CN113160975A - 基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统 - Google Patents
基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，包括传感模块、数据收集模块、软件模块和屏蔽模块，在所述屏蔽模块内，当外界的磁噪音在一定范围内时，所述传感模块探测脑磁信号，并将脑磁信号传输给所述数据收集模块，所述数据收集模块对信号数据进行处理，继而经处理后的数据传输到所述软件模块，最后所述软件模块对数据进行分析得出检测结果。本发明优化整合了硬件和软件系统，不仅可通过简单按键操作该系统，还可实现与第三方软件直接链接，该新一代脑磁图系统能够被实际应用且不需要采用液氮或液氦制冷，是一种具备较好系统应用灵活性、高灵敏度、可穿戴、高集成化的智能脑磁图系统软硬件系统。
Description
技术领域
本发明属于医学诊断和治疗系统领域，尤其涉及一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统。
背景技术
脑磁图(Magnetoencephalography,MEG)是一种非侵入性神经成像技术，它直接测量人脑产生的磁场。经过40多年的发展，脑磁图已广泛用于癫痫灶定位、神经外科手术前脑功能定位等功能性疾病的诊断和治疗。脑磁图也是一种无创的脑功能精确解剖定位成像技术，对于微创精准外科手术具有无可替代重要价值。在神经外科领域，以最小的损伤得到最佳的治疗效果、并最大限度地保全神经功能的微创手术理念是目前国际和国内神经外科临床研究和实践的热点。脑磁图代表了目前医学仪器发展的最高水准和最新方向，脑磁图在临床和科研有不可取代的作用。
在先技术中，存在脑磁图检测装置，但是，仍然存在一些本质不足：必需低温制冷系统，通常采用液氮或液氦制冷，系统结构复杂；检测装置检测灵敏度受限于检测原理和系统构建复杂度，不能够靠近脑部，信号较弱，功能不稳定；装置体积大，无法实现小型化，不可移动且构建成本高。虽也还存在一种采用原子磁力传感器构建脑磁图仪器的方法，具体请参见美国专利，专利公开号为US9113803B2，但此技术的实际应用性较差且检测信息也有限。在临床医学发展热点方向的趋势下，虽然便携脑磁图技术已被发展，但缺少可对市场推广的技术设计，本领域亟需一种可实际应用的且不需要采用液氮或液氦制冷的并具备高灵敏度、应用灵活可直接戴在头部并可直接与第三方软件链接进行信息采集的高集成化的新一代智能脑磁图软硬件系统。
发明内容
为此，本发明提供了一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，该系统是不仅不需要采用液氮或液氦制冷，还具有算法完备的软件系统，可与第三方软件实现直接链接来进行信息采集，构建了一种具备较好系统应用灵活性、高灵敏度、可穿戴、高集成化的新一代脑磁图系统。
为实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案：
一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，包括传感模块、数据收集模块、软件模块和屏蔽模块，所述传感模块设置于所述屏蔽模块内，所述传感模块用于探测脑磁信号，所述数据收集模块用于对采集到的脑磁信号进行处理，所述软件模块用于对其接收到的信号进行分析，其包括数据采集软件包、脑磁信号分析软件包和脑电信号分析软件包，所述屏蔽模块用于对外界磁噪音进行屏蔽，所述数据采集软件包用于与第三方软件直接链接以进行信号采集，当外界的磁噪音在小于1nT时，所述传感模块探测脑磁信号，并将脑磁信号传输给所述数据收集模块，所述数据收集模块对信号数据进行处理，继而经处理后的数据传输到所述软件模块，最后所述软件模块对数据进行分析得出检测结果。
优选的，所述数据采集软件包内部算法包括：信号频谱分析算法、磁源定位算法、三维重建算法、三维配准算法、脑网络图谱分析算法。
优选的，所述脑磁信号分析软件包和所述脑电信号分析软件包用于脑磁信号与脑电信号的同步采集。
