CN113520399B - 一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，该系统主要包括：磁屏蔽桶(房)，低噪声程控电流源、亥姆霍兹线圈阵列。磁屏蔽桶(房)用于屏蔽地球磁场及其他外界磁场，同时也为使用原子磁强计测量产生的心脏磁场提供工作条件，低噪声程控电流源用于产生模拟心脏磁场所需要的电流，同时程控电流源也具有方便模拟动态信号系统的优点，亥姆霍兹线圈阵列用于产生心磁测量中胸腔表面法向的心脏磁场。本发明提出的系统可产生胸腔表面法向的心脏磁场应用于医学领域的研究，方便模拟病人的心脏磁场和原子磁强计探头的标定。

Description

一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统

技术领域

本发明属于生物医学领域，涉及一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统。

背景技术

人体的心脏磁场包含着许多生物电生理和病理信息，心磁图(MCG)是一种完全非接触、非侵入式的心脏磁场被动式测量方法。因为磁导率在人体的各个部位变化不大，所以心磁图的分辨率要高于传统的心电图(ECG)。心磁图在医疗、生命科学等领域拥有极高的探索潜力和广阔的应用前景，其在诊断心律失常、心肌缺血、房颤消融术定位等方面都有广泛的应用。

用于测量心磁图的心磁仪不产生辐射，不使用显影剂，相对于CT来说更加安全可靠，心磁仪也不产生外部强磁场，不与病人接触，所以做过心脏支架的患者能够安全的使用心磁仪。目前医疗领域应用的心磁仪主要有SQUID(超导量子干涉)心磁仪和SERF(Spin-Exchange Relaxation-Free，无自旋交换弛豫)原子磁强计心磁仪。SQUID心磁仪在使用的时候需要工作在低温环境，进而液氮进行冷却，所以仪器比较笨重且仪器本身维护成本昂贵。SERF原子磁强计心磁仪的灵敏度高于SQUID心磁仪，且不需要工作在低温环境下，体积也具有微型化，集成化的优势，便于多通道的心磁测量设计，所以目前SERF原子磁强计心磁仪的应用前景更加广泛。

SERF原子磁强计心磁仪为了标定探头的灵敏度，验证MCG信号的完整性，检验SERF原子磁强计心磁仪疾病诊断的准确性，需要人体去实际进行测量，但是当校验疾病的诊断准确性时不方便寻找病人来测量，因此本发明使用一种亥姆霍兹线圈阵列模拟心脏竖直方向的磁场，在磁屏蔽桶(房)的工作条件下，通过低噪声程控电流源产生模拟心脏磁场的电流，进而产生模拟心脏竖直方向强度在pT量级的磁场。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，利用亥姆霍兹线圈产生匀强磁场用于模拟生物磁场，具体是利用亥姆霍兹线圈阵列模拟心脏竖直方向的磁场，便于SERF原子磁强计心磁仪的探头标定，验证MCG信号的完整性，检验SERF原子磁强计心磁仪疾病诊断的准确性。同时在对SERF原子磁强计心磁仪进行研究时，使用本发明也避免了需要人体反复来实验的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，所述系统包括：磁屏蔽桶(房)1、亥姆霍兹线圈阵列2和低噪声程控电流源3；磁屏蔽桶(房)1用于屏蔽地磁场和环境磁场，内部工作区域的剩磁需要在20nT以内；低噪声程控电流源3置于磁屏蔽桶(房)1外部，用于提供亥姆霍兹线圈阵列2所需要的电流，输出合成的心磁信号，满足噪声水平和精度水平要求，并且提供人机交互界面；亥姆霍兹线圈阵列2置于磁屏蔽桶(房)1内，此阵列以4×4的方式排列，模拟产生心脏竖直方的磁场，满足多通道SERF原子磁强计使用所需。

进一步地，所述磁屏蔽桶(房)1包括：内层为环氧或铝层，外层为铝层，中间为多层高导磁坡莫合金，一端底，另一端为活盖。

进一步地，所述亥姆霍兹线圈阵列2包括：线圈形式选择为亥姆霍兹线圈，上下两组线圈匝数均为1，即单导线线圈，导线直径设为1mm，线圈半径R设置为2cm，因而h＝R＝2cm；相邻两线圈中心轴距离设置为5cm。线圈供电直导线采取临近设计的方式，即令电流流入端供电导线与电流流出端供电导线紧密贴合。这样设计的目的是使供电导线磁场相互抵消从而对线圈磁场影响降到最低，同时以阵列的形式能适应多通道SERF原子磁强计测量的要求。

