高通滤波器)的频率(阈值))，并且对一个或多个信号进行滤波包括对一个或多个信号进行高通滤波。
相应地，根据本发明的另一方面，提供了一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，该方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器包括高通滤波器；和
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
根据本发明的另一方面，提供了一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为将来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器包括高通滤波器；
其中磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析受试者身体的区域产生的磁场。
如本领域技术人员将会理解的，视情况而定，本发明的这些方面可以并且优选地确实包括本文描述的本发明的优选和可选特征中的任何一个或多个或全部。
因此，例如，一个或多个滤波器可以被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生仅滤波后的一个或多个信号(即，一个或多个信号的衰减的、低频部分被丢弃的情况)，或者一个或多个滤波器可以被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生(例如分离出)滤波后的一个或多个信号和一个或多个其他(例如低频)信号(例如，保留和使用一个或多个信号的低频部分)，例如如上所述。
该高通滤波器或每个高通滤波器可以以任何合适的方式配置。在特别优选的实施例中，高通滤波器包括加窗sinc滤波器。这是一种特别有益的布置，因为加窗sinc滤波器可以提供理想的“砖墙”高通滤波器的良好近似。
低频截止可以根据需要选择。然而，在优选实施例中，滤波器具有在大约8和12Hz之间的低频截止，更优选地在大约9和11Hz之间。最优选地，滤波器被配置成在大约10Hz处具有低频截止。
在这点上，申请人已经特别发现心冲击描记术噪声或“床噪声”出现在大约<10Hz的频率范围内，而T波出现在大约4-7Hz的频率范围内，并且QRS复合波出现在>10Hz的频率上。因此，使用大约10Hz的低频截止使得从一个或多个信号中去除大部分心冲击描记术噪声，而不会显著地影响一个或多个信号的医疗上有用的部分。
一个或多个滤波器优选地被配置成具有相对窄的滚降(roll-off)。同样，这意味着滤波器将尽可能接近理想的“砖墙”滤波器。
在这点上，申请人已经认识到以这种方式配置滤波器将具有增加通带和/或阻带纹波的效果，但是滚降的形状在本发明中更重要，在本发明中，希望从信号中去除同步的、例如心冲击描记术噪声或“床噪声”。这是因为心冲击描记术噪声或“床噪声”在频率上与信号中有用的QRS复合波部分相邻。
因此，根据本发明的另一方面，提供了一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，该方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置成衰减频率小于低频截止频率的信号，其中低频截止频率在大约8和12Hz之间；和
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
根据本发明的另一方面，提供了一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减频率小于低频截止频率的信号，其中低频截止频率在大约8和12Hz之间；
其中磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析受试者身体的区域产生的磁场。
如本领域技术人员将会理解的，视情况而定，本发明的这些方面可以并且优选地确实包括本文描述的本发明的优选和可选特征中的任何一个或多个或全部。
因此，例如，一个或多个滤波器可以被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生仅滤波后的一个或多个信号(即，一个或多个信号的衰减的、低频部分被丢弃的情况)，或者一个或多个滤波器可以被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生(例如分离出)滤波后的一个或多个信号和一个或多个其他(例如低频)信号(例如，一个或多个信号的衰减(去除)的、低频部分被保留和使用的情况)，例如如上所述。
在特别优选的实施例中，一个或多个滤波器另外被配置成衰减(例如，分离或去除)一个或多个信号中的其他(高频)背景噪声。因此，单个滤波器可以(并且优选地)用于衰减一个或多个信号中的多种类型的噪声。
在这些实施例中，该滤波器或每个滤波器应该(并且优选地)被配置成衰减一个或多个信号中的其他(高频)背景噪声，而不衰减(或者更小程度地衰减)、并且优选地不(显著地)失真信号的“有用的”、想要的部分中的至少一些。因此，滤波器优选地被配置成允许至少QRS复合波通过(优选地不被衰减和/或失真)，并且衰减(例如分离或去除)其他(高频)背景噪声。
在这点上，申请人已经认识到，在一个或多个信号中可能存在(主要)具有相对较高频率分量(例如，当与QRS复合波出现的频率范围相比时)的其他背景噪声，例如市电电源噪声。因此，滤波器优选地被配置成允许至少QRS复合波通过(优选地不被衰减和/或失真)，并且衰减(例如分离或去除)频率大于QRS复合波出现的频率范围的信号部分。
