CN111044947A - 一种用于脑磁测量的多通道serf原子磁力仪装置及应用方法 - Google Patents

一种用于脑磁测量的多通道serf原子磁力仪装置及应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置及应用方法。通过利用衍射光学元件点阵分束特性设计多通道原子磁力仪，实现对脑磁图的成像和采集。相比于传统的SQUID脑磁图仪具有更高的灵敏度、更好的信噪比以及更高的空间分辨率。相比于现有的多通道SERF原子磁力仪，更易于集成小型化、不局限于阵列式光电探测器以及更低的通道间信号串扰。本发明主要应用于脑磁图研究领域中，在物质化学成分与结构分析、矿藏探测、地磁导航、地震预测等领域具有潜在的应用前景。同时，本发明的多通道设计也可用于其他光泵原子磁力仪中，具有普适性和创新性。

Description

一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置及应用方法
技术领域
本发明涉及一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置及方法，属于脑磁测量技术领域。
背景技术
商业上，用于脑磁图测量主要是基于SQUID磁力仪。为实现整个脑区信号的成像和测量，商业化脑磁图仪一般具有275个通道。由于SQUID磁力仪需要液氦非金属低温杜瓦，以降低杜瓦外壁的约翰逊噪音，而且由于压缩机对脑磁信号的干扰，无法使用全封闭液氦系统，导致其设备造价高昂、运行维护难度大以及成本高。此外，无法制成用于运动状态下脑磁信号测量的可穿戴式脑磁图仪。
随着量子精密测量技术的发展，SERF原子磁力仪具有超高灵敏度、低功耗、易于小型化等特点，能够实现脑磁信号的探测。截至目前，基于SERF原子磁力仪实现脑磁信号的测量都是实验室研究层面，其中多通道测量是其中关键技术之一。用于脑磁测量的多通道测量方案主要包括利用阵列式光电探测器探测含原子极化信息的激光和多个单通道探头集成两种方式。
上述两种方式存在以下主要问题，第一种方式是利用阵列式光电探测器探测与同一个原子气室作用的激光实现的，该设计思路简单、清晰，只需要将单通道光电探测器更换成多通道探测器。但是，为保证更大空间磁场分布信息，需要增大激光光斑大小和原子气室尺寸，一定程度上增加探头小型化集成的难度。在应用层面，尤其在研制275个通道原子磁力仪脑磁图原型机领域，人体头颅是不规则形状，该探头多通道设计思路无法有效地对整个脑区的磁场信号进行精确探测和定位，在临床应用上存在很大的局限性。第二种方式是利用多个原子磁力仪进行多通道测量。该设计系统复杂，研制成本高，并且通道之间容易会产生串扰。所以，实现一种结构简单、易控制的多通道设计装置具有重要意义，可以广泛应用于光泵原子磁力仪多通道或者梯度磁场研究领域中。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足和缺陷，提供一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置及应用方法，该装置很好地利用衍射光学元件特性实现原子磁力仪多通道和梯度测量，使得探头结构简单、易于小型化。
本发明的上述目的通过下述技术方案予以实现：一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置，包括光路部分、原子气室部分、线圈部分和多通道信号探测部分；
光路部分包括线偏振片、1/4波片、衍射光学元件、直角棱镜；
激光器发射一束激光，经过线偏振片得到一束线偏振激光，通过1/4波片将线偏振激光变为圆偏振激光，用于碱金属原子蒸汽极化；圆偏振激光经过衍射光学元件，衍射光学元件将单束激光均匀分成多束激光光束；分束后的激光经过直角棱镜反射，分别与同一个碱金属原子气室作用，泵浦极化碱金属原子；
原子气室部分包括：碱金属原子气室、无磁加热片和热绝缘层；碱金属原子气室充有一定含量的碱金属元素，无磁加热片粘贴于碱金属原子气室非通光端面上，用于对碱金属原子气室进行加热；热绝缘层包裹在碱金属原子气室外层，隔绝碱金属原子气室与外界环境热传导；
线圈部分包括：剩余磁场补偿线圈和调制磁场线圈，利用方形亥姆霍兹线圈构成，碱金属原子气室位于三轴亥姆霍兹线圈中心；
多通道信号探测部分利用多个光电探测器对透过碱金属原子气室后的光信号进行探测，将光信号转化成电信号，实现磁场/梯度磁场信号的探测。
方形亥姆霍兹线圈边长是碱金属原子气室边长的两倍。
所述衍射光学元件作为点阵分束器，分光维数为1～3，分光束数量为2～16。
光电探测器的数量为2～16。
光路部分、原子气室部分、线圈部分和多通道信号探测部分安装在外壳中，外壳为射频屏蔽材料制成。
所述的用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置的应用方法，包括如下步骤：
S1：选择合适激光分束数量的衍射光学元件，将单光束形成n×n点阵的光束，形成n2通道SERF原子磁力仪探头；
S2：通过3D打印获得可穿戴式、可插入并固定多通道SERF原子磁力仪探头的头盔；
S3：将m个n2通道原子磁力仪探头插入头盔处，保证原子磁力仪探头末端贴近头皮表面；