优选的，所述传感模块包括头盔、定位探头和磁强计探头，所述头盔上均匀分布有安装槽口，所述定位探头和所述磁强计探头设置于所述头盔上，所述头盔可穿戴并能保证所述磁强计探头与头皮表面直接接触，所述安装槽口数量根据探头数量进行调整。
优选的，所述头盔由3D打印技术制作。
优选的，所述数据收集模块包括磁强计单元和定位单元，所述磁强计单元用于测定微弱脑磁场，所述定位单元用于对所述头盔和所述磁强计探头进行三维空间定位。
优选的，所述软件模块还包括磁源定位单元和脑功能范式软件包，其中，所述脑磁信号分析软件包用于对所述数据采集软件包的数据文件进行分析，以将分析结果用于大脑功能性活动成像技术；所述磁源定位单元用于进行结构影像、功能图像和实时数字化三维集成，以帮助医生进行手术导航；所述脑功能范式软件包用于设计刺激方案，安排任务呈现，控制实验进程；所述脑电信号分析软件包通过分析细胞群产生的脑电图信号进行高级脑功能研究。
优选的，所述屏蔽模块为屏蔽筒，所述屏蔽筒在0.1～150Hz频段下，交流磁场噪声低于15fT，直流磁场噪声在50nT以下。
优选的，所述屏蔽模块为屏蔽室，所述屏蔽室内在3～100Hz频段下，交流磁场噪声低于15fT，屏蔽室内直流磁场噪声在50nT以下。
优选的，所述安装槽口的横截面尺寸为13*11mm，所述定位探头的横截面尺寸为14*13mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种可实际应用的且不需要采用液氮或液氦制冷的新一代脑磁图系统。其中，数据采集软件包可直接与第三方软件链接来进行信号采集，提高该系统应用的灵活性；光学原子磁强计结合到可穿戴头盔上，能与脑部更好地贴合，不仅提高对微弱脑磁信号采集灵敏度也使系统应用更加灵活；系统把光学原子磁强计传感器、数据收集、数据分析、数据管理、以及临床核磁共振等融合的软件平台与脑磁图信息结合，实现高度集成化的智能脑磁图软硬件系统，优化整合了硬件和软件系统，开发了可通过简单按键操作的脑磁图系统。
附图说明
图1为本发明实施例中脑磁图系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例中头盔及定位探头结构示意图；
图3为本发明实施例中光学原子磁强计探头结构示意图；
图4为本发明实施例中屏蔽筒结构示意图；
图5为本发明实施例中屏蔽室结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明提供了一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，共由四大部分组成，分别是传感模块1、数据收集模块2、软件模块3、屏蔽模块4，其中传感模块1设置于屏蔽模块4内。传感模块1包括头盔10、定位探头12、磁强计探头11，数据收集模块2包括磁强计单元21和定位单元22。系统运行需保证外界磁噪音控制在一定范围内，在此实施例中，当屏蔽室内的磁噪音强度被降低到<1nT的水平时，在屏蔽模块4中，由磁强计探头11和定位探头12探测到被测个体的脑磁信号，并将其传输给数据收集模块2，经处理的数据传输到软件模块3进行相应的分析得出结果。
传感模块1用于探测脑磁信号，包括头盔10、定位探头12和磁强计探头11，定位探头12和磁强计探头11设置于头盔10上，其分布位置可根据实际需要进行调整，可实现检测全大脑信号。如图2所述，头盔10用于放置定位探头12和磁强计探头11测量人脑的磁场获得人类大脑内部磁生理数据，可以根据被测个体的头围大小进行调节，头盔10上含有磁强计探头11的安装槽口110，安装槽口110数量可根据脑磁图的接口数适当调整，例如：8、16、32等。在此实施例中，头盔10是由3D打印技术制作，其上均匀分布32个安装槽口110，安装槽口110的横截面尺寸为13*11mm，安装槽口110中可以固定磁强计探头11，头盔10可通过受试者的三维头型定制得到，能更好地与被测个体脑部贴合，保证磁强计探头11和头皮表面直接接触，不仅提高对微弱脑磁信号采集灵敏度也使系统应用更加灵活。定位探头12用于提供动态的、实时的测量位置信号，置放于头盔10上并与数据收集模块2和软件模块3相联系，用于采集头盔10及所有磁强计探头11的空间位置信息，以有效建立三维数字化模型，定位探头12的横截面尺寸为14*13mm。