在优选实施例中，一个或多个滤波器被配置为衰减(例如，分离或去除)频率高于特定的、优选选择的高频截止频率(阈值)的一个或多个信号(即，滤波器被配置为衰减频率高于高频截止频率的一个或多个信号的分量)。滤波器可以被配置成衰减高于高频截止频率的仅一些频率，但是更优选地，滤波器被配置成衰减高于高频截止频率的所有频率。
因此，在优选实施例中，一个或多个滤波器包括低通滤波器，即，低通滤波器具有高频截止(即，在其上的信号(的大部分)被衰减(但是在其下的信号(的大部分)通过该低通滤波器的频率(阈值))，并且对一个或多个信号进行滤波包括对一个或多个信号进行低通滤波。
低通滤波器可以以任何合适的方式配置。在特别优选的实施例中，低通滤波器包括加窗sinc滤波器。
高频截止可以根据需要选择。
在这点上，申请人已经发现，特别是其他(高频)背景噪声，特别是诸如市电噪声的环境噪声，出现在大约≥50Hz的频率范围内，而QRS复合波出现在<50Hz的频率上，因此，使用约50Hz(优选小于50Hz)的高频截止使得从一个或多个信号中去除其他(高频)背景噪声中的大部分，而不会显著影响一个或多个信号的医疗上有用的部分。
因此，在优选实施例中，滤波器具有大约为50Hz或低于50Hz的高频截止，优选在大约45和50Hz之间，更优选在大约45和48Hz之间。
当市电电源噪声出现在另一频率时，例如在大约60Hz，则滤波器可以被配置为具有在该另一频率或低于该另一频率的高频截止。因此，在优选实施例中，滤波器具有大约为60Hz或低于60Hz的高频截止，优选在大约55和60Hz之间，更优选在大约55和58Hz之间。
因此，应该理解，在特别优选的实施例中，滤波器被配置成衰减(例如分离或去除)一个或多个信号中的同步的、例如心冲击描记术噪声和其他(高频)背景噪声，优选地不衰减(或更小程度地衰减)、并且优选地不(显著地)失真信号的“有用的”、想要的部分，即QRS复合波。
在优选实施例中，滤波器被配置成允许至少QRS复合波通过(优选地不被衰减和/或失真)，并且衰减(例如分离或去除)频率在QRS复合波出现的频率范围之外的信号部分。
在优选实施例中，一个或多个滤波器被配置为衰减(例如，分离或去除)频率低于特定的、优选选择的低频截止(阈值)的一个或多个信号，并且衰减(例如，分离或去除)频率高于特定的、优选选择的高频截止(阈值)的一个或多个信号。因此，一个或多个滤波器优选地被配置成衰减频率在特定的、优选选择的频率范围之外的一个或多个信号。
滤波器可以被配置成衰减(例如分离或去除)高于高频截止的仅一些频率和低于低频截止的仅一些频率，但是更优选地，滤波器被配置成衰减(例如分离或去除)高于高频截止的所有频率和低于低频截止的所有频率。
因此，在优选实施例中，一个或多个滤波器包括带通滤波器，即带通滤波器具有低频截止(阈值)和高频截止(阈值)，并且对一个或多个信号进行滤波包括对一个或多个信号进行带通滤波，即，以便产生滤波后的一个或多个信号。
相应地，根据本发明的另一方面，提供了一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，该方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器包括带通滤波器；和
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
根据本发明的另一方面，提供了一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自所述一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器包括带通滤波器；
其中磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析受试者身体的区域产生的磁场。
如本领域技术人员将会理解的，视情况而定，本发明的这些方面可以并且优选地确实包括本文描述的本发明的优选和可选特征中的任何一个或多个或全部。
该带通滤波器或每个带通滤波器可以以任何合适的方式配置。在特别优选的实施例中，带通滤波器包括两个加窗sinc滤波器的组合(即它们之间的差异)。
一个或多个加窗sinc滤波器应该(并且优选地)被配置成具有特定的、优选选择的窗口函数。可以根据需要选择一个或多个滤波器窗口函数。合适的窗口函数包括例如汉明窗、布莱克曼窗、巴特利特窗、汉宁窗等。
在特别优选的实施例中，该加窗sinc滤波器或每个加窗sinc滤波器使用布莱克曼窗。申请人已经发现布莱克曼窗特别适用于本发明的优选实施例。尽管布莱克曼窗与其他类型的窗口函数(例如汉明窗)相比具有更慢的滚降，但它具有改进的阻带衰减和更低的通带纹波。
类似地，该加窗sinc滤波器或每个加窗sinc滤波器应该(并且优选确实)具有特定的、优选选择的滤波器内核长度M。在频域中，滤波器内核长度M决定滤波器的过渡带宽BW。计算时间(取决于M的值)和滤波器锐度(BW的值)之间存在折衷，可以通过近似值表示：
因此，滤波器越尖锐(过渡带宽BW越小)，在时域中执行卷积所需的时间就越长。
滤波器优选被配置成具有相对窄的滚降。同样，这意味着滤波器将尽可能接近理想的“砖墙”滤波器来起作用。
在特别优选的实施例中，滤波器内核长度M被设置为等于一秒，即平均的信号(并且因此等于采样率)。这将过渡带宽BW最小化。
带通滤波器的通带可以根据需要选择。然而，在优选实施例中，通带具有在大约8和12Hz之间的低频截止，以及在大约45和50Hz之间的高频截止，更优选地在大约45和48Hz之间。高频截止也可能在大约55和60Hz之间，更优选在大约55和58Hz之间，例如如上所述。最优选地，滤波器被配置成具有在大约10至50Hz处的通带。