S4：给予被试者相应的脑磁信号刺激；
S5：对m个n2通道原子磁力仪探头信息进行同步测量，对m个n2通道原子磁力仪探头测得的脑磁信息进行处理，获取相应刺激的脑磁图信息；
m，n分别为正整数。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明的多通道SERF原子磁力仪装置，多通道设计结构简单、更易于探头装置小型化处理；共用同一束激光，具有很高的共模抑制比，能够很好地消除由激光因素导致的共模磁场噪音；
(2)本发明的多通道SERF原子磁力仪装置，通道之间距离取决于衍射光学元件微结构设计，相比于阵列式光电探测器实现多通道方案，不受限于阵列探测器，可根据实际应用确定和优化各通道之间的距离；
(3)本发明的多通道SERF原子磁力仪装置，相比于利用多个小型化单通道原子磁力仪探头实现多通道方案，该设计在研制275个通道脑磁图原型机应用领域中，能够大大减少系统的操作复杂度，并且降低研制成本和维护成本。
附图说明
图1为本发明的用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所使用材料和操作方法是本领域公知的。
在阐述本发明内容之前，定义本发明中所使用的术语如下：
术语“SERF”是指：Spin-Exchange Relaxation-Free，无自旋交换碰撞弛豫。
术语“SQUID”是指：Superconducting quantum interference devices，超导量子干涉仪。
如图1所示，一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置，包括光路部分、原子气室部分、线圈部分和多通道信号探测部分；
光路部分包括激光1、线偏振片2、1/4波片3、衍射光学元件4、直角棱镜5，其中：
激光器发射一束激光，经过线偏振片2得到一束线偏振激光，通过1/4波片3将线偏振激光变为圆偏振激光，用于碱金属原子蒸汽极化；圆偏振激光经过衍射光学元件4，衍射光学元件4将单束激光均匀分成多束激光光束；分束后的激光经过直角棱镜5反射，分别与同一个碱金属原子气室7作用，泵浦极化碱金属原子；
原子气室部分包括碱金属原子气室7、无磁加热片8、热绝缘层9；碱金属原子气室7充有一定含量的碱金属元素，无磁加热片8粘贴于碱金属原子气室7非通光端面上，用于对碱金属原子气室7进行加热；热绝缘层9包裹在碱金属原子气室7外层，隔绝碱金属原子气室7与外界环境热传导；
线圈部分6包括：剩余磁场补偿线圈和调制磁场线圈，利用方形亥姆霍兹线圈构成。为保证原子气室处磁场均匀性，将碱金属原子气室7位于整个三轴亥姆霍兹线圈中心。保证方形亥姆霍兹线圈边长是碱金属原子气室7边长的两倍，并且设置每对方形亥姆霍兹线圈间距是线圈边长的0.5545倍。沿着x、y和z三轴方向，线圈系统实现三轴方向剩余磁场的补偿。垂直光泵浦方向即z轴方向，线圈部分对碱金属原子气室7产生已知强度的调制磁场。
多通道信号探测部分是利用相互独立的多个光电探测器10对透过原子气室后的光信号进行探测，将光信号转化成电信号，从而实现磁场/梯度磁场信号的精确探测。
多通道SERF原子磁力仪装置实现磁场/梯度磁场精密探测主要是基于磁致进动效应、光泵极化原子和碱金属原子弛豫三种物理过程。唯象描述基态原子自旋演化并求解方程可知沿着x方向极化率满足：
Figure BDA0002334679980000051
其中，γe是电子旋磁比，Rp是泵浦率，Rrel是原子弛豫率，ωm是调制磁场频率，B0是探测磁场。由于透过碱金属原子气室7光功率与x方向原子极化率成正比，利用光电探测器10和锁相放大器可以实现磁场B0的精确测量。具体SERF原子磁力仪实现极弱磁(如：脑磁)精密探测原理是相对成熟的技术，本发明专利中简单陈述，详细推导过程可详见相关文献资料。本发明中利用光学衍射元件4将单束激光均匀分成多束，分别与碱金属原子气室作用，从而实现多通道磁场的精密测量。
衍射光学元件4是由二元光学的发展而衍生的一种新的光学器件，属于微光学范畴。它是基于光的衍射理论为基本原理，利用微结构设计改变激光的相位，在不改变激光偏振性和准直性光学性能条件下实现激光的分束。衍射光学元件4作为点阵分束器，分光维数为1～3，优选为2维；衍射光学元件4分光束数量为2～16，优选为3～6，最优选为4。光电探测器10的数量为2～16，优选为3～6，最优选为4。
多通道SERF原子磁力仪工作时，激光光束极化碱金属原子气室7内的碱金属蒸汽，被极化的碱金属原子在磁场作用下发生偏转。通过衍射光学元件4的作用实现单光束分束作用，从而实现不同空间位置处磁场强度信息。
一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪的应用方法，包括如下步骤：
S1：根据上述对多通道SERF原子磁力仪装置的描述，选择合适激光分束数量的衍射光学元件，衍射光学元件4将单光束形成2×2点阵的光束，形成四通道小型化原子磁力仪探头。
S2：根据S1研制的多通道装置尺寸，设计和打印合适的可穿戴式、可插入和固定多通道原子磁力仪探头的头盔；
S3：为与传统SQUID通道数量相匹配，将69个四通道原子磁力仪探头插入头盔处，保证原子磁力仪探头末端最大程度贴近头皮表面；