磁强计探头11为高灵敏光学原子磁强计，其用于采集脑磁信号，可以测出极其微弱的脑磁场信号，光学原子磁强计的结构如图3所示，包括激光器110、光学透镜、原子气室114、光电二极管115、霍兹海姆线圈116、加热器117及电流环路118。其中激光器110通过稳定的电流和温度使其产生稳定波长和功率的激光，该激光用于照射原子气室114。光学透镜用于对稳定波长的激光进行过滤和整型，产生圆偏振光，包括透镜111、感光底片112和反射镜113。原子气室114的形状为立方体结构，其中包含铷蒸汽、氮气，其中的氮气作为惰性气体存在，减少铷蒸汽与原子气室壁的碰撞，减少铷蒸汽原子之间的碰撞，其中的铷蒸汽作为碱金属气体，在圆偏振光形式下的光抽运的作用下，使得铷原子都布局在基态F＝2且MF＝-2的子能级上，对零磁场附近的磁场强度变化会产生对激光强度吸收程度的变化，这种变化会造成投射激光光强的改变。光电二极管115用于接受从原子气室114投射出的激光，将光强信号转换为电压信号，从而可以根据光强的投射来反映磁场强度的变化。霍兹海姆线圈116缠绕于原子气室114周围，线圈中通过电流产生磁场，并通过PID算法对外界磁场进行主动屏蔽，从而进一步降低外界磁场对原子气室114的影响。加热器117用于保障原子气室114的加热温度，通过在原子气室114下方固定氮化硼，再将铜丝反复缠绕在氮化硼上，铜丝中通过稳定电流，产生热量，并通过PID算法进行动态调节，使原子气室114温度稳定稳定在150摄氏度，从而获得足够大密度的铷蒸汽，减小铷原子的自旋驰豫，以更灵敏地检测零磁场附近的磁场强度。
数据收集模块2的输入端连接传感模块1激励的输出端，用于对采集到的脑磁信号也即光电二极管115所产生的电压信号进行重采样、去噪、放大、模数转换，包括磁强计单元21和定位单元22。磁强计单元21通过测量激光、原子气体与弱磁场的共同作用来精确测定微弱磁场。定位单元22是目前世界上能够提供的最高精度的电磁定位跟踪系统，它能快速、精准的捕捉生物电磁信号并跟踪确定其位置，定位单元22用于对头盔10及所有原子磁强计进行三维空间定位。
软件模块3的输入端连接数据收集模块2的输出端，输入端也即所在系统上位机的串口或USB接口，软件模块3对接受到的信号进行存储、显示、定位、三维可视化等人工智能算法分析，包括数据采集、分析、定位和临床应用软件包，构建成算法完备的软件系统。软件模块3通过对脑信号的独特处理和分析可应用于准确定位癫痫起源病灶和脑功能。数据采集软件包用于控制探头采集的脑磁信号，该软件包可直接与第三方软件实现链接，以进行信号的采集得到数据文件，该数据采集软件包的内部算法包括：信号频谱分析算法、磁源定位算法、三维重建算法、三维配准算法、脑网络图谱分析算法等多种算法，其中，第三方软件是指本发明脑磁图系统生产商以外的软件公司提供的软件，在该系统实际应用中，第三方软件一般常见为可与该系统配合使用的各种电脑，该数据采集软件包可直接与各种电脑系统直接链接进行信号采集，提高本发明脑磁图系统的应用灵活性。数据分析软件也即脑磁信号分析软件包，是对数据收集(AcqManager)软件采集到的数据文件进行分析，以将分析结果用于大脑功能性活动成像技术。数据定位软件包也即磁源定位单元，是一个功能强大的软件包，进行结构影像(MRI/CT)、功能图像(MEG/EEG)和实时数字化三维集成，以帮助医生进行手术导航。临床应用软件包包括脑功能范式软件包和脑电信号分析软件包。其中，脑功能范式软件包是一个用于脑科学、脑行为、神经功能、脑磁图(MEG)、脑电图(EEG)、功能磁共振成像(fMRI)、经颅磁刺激(TMS)等的软件包，它的主要功能是用于设计刺激方案，安排任务呈现，控制实验进程。该设计刺激方案是指面向受试者的视觉、听觉、触觉、味觉等大脑感知系统，设计专门的实验，用于刺激其感觉器官，从而采集相关的大脑反应信号，并根据这些信号做科学分析，例如设计视觉大脑感知的实验，此软件包是可以提供选择项界面供用户使用，与现有技术相比，用户不需要书写代码(现有软件通常需要用户学习书写计算机代码)，即可完成设计刺激方案，安排任务呈现顺序，控制实验进程。