申请人已经发现，这种布置提供了一种切实有效的方法来检查信号并可靠地提取“有用的”MCG特征，尤其是在诸如急诊室的嘈杂环境中。然而，其他布置也是可能的。
因此，根据本发明的另一方面，提供了一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，该方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置成衰减频率小于低频截止频率的信号，其中低频截止频率在大约8和12Hz之间，并且衰减频率大于高频截止频率的信号，其中高频截止频率在大约45和60Hz之间；和
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
根据本发明的另一方面，提供了一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置为衰减频率小于低频截止频率的信号，其中低频截止频率在大约8和12Hz之间，并且衰减频率大于高频截止频率的信号，其中高频截止频率在大约45和60Hz之间；
其中磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析受试者身体的区域产生的磁场。
如本领域技术人员将会理解的，视情况而定，本发明的这些方面可以并且优选地包括本文描述的本发明的优选和可选特征中的任何一个或多个或全部。
因此，例如，一个或多个滤波器可以被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生仅滤波后的一个或多个信号(即，丢弃一个或多个信号的衰减部分)，或者一个或多个滤波器可以被配置成对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，以便产生(例如分离出)滤波后的一个或多个信号和一个或多个其他(例如低频和/或高频)信号(例如，保留和使用一个或多个信号的低频部分)，例如如上所述。
在本发明中，滤波后的一个或多个信号用于分析受试者身体的区域产生的磁场。这可以以任何合适的方式完成。
心跳的波形和/或诸如一个或多个时间间隔(例如单独的心跳之间和/或单个心跳内的某些特征之间的时间间隔)和/或一个或多个心跳的形状的信息可以从滤波后的一个或多个信号中获得。
在一个优选实施例中，对滤波后的一个或多个信号进行适当的信号处理，例如以产生磁场的假彩色图像或其他。
因此，在优选实施例中，滤波后的一个或多个信号用于提供指示时变磁场的输出。这优选地包括提供指示时变磁场的显示器，例如在显示器上显示指示时变磁场的图像。最优选地，滤波后的一个或多个信号用于提供指示时变磁场的一个或多个假彩色图像，并且一个或多个假彩色图像显示在显示器上。
在优选实施例中，进行适当的测量以允许生成心脏(或其他感兴趣的身体区域)的适当的磁扫描图像，该图像然后可以例如与用于诊断的参考图像进行比较。本发明可用于执行任何已知和合适的对心脏的磁场成像的过程。
优选地，检测多个(例如7至500个(或更多)，如上所述)采样位置(检测通道)，以便生成期望的扫描图像。
本发明因此扩展到用于分析、并且优选地对受试者心脏(或其他身体区域)产生的磁场进行成像的本发明的磁力计系统的使用，以及分析、优选地对受试者心脏(或其他身体区域)产生的磁场进行成像的方法，包括使用本发明的方法或系统来分析、以及优选地对受试者心脏(或身体的其他区域)产生的磁场进行成像。该分析，以及优选地生成的信息和/或图像，优选地用于诊断(以诊断)医疗状况，诸如心脏异常等。
因此，根据本发明的另一方面，提供了一种诊断医疗状况的方法，包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中一个或多个滤波器被配置成衰减一个或多个信号中的同步噪声，例如心冲击描记术噪声；
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场；和
使用对受试者身体的区域产生的磁场的分析来诊断所述医疗状况。
在本发明的这个方面，来自一个或多个检测器的信号(感兴趣的特征)优选地用于产生代表受试者身体的区域产生的磁场的图像，并且该方法然后优选地包括将获得的图像与一个或多个参考图像进行比较以诊断医疗状况。如上所讨论的，医疗状况优选地为以下之一：心脏异常、膀胱状况、早产、胎儿异常或头部或大脑异常。
如本领域技术人员将理解的，视情况而定，本文描述的本发明的所有方面和实施例可以并且优选地确实包括本发明的优选和可选特征中的任何一个或多个或全部。
根据本发明的方法可以至少部分地使用软件例如计算机程序来实现。因此，将可以看出，当从进一步的方面来看时，本发明提供了特别适于当安装在数据处理装置上时执行本文描述的方法的计算机软件、当在数据处理装置上运行程序元素时用于执行本文描述的方法的包括计算机软件代码部分的计算机程序元素、以及包括当在数据处理系统上运行程序时适于执行本文描述的一个或多个方法的所有步骤的代码装置的计算机程序。数据处理系统可以是微处理器、可编程FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)等。
本发明还扩展到包括这种软件的计算机软件载体，其中当该软件用于操作包括数据处理装置的磁力计系统时，使得所述系统结合所述数据处理装置执行本发明方法的步骤。这种计算机软件载体可以是物理存储介质，诸如ROM芯片、CD ROM或磁盘，或者可以是信号，诸如有线电子信号、光信号或诸如到卫星等的无线电信号。
还应该理解，并非本发明方法的所有步骤都需要由计算机软件来执行，因此，从更广泛的方面来看，本发明提供了计算机软件并且安装在计算机软件载体上的这种软件用于执行本文所述方法的至少一个步骤。