S4：给予被试者相应的脑磁信号刺激，如视觉或者听觉刺激；
S5：对69个四通道原子磁力仪探头磁场信息进行同步测量，将多个四通道原子磁力仪探头脑磁信息进行处理，获取相应刺激的脑磁图信息。
实施例1：
线偏振片2，购自武汉优光科技有限责任公司，型号：SHP9012-550-900。
1/4波片3，购自武汉优光科技有限责任公司，型号：WAPA4210-650-1100。
衍射光学元件4，购自新特光电，型号：MS-204-I-Y-A。
直角棱镜5，购自武汉优光科技有限责任公司，型号：RAP0110。
光电探测器10，购自滨松光子学商贸(中国)有限公司，型号：S1133-14。
本发明能够有效地设计和加工衍射光学元件，能够大大减少原子磁力仪探头数量，降低原子磁力仪的制作成本和操作复杂程度。
为实现整个脑区磁场的测量和成像，相比于商业的275个通道的SQUID脑磁图仪，需要275个单通道原子磁力仪探头。衍射光学元件4将单光束形成2×2点阵的光束，形成四通道小型化原子磁力仪探头。所以，实现整个脑区磁场的成像和探测需要69个多通道探头即可。当然，可以根据实际脑磁场探测需求，设计相应数量的二维点阵分束器即衍射光学元件。此外，在物理机制上，多个单通道原子磁力仪之间很容易产生串扰现象。本发明提出的多通道SERF原子磁力仪在脑磁图原型机研究领域中，不仅能够降低探头之间串扰问题，而且能降低研制和维护成本。
多通道探头在脑磁信号探测操作步骤如下：
S1：设计和打印合适的可穿戴式、可插入和固定多通道原子磁力仪探头的头盔；
S2：将69个四通道原子磁力仪探头插入头盔处，保证原子磁力仪探头末端最大程度贴近头皮表面；
S3：对69个四通道原子磁力仪探头磁场信息进行同步测量；
S4：将多个四通道原子磁力仪探头脑磁信息进行处理，获取脑磁图信息。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置，其特征在于：包括光路部分、原子气室部分、线圈部分(6)和多通道信号探测部分；
光路部分包括线偏振片(2)、1/4波片(3)、衍射光学元件(4)、直角棱镜(5)；
激光器发射一束激光，经过线偏振片(2)得到一束线偏振激光，通过1/4波片(3)将线偏振激光变为圆偏振激光，用于碱金属原子蒸汽极化；圆偏振激光经过衍射光学元件(4)，衍射光学元件(4)将单束激光均匀分成多束激光光束；分束后的激光经过直角棱镜(5)反射，分别与同一个碱金属原子气室(7)作用，泵浦极化碱金属原子；
原子气室部分包括：碱金属原子气室(7)、无磁加热片(8)和热绝缘层(9)；碱金属原子气室(7)充有一定含量的碱金属元素，无磁加热片(8)粘贴于碱金属原子气室(7)非通光端面上，用于对碱金属原子气室(7)进行加热；热绝缘层(9)包裹在碱金属原子气室(7)外层，隔绝碱金属原子气室(7)与外界环境热传导；
线圈部分(6)包括：剩余磁场补偿线圈和调制磁场线圈，利用方形亥姆霍兹线圈构成，碱金属原子气室(7)位于三轴亥姆霍兹线圈中心；
多通道信号探测部分利用多个光电探测器(10)对透过碱金属原子气室(7)后的光信号进行探测，将光信号转化成电信号，实现磁场/梯度磁场信号的探测。
2.根据权利要求1所述的一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置，其特征在于：方形亥姆霍兹线圈边长是碱金属原子气室(7)边长的两倍。
3.根据权利要求2所述的一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置，其特征在于，所述衍射光学元件(4)作为点阵分束器，分光维数为1～3，分光束数量为2～16。
4.根据权利要求3所述的一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置，其特征在于，光电探测器(10)的数量为2～16。
5.根据权利要求4所述的一种用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置，其特征在于，光路部分、原子气室部分、线圈部分(6)和多通道信号探测部分安装在外壳中，外壳为射频屏蔽材料制成。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的用于脑磁测量的多通道SERF原子磁力仪装置的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择合适激光分束数量的衍射光学元件(4)，将单光束形成n×n点阵的光束，形成n2通道SERF原子磁力仪探头；
S2：通过3D打印获得可穿戴式、可插入并固定多通道SERF原子磁力仪探头的头盔；
S3：将m个n2通道原子磁力仪探头插入头盔处，保证原子磁力仪探头末端贴近头皮表面；
S4：给予被试者相应的脑磁信号刺激；
S5：对m个n2通道原子磁力仪探头信息进行同步测量，对m个n2通道原子磁力仪探头测得的脑磁信息进行处理，获取相应刺激的脑磁图信息；
m，n分别为正整数。
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