脑电信号分析软件包是一款最新的大脑功能性活动成像技术软件包，它是完成高级脑功能研究的必需工具软件，该新技术的神经生理原理是通过分析细胞群产生的脑电图信号，是基于大细胞群产生低频信号，小细胞群产生高频信号的原理。脑电信号分析软件包与脑磁信号分析软件包可实现对大脑运行中产生的电信号和磁信号的同步采集，既可联合应用以研究两种信号的相关性又可分别应用以研究不同的大脑信号情况。其中，脑磁信号分析软件包是处理脑磁信号的核心部分，可以实现脑磁信号的存储、显示、时频转换、频谱分析、三维可视化、雷达波束成形(beam-former)脑磁信号定位方法、脑网络分析方法等一系列针对脑磁图的智能分析方法。因脑磁信号能够没有干扰的通过颅骨等组织，可以准确定位信号起源，而电信号在通过颅骨等组织时候，会受到干扰变形，信号定位困难，所以脑磁信号分析软件包内部算法与脑电信号分析软件包的算法相类似，原理相同，但区别在于脑磁信号与脑电信号的通道数目不一样。
屏蔽模块4用于对外界磁噪音进行屏蔽，如地磁场、电磁场等，保护传感模块等不受外部磁场的干扰，可以选择屏蔽筒41或者屏蔽室42。如图4所示，屏蔽筒41配有铝托架一个，可与光学平台配用，在使用过程中，仅系统中的传感模块位于屏蔽筒内部，数据收集模块和软件模块都位于屏蔽筒外部。屏蔽筒41为卧式结构，呈圆柱状，一共八层，内层为环氧管，外层为铝层且铝表面喷塑，中间六层高导磁坡莫合金。屏蔽筒41的一端设有可拆卸的端盖，可拆卸端盖上设置两个开孔，两开孔直径都为20mm，水平径向开有三个通孔，直径均为18mm，上下开有三个通孔，直径均为18mm。屏蔽筒41的另一端设有走线槽，走线槽尺寸可根据线缆进行调整确定。屏蔽筒41的内腔尺寸为540×720(mm)。静磁场屏蔽性能：在地磁场环境中，屏蔽筒41按轴向东西放置，三维中心剩磁B≤1nT，范围L≥±50mm；屏蔽筒区域(也即除屏蔽筒三维中心区域之外的筒内其他区域)内的剩磁小于5nT，屏蔽系数105(也即在同一条件下的无屏蔽措施下的磁场强度与有屏蔽措施下的磁场强度的比值为105)，在0.1～150Hz频段下，交流磁场噪声低于15fT，直流磁场噪声在50nT以下。
如图5所示，屏蔽室42固定安装，不需要可移动，屏蔽室42由主体框架、磁屏蔽层、磁屏蔽门、装修层、自动消磁设备组成，附属设备有空调系统接口、室内设备接口、电缆接口等。主体框架采用无磁铝合金材料，磁屏蔽层采用高导磁率屏蔽材料，磁屏蔽门非标定制，装修层采用无磁性材料(塑料、铝或铜)，自动消磁设备包括消磁线圈绕组(绕制在屏蔽层内)和消磁程控电源。屏蔽室42呈立方体形状，尺寸范围1.3m*1.3m*1.9m-2.5m*2.5m*2.5m，重量要求符合标准建筑承重要求；剩磁区域是屏蔽室内中心直径20cm球体区域，与噪声测试区域一致；内部灯光是电池驱动的卤素灯，关闭时评估噪声；一侧预留走线孔，需要加长走线孔，降低外部噪声；屏蔽室42顶部预留空调接口，温度由外部向内部输送空气来控温，并且可以避免磁噪声；门开口，手动气压助力开关。屏蔽室42需要满足的指标包括：屏蔽室在0.1～150Hz频段下，交流磁场噪声一般低于15fT；被测磁信号的强度范围为±5nT；屏蔽室内直流磁场噪声在50nT以下。
其中，屏蔽模块4是由主动、被动两种屏蔽的方式构成。被动屏蔽的原理是在一定区域内用磁屏蔽材料包围形成一个腔体，把磁屏蔽材料制成的腔体壁与其所包围的空气看成是并联磁路，外部干扰磁场的感应磁通量绝大部分沿着低磁阻的磁屏蔽材料的腔体壁通过，进入腔体内部的磁通很少，从而在腔体内部形成磁场较均匀、剩余磁场较小、低频干扰磁场较小的近零磁空间。在被动屏蔽的基础上，当外界磁场环境发生显著变化，如电力线产生的工频及谐波干扰磁场、车辆电梯地铁等大型磁性物体产生的干扰磁场、其它杂散干扰磁场等，就需要增加主动屏蔽进行实时的动态补偿。主动屏蔽由主动补偿线圈、高精度磁传感器、补偿控制单元三部分组成。主动屏蔽工作时，补偿控制单元根据高精度磁传感器测得的环境干扰磁场值，在主动补偿线圈中产生补偿电流，即产生与环境干扰磁场方向相反的补偿磁场。