本发明因此可以适当地体现为与计算机系统一起使用的计算机程序产品。这种实现可以包括固定在有形介质(诸如非暂时性计算机可读介质，例如磁盘、CD ROM、ROM、或硬盘)上的一系列计算机可读指令。它还可以包括可以经由调制解调器或其他接口设备，通过有形介质(包括但不限于光或模拟通信线路)或使用无线技术(包括但不限于微波、红外或其他传输技术)无形地传输到计算机系统的一系列计算机可读指令。该系列计算机可读指令体现了在此之前描述的全部或部分功能。
本领域技术人员将理解，这种计算机可读指令可以用多种编程语言编写，用于许多计算机体系结构或操作系统。此外，这些指令可以使用当前或未来的任何存储技术来存储，包括但不限于半导体、磁、或光，或者使用当前或未来的任何通信技术来传输，包括但不限于光、红外、或微波。可以设想，这样的计算机程序产品可以作为带有附带的印刷或电子文档(例如紧缩套装软件)的可移动介质来分发，预先装载有计算机系统(例如在系统ROM或固定磁盘上)，或者通过网络(例如因特网或万维网)从服务器或电子公告板分发。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的多个优选实施例，其中：
图1示意性显示了使用本发明实施例用于检测受试者心脏的磁场；
图2-图5显示了当检测受试者心脏的磁场时，使用本发明实施例的进一步的示例性布置；
图6A示意性显示了根据本发明实施例的线圈布置，图6B示意性显示了根据本发明实施例的另一线圈布置；
图7显示了典型的健康ECG轨迹；
图8显示了当检测受试者心脏的磁场时，使用本发明实施例的进一步示例性布置；
图9A显示了37通道磁力计设备在木质床上的非屏蔽环境中捕获的健康受试者的循环平均MCG数据，以及图9B显示了37通道磁力计设备在包含铁(磁性)材料的床上的非屏蔽环境中捕获的健康受试者的循环平均MCG数据；
图10A显示了在无受试者在场的情况下37通道磁力计设备在非屏蔽环境中捕获的MCG数据的对数周期图，图10B显示了37通道磁力计设备在木质床上的非屏蔽环境中捕获的健康受试者的MCG数据的对数周期图，以及图10C显示了包含铁(磁性)材料的床的相应数据；
图11示出了频域中的理想带通滤波器；
图12A显示了截止频率为45Hz且M＝2400的加窗sinc滤波器内核，以及图12B显示了滤波器的频率响应；
图13A显示了由截止频率为8Hz和45Hz且M＝2400的两个加窗sinc滤波器之间的差形成的滤波器内核，以及图13B显示了该滤波器的频率响应；
图14A显示了记录在非屏蔽室中的平均MCG信号，图14B显示了图14A信号的傅立叶频谱，图14C显示了截止频率为8Hz和45Hz的加窗sinc滤波器内核，图14D显示了图14C的滤波器内核的相应频率响应，图14E显示了将时域中的滤波器应用于图14A的信号的结果(实线)，以及将截止频率为2Hz和45Hz的滤波器应用于图14A的信号的结果(虚线)，以及图14F显示了将频域中的滤波器应用于图14A的信号的结果；
图15A再次显示了37通道磁力计设备在包括图9B的含铁(磁性)材料的床上的非屏蔽环境中捕获的健康受试者的循环平均MCG数据，以及图15B和图15C显示了具有布莱克曼窗和截止频率为8Hz和45Hz的加窗sinc滤波器内核已被应用于数据之后的数据；
图16示出了根据本发明实施例的过程。
在附图中适当的地方，相同的附图标记用于相同的部件。
具体实施方式
心磁图(MCG)是对心肌细胞内电流引起的心脏发出的磁场的测量。这些场的测量提供了诊断上有意义的信息，这些信息与通过心电图(ECG)获得的信息互补，并且可以用于诊断心脏功能的异常。
图1示意性地显示了可以根据本发明操作的磁力计系统的优选实施例的基本布置。该磁力计系统专门打算用作心脏磁力计(用于检测受试者心脏的磁场)。然而，相同的磁力计设计可用于检测由其他身体区域产生的磁场，例如用于检测和诊断膀胱状况、早产、胎儿异常和用于脑磁图。因此，尽管本实施例是特别参考心脏磁测来描述的，但是应该注意，本实施例(和本发明)也延伸到其他医疗用途。
磁力计系统包括耦合到检测电路41的检测器40，其中所述检测电路41可以包含多个部件。检测器40可以是感应线圈40。检测电路41可以包括连接到线圈40的低阻抗前置放大器，诸如麦克风放大器。
从线圈40输出的电流由检测电路41处理并转换成电压，并提供给模数转换器(ADC)42，其中所述模数转换器42将来自线圈40的模拟信号数字化并将其提供给数据采集系统43。
与心跳相关的生物信号，例如来自测试的受试者的ECG或脉冲-Ox触发，可以被用作数字信号采集的检测触发，并且多个触发脉冲上的数字化信号然后被分入适当的信号仓(signal bin)，并且信号仓被数据采集单元43叠加(overlay)或平均。然而，其他布置也是可能的。
线圈40和检测电路41可以被布置成使得线圈40和检测电路41的前置放大器被一起布置在传感器头或探针中，然后传感器头或探针通过导线连接到包括检测电路41的剩余部件的处理电路。通过导线连接传感器头(探针)和处理电路允许处理电路与使用中的传感器头(探针)隔开。
使用该磁力计，通过将传感器头(探针)放置在感兴趣的磁场附近，传感器头(探针)将被用作磁探针。
图2显示了对图1布置的改进，该改进特别使用梯度减法技术来尝试补偿背景噪声。(然而，也可以使用其他技术)。在这种情况下，反向线圈44用于试图从探测线圈40检测到的信号中减去背景噪声磁场的影响。如本领域已知的，反向线圈44对任何背景磁场都同样敏感，但是对受试者的磁场只是微弱地敏感。反向线圈44可以通过例如使用可移动叠片铁芯来将反向线圈的性能调谐到拾取线圈40的性能而精确地匹配到拾取线圈40。
图3显示了替代的梯度减法布置。在这种情况下，两个线圈40、44具有相同的方向，但是使用差分放大器45减去它们各自的信号。同样，通过精确地将线圈与检测电路41的性能进行匹配来实现最佳操作。同样，可移动叠片铁芯可用于调谐一个线圈的性能，以匹配另一个线圈的性能。
图4显示了进一步优选的布置。该电路的工作原理与图3的布置相同，但采用了更复杂的场抵消和无源线圈匹配方法。特别地，已知的全局磁场44被引入线圈40、44，以试图去除背景磁场干扰。
在该电路中，来自检测电路41的输出在被提供给差分放大器45之前分别通过各自的放大器47、48。放大器47、48中的至少一个是可调谐的。在使用中，由信号发生器49施加的已知全局场46，诸如50或60Hz线路(以及谐波)噪声，或信号，诸如1kHz信号，被引入到两个线圈40、44。例如使用示波器50可以观测到的、在差分放大器45的输出上的该频率上的信号的存在，然后将会指示线圈40、44不匹配。放大器控制51然后可以用于调谐可调谐电压控制放大器48，以消除差分放大器45的输出上的全局噪声，从而适当地匹配来自两个线圈的输出。
最优选地，在该布置中，1kHz左右的已知全局场被施加到两个线圈，以便实现用于梯度减法的适当的线圈匹配。
图5显示了对图4布置的进一步变化，但是在这种情况下使用有源线圈匹配。因此，在这种布置中，线圈40、44的输出再次被引导到适当的检测电路41，然后被引导到相应的放大器47、48，其中放大器47、48中的至少一个是可调谐的。然而，可调谐放大器48在这种布置中被调谐，以使用锁定放大器52或类似的电压控制器来去除共模噪声，该锁定放大器52或类似的电压控制器适当地耦合到信号发生器49和差分放大器45的输出。
本发明的上述实施例显示了其中有单个拾取线圈可用于检测受试者心脏的磁场的布置。在这些布置中，为了然后对受试者心脏产生的磁场进行诊断扫描，可以在受试者胸部上适当地移动单个拾取线圈，以在受试者胸部上适当的空间位置获取读数。读数然后可以被收集，并用于对受试者心脏的适当的磁场扫描进行编制。
还可以将多个线圈和检测电路布置(例如图1所示的形式)排列成阵列，然后使用这种阵列来测量受试者心脏产生的磁场。在这种情况下，线圈的阵列可用于同时从受试者胸部上的多个位置读取读数，从而例如避免或减少在受试者胸部上的不同位置使用相同线圈读取读数的需要。
图6A和图6B显示了合适的线圈阵列布置，其有具有16个检测线圈61的阵列60，然后可以将阵列60放置在受试者的胸部上，以在受试者胸部上的16个采样位置测量受试者心脏的磁场。图6A显示了规则的矩形阵列，以及图6B显示了规则的六边形阵列。在这些情况下，阵列60的每个线圈61应该如上所述配置并连接到其各自的检测电路(即，每个单独的线圈61将如图1显示的被布置并具有连接到它的检测电路)。来自各个线圈61的输出信号然后可以被组合并被适当地用于产生受试者心脏的磁扫描。
如果需要，可以使用其他阵列布置，诸如圆形阵列、不规则阵列等。
可以在阵列中提供更多(或更少)的线圈，例如多达50个线圈，或者多于50个线圈。例如，在希望测量受试者身体的不同的区域(即，除心脏之外)的磁场的情况下，那么可以提供更多数量的线圈，以便为所讨论的受试者身体的区域提供适当数量的采样点和适当的空间覆盖。
在这种布置中，也可能使用线圈61中的一些来检测背景磁场，用于背景噪声减去的目的，而不是用于检测想要的受试者心脏的场。例如，阵列的外部线圈62可以用作背景场检测器，然后从由阵列的剩余线圈检测到的信号中适当减去这些线圈检测到的信号。当然，背景噪声减去的其他布置也是可能的。
如果需要，也可以有具有图6所示形式的多层阵列。在这种情况下，例如，可能有两个这样的阵列，一个在另一个的上面，其中更靠近受试者胸部的阵列用于检测受试者心脏产生的磁场，且更远离的阵列用于背景噪声检测的目的。
为了测量心脏产生的磁场，上述布置可以用于通过每隔一段时间在受试者胸部上收集磁场测量值来编制受试者心脏的磁场扫描。例如，可以为心跳的任何部分编制假彩色图像，然后使用扫描，例如通过与已知的参考图像进行比较，来诊断各种心脏状况。此外，就安装和持续运行成本而言，与现有心脏磁测设备相比，这可以显著降低成本。
图7显示了典型的ECG轨迹和ECG轨迹中出现的典型元素的常规标记。类似的元素也出现在MCG轨迹中，且两者之间的对应已导致研究者使用相同的标记惯例。
如图7所示，ECG轨迹包括重复的P-P间隔，该P-P间隔包括所谓的P-波，接着是P-R(或P-Q)段(其中P-波和P-R(或P-Q)段的组合被称为P-R(或P-Q)间隔)，接着是QRS复合波，接着是S-T段，接着是T-波(其中S-T段和T-波的组合被称为S-T间隔，并且QRS复合波和S-T间隔的组合被称为Q-T间隔)，接着是T-P段。ECG内的每个特征都具有诊断重要性。
图8显示了磁力计的示例性布置，在设计它时它可以用于例如医院。磁力计30是便携式设备，其可以被推到患者的床边31，然后用于扫描患者的(例如)心脏。不需要任何磁屏蔽、低温冷却等。磁力计30可以在正常(非屏蔽)病房环境中使用。(然而，如果需要，可以提供磁屏蔽和/或冷却。)
如本文所使用的，“磁屏蔽”环境中的磁力计或其他装置可以包括布置在专门设计的房间或罩中的磁力计或其他装置。在这种布置中，被测量的受试者和进行测量的设备都包含在相同屏蔽罩内。相比之下，如本文所使用的，“非磁屏蔽”中的磁力计或其他装置包括磁力计或其他装置，其中对于该磁力计或其他装置，不使用外部的一个或多个装置组件来保护被测量的受试者，进行测量的设备也是如此。
磁力计系统可以以类似的方式用于检测和分析身体的其他区域(诸如膀胱、腹部、胸部、头部、大脑、一个或多个胎儿、肌肉等)产生的其他医疗上有用的磁场。
尽管MCG作为一种诊断辅助手段取得了成功，但医院环境(诸如急诊室)可能出现与可接受的MCG数据的采集相干扰的挑战。
三种主要类型的噪声可以引起这种干扰：均匀噪声(例如地球磁场)、随机噪声(例如白噪声、有色噪声)和背景噪声(例如具有峰值在50或60Hz的功率谱(和谐波)的电力线扰动、系统本身的振动等)。背景噪声通常会超过MCG信号几个数量级，并且会随时间变化，这使得去除背景噪声成为一个具有挑战性的问题。本实施例尤其涉及背景噪声分量的去除。