综上所述，本发明的目的是能够提供了一种不仅不需要采用液氮或液氦制冷还具有算法完备的软件系统的新一代脑磁图系统，可实现直接与第三方软件链接进行信号的采集。将传感器、数据收集、数据分析、数据管理、以及将脑磁图与临床核磁共振等融合的软件平台集成一体，进行了开创性的整合，优化了硬件和软件模块，可通过简单按键操作本发明的脑磁图系统。将超灵敏光学原子磁强计集成到可穿戴头盔，把极微弱脑磁信号(相当于地球磁场的万亿分之一)利用光纤收集传入采集卡(模数转换)。再研究利用雷达波束成形(Beam Former)分析和提取脑磁信号。基于智能软件和超级计算技术进行开发，利用脑磁信号准确定位脑功能活动，实现较好的系统应用灵活性、高灵敏度、可穿戴、高集成化的智能脑磁图系统软硬件系统的设计并制备。
以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，包括传感模块、数据收集模块、软件模块和屏蔽模块，所述传感模块设置于所述屏蔽模块内，所述传感模块用于探测脑磁信号，所述数据收集模块用于对采集到的脑磁信号进行处理，所述软件模块用于对其接收到的信号进行分析，其包括数据采集软件包、脑磁信号分析软件包和脑电信号分析软件包，所述数据采集软件包用于与第三方软件链接以进行信号采集，所述屏蔽模块用于对外界磁噪音进行屏蔽；
当外界的磁噪音在小于1nT时，所述传感模块探测脑磁信号，并将脑磁信号传输给所述数据收集模块，所述数据收集模块对信号数据进行处理，继而经处理后的数据传输到所述软件模块，最后所述软件模块对数据进行分析得出检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述数据采集软件包内部算法包括：信号频谱分析算法、磁源定位算法、三维重建算法、三维配准算法、脑网络图谱分析算法。
3.根据权利要求1所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述脑磁信号分析软件包和所述脑电信号分析软件包用于脑磁信号与脑电信号的同步采集。
4.根据权利要求1所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述传感模块包括头盔、定位探头和磁强计探头，所述头盔上均匀分布有安装槽口，所述定位探头和所述磁强计探头设置于所述头盔上，所述头盔可穿戴并能保证所述磁强计探头与头皮表面直接接触。
5.根据权利要求4所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述头盔由3D打印技术制作。
6.根据权利要求1所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述数据收集模块包括磁强计单元和定位单元，所述磁强计单元用于测定微弱脑磁场，所述定位单元用于对所述头盔和所述磁强计探头进行三维空间定位。
7.根据权利要求1所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述软件模块还包括磁源定位单元、脑功能范式软件包，其中，
所述脑磁信号分析软件包用于对所述数据收集软件包的数据文件进行分析，以将分析结果用于大脑功能性活动成像技术；
所述磁源定位单元用于进行结构影像、功能图像和实时数字化三维集成，以帮助医生进行手术导航；
所述脑功能范式软件包用于设计刺激方案，安排任务呈现，控制实验进程；
所述脑电信号分析软件包通过分析细胞群产生的脑电图信号进行脑功能研究。
8.根据权利要求1所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述屏蔽模块为屏蔽筒，所述屏蔽筒内在0.1～150Hz频段下，交流磁场噪声低于15fT，直流磁场噪声在50nT以下。
9.根据权利要求1所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述屏蔽模块为屏蔽室，所述屏蔽室内在0.1～150Hz频段下，交流磁场噪声低于15fT，屏蔽室内直流磁场噪声在50nT以下。
10.根据权利要求4所述的一种基于原子磁强计的高精度多通道脑磁图系统，其特征在于，所述安装槽口的横截面尺寸为13*11mm，所述定位探头的横截面尺寸为14*13mm。
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