背景噪声分量可以表征为低频、中频或高频噪声。低频噪声(0.1至1Hz)通常是由于移动的电梯、金属门、金属椅子或其他金属物体造成的。高频噪声(>20Hz)主要是由电源、监控频率或其他电子设备造成的。系统本身的振动会在中频噪声范围(1Hz至20Hz)内造成扰动。
申请人已经认识到，在当患者在医院病床31上时，希望对患者的心脏进行扫描的情况下，由于医院病床31的钢架中的剩磁的耦合会产生噪声，当患者的心脏跳动时，剩磁会由于患者的运动而振动。
这些瞬时噪声脉冲由随后是衰减的低频振荡的相对短的尖锐初始脉冲组成。初始脉冲是由于心跳(收缩)，而振荡是由于由初始脉冲激发的系统(床和病人)的共振。
一旦被磁力计设备30获取，这种瞬时噪声会使得难以评估在扫描过程中捕获的数据的质量。这也使得难以提取准确诊断所需的有用的无失真心磁图数据。
“心冲击描记术噪声”可能是由床31的振动引起的，其中振动与身体对心脏将血液喷射到脉管系统的反应的反冲力相关。
同步生物噪声的其他来源包括例如“地震心动描记噪声”，其可能由响应心跳和呼吸的胸壁的局部振动以及受试者身体在床31上的位置变化(例如由于会引起床31的振动的说话、坐立不安等)引起，这又会在心磁图中产生同步磁噪声。
这些同步噪声的生物来源应与其他噪声源(诸如附近的振动(如振动电梯井、大型物体掉落或移动等))进行对比。尽管这些其他噪声源会引起床31的振动，这又会在心磁图中产生磁噪声，但是通常这种噪声与所讨论的受试者身体的区域的运动(例如心跳)不同步，因此可以使用(在足够长的时间段内的)平均来减少。
其他支撑结构，诸如床、椅子等，也可能引起生物同步磁噪声，例如，在支撑结构包括能够产生磁场的材料(诸如高磁导率材料和/或高导电率材料)的情况。
高磁导率材料包括例如铁、钢、镍及其各种合金。高磁导率材料包括能够磁化和/或能够吸引磁体的材料，例如通常能够保持和维持自身永久磁场的含铁材料(即铁磁性的材料)。高磁导率材料对施加的磁场反应强烈，并且通常是导电的。
低磁导率、高导电率材料包括本身没有磁场、但是可以作为对施加的场(例如顺磁性或反磁性)的变化的反应产生响应的高导电材料。低磁导率、高导电率材料包括例如不锈钢、铝、石墨烯等。
关于导电材料，如果导电材料是静止的，并且施加的场是静止的，则它不会产生磁场。然而，如果导电材料是静止的，并且施加的磁场是移动的，则可能在材料中感应出电流(涡流)，这些电流具有它们自己相应的磁场。同样，如果导电材料在移动而磁场是静止的，则可能在材料中感应出电流(涡流)，这些电流具有它们自己相应的场。
相比之下，低磁导率、低导电率材料可以包括例如木材、大多数塑料、陶瓷、玻璃纤维等。低磁导率、低导电率材料是具有低磁导率和低导电率的(非导电)电绝缘体，并且不提供任何磁干扰，即，即使它们振动也不产生磁场。
图9A显示了在木质床上的非屏蔽环境中由37通道磁力计设备捕获的健康受试者的循环平均MCG数据，以及图9B显示了由含铁(磁性)材料制成的床的相应数据。使用陷波滤波器对平均的信号进行滤波，以去除电力线噪声，然后使用有限脉冲响应(finite impulseresponse，FIR)低通滤波器。
图9A的中间可见的峰对应于心动周期的QRS部分(section)(更具体地说，是心肌磁场的时间导数，而不是静态场)。这些代表信号中最高的信噪比部分。
磁性床材料引起的MCG数据失真在图9B中是明显的，使得即使从QRS部分也不可能提取有用的信息。
图10A显示了对于噪声扫描(即在扫描头下没有受试者存在)的在非屏蔽环境中由37通道磁力计设备捕获的原始MCG信号的对数周期图。图10B显示了对于受试者在木质床上的在非屏蔽环境中由37通道磁力计设备捕获的健康受试者的MCG信号的对数周期图，以及图10C显示了对于在具有含铁(磁性)材料的床上的受试者的相应信号。使用了8192点韦尔奇周期图以及汉明窗和4096点重叠一起用于光谱计算。
图10A中可见的噪声峰是由于主电源及它的次谐波(50Hz、25Hz、162/3Hz等)造成的。
健康受试者MCG信号对图10B中光谱内容的贡献出现在大约4Hz、10Hz和33Hz，而由床材料引起的弹道效应(ballistic effect)的贡献在图10C的光谱内容中清晰可见。
这些“弹道效应”落入<10Hz的频率范围，使得难以从MCG信号中提取有用的信息。
申请人试图使用多种技术来试图从MCG信号中减少或去除这种不想要的噪声。
一种这样的技术是状态空间中的非线性去噪(nonlinear denoising，NLD)。非线性去噪作用于时间序列的重构状态空间，该状态空间代表被观测系统的动态特性。背景噪声(诸如电力线扰动)填充了状态空间中的子空间，该子状态空间可以与MCG流形(manifold)分离。这是通过使用额外的传感器记录扰动、然后投影到噪声子空间、然后从原始信号中减去来完成的。
这种方法要求噪声是“至少近似”确定性的，因此在去除电力线扰动方面效果良好。然而，申请人发现这种方法不能去除由床振动引起的瞬时噪声，即由于它们的不确定性。
与此相反，并且根据本发明，申请人已经发现，特定的带通滤波器布置(如下文进一步描述的)可以用于成功地将由使用磁性床引起的“弹道效应”从QRS复合波中分离出来。这允许从损坏的MCG信号中提取有用的信号。
申请人已特别发现，通带约为8-45Hz的带通滤波器可用于将MCG信号与心冲击描记术(BCG)噪声和背景噪声分离。该滤波器被设计为显著降低来自测量信号(特别是QRS区域)的弹道效应的影响。该滤波器是带通滤波器，由高通滤波器(去除<10Hz的弹道效应)和低通滤波器(去除>50Hz的背景噪声)的组合构造而成。
图11示出了理想的带通滤波器。理想滤波器是指在不影响更低频率的情况下，去除给定截止频率以上的所有频率分量，并具有线性相位响应的滤波器。通带10-50Hz内的所有频率都以单位幅度(unity amplitude)通过，而所有其他频率都被阻断。通带非常平坦，阻带中的衰减是无限的，且两者之间的过渡是无限小的。滤波器的脉冲响应是时域中的sinc函数，且其频率响应是矩形函数。它是频率意义上的“理想”低通滤波器，完美地通过低频，完美地切割高频，因此可以被视为“砖墙式”滤波器。
在本实施例中，为了近似这种理想滤波器，两个加窗sinc滤波器被组合以构造带通滤波器，该带通滤波器可以将MCG信号与BCG信号和背景噪声分离。这允许QRS复合波与弹道效应和其他背景噪声干扰的高效分离，而没有相位失真。
滤波器被配置为使得其去除截止频率fc1以下和截止频率fc2以上的所有频率分量，而不影响其之间的频率。该滤波器被设计为截止频率为fc1和fc2的两个加窗sinc滤波器的差。该滤波器能够显著降低心冲击描记术效应(BCG)对MCG信号的影响，特别是去极化(QRS)部分。
在本实施例中，来自检测器的信号首先被数字化，例如使用4位37通道2400kS/sADC。MCG信号经过基线校正和平均，以提高信噪比水平。数据以使用伴随的ECG信号获得的R波峰为中心进行平均。可以使用合适的窗口函数对平均信号进行加窗，以减少突变。
图12A显示了加窗sinc滤波器的滤波器内核，以及图12B显示了频率响应(截止频率为45Hz，且M＝2400)。该滤波器充当低通滤波器。
在时域中，滤波器内核是sinc函数的修改。加窗sinc滤波器的频率响应是矩形的。这对应于sinc滤波器是理想(砖墙式，即矩形频率响应)低通滤波器的事实。
截止频率为fc1的加窗sinc滤波器内核由下式给出：
其中w[t]是以t＝0为中心的窗口函数，且其中i的范围从0到M。常数K是一个归一化因子，被选择为在零频率提供单位增益。截止频率fc表示为采样率的一部分(fraction)(介于0和0.5之间的值)。滤波器内核长度由M决定，它必须是偶数。
申请人已经发现，对于本实施例的目的，窗口函数的选择是重要的。这涉及滚降和阻带衰减之间的折衷。窗口函数的可能选择包括汉明窗、布莱克曼窗、巴特利特窗和汉宁窗。
申请人已特别发现，对于本实施例的目的，布莱克曼窗特别合适。与诸如汉明窗的其他窗口函数相比，该窗口具有更慢的滚降。然而，布莱克曼窗具有改进的阻带衰减和更低的通带纹波。
可以执行傅立叶变换以将时域中的信号转换成其频域对应信号。为了计算滤波器在时域中的输出，可以执行卷积，并且在频域中可以执行逐点乘法。
滤波器内核M的长度决定了滤波器在频域中的过渡带宽BW(过渡带宽是从曲线离开值1的地方开始到它几乎达到零的地方测量的)，并且被表示为采样率的一部分(即在0和0.5之间的值)。计算时间(取决于M的值)和滤波器锐度(BW的值)之间的折衷可以通过以下近似表示：
因此，滤波器越尖锐(过渡带宽BW越小)，在时域中执行卷积所需的时间就越长。
在本实施例中，信号被平均为单个1s周期(例如，采样率为2400Hz的2400个样本，即大约等于单个心跳的一秒数据)。然后将M的长度最大化为M＝2400，以最小化过渡带宽BW。这意味着BW～4/2400～0.00167，或BW～2个样本。
本实施例的滤波器被构造为截止频率为fc1和fc2的两个加窗sinc滤波器的差。由于在频域中采用线性组合相当于在时域中采用相同的线性组合，因此滤波器被构造为两个加窗sinc滤波器的差：
这提供了仅通过fc1和fc2之间频率的带通滤波器。如果fc2设置为0.5，则获得高通滤波器，如果fc1设置为0.0，则获得低通滤波器。
图13A显示了滤波器内核，以及图13B显示了截止频率fc1＝0.0033(8.0Hz)、fc2＝0.01875(45.0Hz)和M＝2400的两个加窗sinc滤波器的差的频率响应。该滤波器充当带通滤波器。
该滤波器可以应用于时域或频域，以有效地将MCG信号的复极(QRS部分)与BCG效应和背景噪声分离。
图14示出了在非屏蔽室中获得的金属床上的健康受试者的示例MCG数据。
图14A显示了获得的平均MCG信号，以及图14B显示了信号的频谱(傅立叶频谱)。图14C和图15D分别显示了截止频率为fc1＝0.0033(8.0Hz)和fc2＝0.01875(45.0Hz)且M＝2400的两个加窗sinc滤波器的差的滤波器内核和频率响应。
图14E和图14F显示了由本滤波方法产生的时间序列及其相应的傅立叶频谱(实线)。图14E还显示了对图14A的信号应用截止频率为2Hz和45Hz的滤波器的结果(虚线)，其中弹道噪声的存在是明显的。
图15示出了加窗sinc滤波器在去除由床的含铁(磁性)材料引起的心冲击描记术效应方面的有效性。图15A显示了图9B的数据，以及图15B和图15C显示了应用滤波器后的数据。使用了加窗sinc滤波器内核，该滤波器内核具有布莱克曼窗，且截止频率为8Hz和45Hz。心冲击描记术效应已经从信号中去除，且有用的MCG特征(即QRS部分)现在是可见的，并可用于提取医疗上有用的信息。
图16显示了根据本实施例的一系列数据处理步骤。
传感器40和数字化器42用于获得信号101。然后，信号在多个时段上被平均102。这涉及使用诸如ECG的触发来确定信号的多个重复时段。从在多个触发中的每一个周围的多个窗口中的每个窗口中的目标波形中获取数据。对几个后续窗口进行平均以去除随机噪声。
然后应用滤波103来去除不能通过平均去除的噪声，即如上所述的床噪声和其他背景噪声。
在任何附加数据处理104之后，可以执行诊断参数提取105，并将其用于分析106。
可以分析的医疗上有用的信号的一些示例有：(i)S-T基线偏移(STEMI)，例如S-T升高型心肌梗死；和(ii)R-S过渡率，例如束支传导阻滞。然而，一般来说，本文描述的任何信号特征都可能具有诊断重要性，并且可以用于分析。
从上面可以看出，本发明提供了一种改进的医疗用磁力计系统。在本发明的优选实施例中，这至少通过使用滤波器对一个或多个信号进行滤波来实现，该滤波器被配置为衰减同步噪声，例如心冲击描记术噪声。

Claims (22)

1.一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，所述方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自所述一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中所述一个或多个滤波器被配置为衰减所述一个或多个信号中与受试者身体的区域的运动同步的噪声；以及
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个滤波器被配置为衰减具有低于低频截止频率的频率的信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述低频截止频率在大约8Hz和12Hz之间。
4.一种使用磁力计系统来分析受试者身体的区域的磁场的方法，所述方法包括：
使用一个或多个检测器来检测受试者身体的区域的时变磁场；
使用一个或多个滤波器对来自所述一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中所述一个或多个滤波器被配置成衰减具有低于低频截止频率的频率的信号，其中所述低频截止频率在大约8Hz和12Hz之间；以及
使用滤波后的一个或多个信号来分析受试者身体的区域产生的磁场。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一个或多个滤波器被配置成衰减具有高于高频截止频率的频率的信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述高频截止频率在大约45Hz和60Hz之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一个或多个滤波器包括至少一个加窗sinc滤波器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述加窗sinc滤波器使用布莱克曼窗形成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使用磁力计系统在非磁屏蔽环境中检测受试者身体的区域的时变磁场。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括当受试者由包括导电和/或含铁材料的结构支撑时，使用磁力计系统检测受试者身体的区域的时变磁场。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，受试者身体的区域包括以下之一：腹部、膀胱、心脏、头部、大脑、胸部、子宫、一个或多个胎儿、或肌肉。
12.一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自所述一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中所述一个或多个滤波器被配置为衰减所述一个或多个信号中与受试者身体的区域的运动同步的噪声；
其中所述磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析由受试者身体的区域产生的磁场。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述一个或多个滤波器被配置成衰减具有低于低频截止频率的频率的信号。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述低频截止频率在大约8Hz和12Hz之间。
15.一种医疗用磁力计系统，包括：
一个或多个检测器，用于检测受试者身体的区域的时变磁场；和
一个或多个滤波器，被配置为对来自所述一个或多个检测器的一个或多个信号进行滤波，其中所述一个或多个滤波器被配置为衰减具有低于低频截止频率的频率的信号，其中所述低频截止频率在大约8Hz和12Hz之间；
其中所述磁力计系统被配置为提供滤波后的一个或多个信号，用于分析由受试者身体的区域产生的磁场。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的系统，其中所述一个或多个滤波器被配置成衰减具有高于高频截止频率的频率的信号。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述高频截止频率在大约45Hz和60Hz之间。
18.根据权利要求12-17中任一项所述的系统，其中所述一个或多个滤波器包括至少一个加窗sinc滤波器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述加窗sinc滤波器使用布莱克曼窗形成。
20.根据权利要求12-19中任一项所述的系统，其中，受试者身体的区域包括以下之一：腹部、膀胱、心脏、头部、大脑、胸部、子宫、一个或多个胎儿、或肌肉。
21.根据权利要求12-20中任一项所述的系统，其中所述磁力计系统被配置为在非磁屏蔽环境中检测受试者身体的区域的时变磁场。
22.根据权利要求12-21中任一项所述的系统，还包括用于支撑受试者身体的支撑结构，其中所述支撑结构包括导电和/或含铁材料。
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