进一步地，所述低噪声程控电流源3包括：电源模块、AD模块，DA模块，功放模块、MCU控制模块和人机交互模块，这几个模块之间采用集成化的连接方式，同时设计在一块PCB印刷电路板上面。其应满足能够产生满足模拟心脏磁场所需要的电流值要求，且具有模拟动态信号系统的优点，模拟产生心脏竖直方向的心磁信号，还可以调节各个波群的持续时间以及幅值，同时低噪声程控电流源满足产生心脏磁场的低噪声和高精度要求。

特别地，本发明通过如下实现：

一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，主要包括：磁屏蔽桶(房)1、低噪声程控电流源3、亥姆霍兹线圈阵列2。低噪声程控电流源3置于屏蔽桶(房)1外部，亥姆霍兹线圈阵列2放置于磁屏蔽桶(房)1内，低噪声程控电流源3产生模拟心磁电流信号，亥姆霍兹线圈阵列2产生心脏竖直方向磁场。将合成的心磁信号输入到程控电流源的微控制器(MCU)中，然后通过程控电流源输出到亥姆霍兹线圈阵列中产生模拟心脏竖直方向的磁场。

1)磁屏蔽桶或磁屏蔽房

心脏磁场强度在pT量级，而地球磁场强度在6×10⁷pT左右，因此心脏磁场的测量需要在磁屏蔽的环境内，磁屏蔽桶(房)1用于屏蔽地磁场和环境磁场。磁屏蔽桶(房)1内部工作区域的剩磁需要在20nT以内，以便为SERF原子磁强计提供工作环境。磁屏蔽桶使用三层坡莫合金制成，对弱磁场的磁导率极高而且具有很好的塑性。

2)低噪声程控电流源

因为心脏磁场信号不同于正常的正弦信号或者其他简易信号，所以利用程控电流源便于心脏磁场信号的输入。同时因为心脏磁场强度的量级在pT量级，所以需要用到低噪声的程控电流源防止噪声对输出磁场产生影响。采用低噪声程控电流源3也避免了因为设计亥姆霍兹线圈阵列2和亥姆霍兹线圈阵列2输入导线所带来的额外的输出阻抗产生影响。本发明使用的低噪声程控电流源3同时具有连续可调功能，输出范围大，可实现恒流输出和任意波形输出，适合用于模拟动态信号系统。本发明设计的低噪声程控电流源具有输入屏幕，方便恒流输出和波形输出，便于操作使用。

3)亥姆霍兹线圈阵列

亥姆霍兹线圈是一种制造小范围匀强磁场的器件，其均匀区体积大，使用空间开阔，操作简便。可实现一维、二维、三维组合磁场，可提供交、直流磁场，并且其电流与磁场有很好的线性关系。亥姆霍兹线圈被广泛的应用于电子、生物、医疗、航空航天等各个学科，其主要用途有：产生标准磁场、地球磁场的抵消与补偿、地磁环境模拟、磁屏蔽效果的判定、电磁干扰模拟实验、霍尔探头和各种磁强计的定标、生物磁场的研究等。亥姆霍兹线圈是由一对完全相同的圆形导体线圈组成。这两个半径为R的圆形线圈的中心轴都与Z轴同轴。两个圆形线圈间距h等于两个圆形线圈半径R。两个圆形线圈的匝数相同，每一个导体线圈载有同向电流I，电流值与磁场强度有良好的线性关系。如图4所示，在亥姆霍兹线圈中心的刨面的磁场线分布。在两个线圈之间的磁场近似均匀。本发明充分利用了亥姆霍兹线圈产生匀强磁场的特性，利用亥姆霍兹线圈阵列2模拟心脏竖直方向的磁场。

本发明的基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统主要实现如下：

第一步，利用SERF原子磁强计在人体上实际采集心脏竖直方向的磁场信号作为原始信号，通过对原始信号进行傅里叶变换，分析出原始信号的频谱成分，然后利用得到的频谱成分合成出所需的心脏竖直方向磁场信号。使用这种方法方便之后模拟产生心脏竖直方向磁场时，同时还可以调节各个波群的持续时间以及幅值。

第二步，因为SERF原子磁强计心磁仪所用的探头都是多通道的，所以设计亥姆霍兹线圈阵列来满足多通道SERF原子磁强计使用所需。

第三步，设计一种低噪声电流源来产生亥姆霍兹线圈所需的电流，考虑到心脏磁场信号为动态模拟信号和便于操作，所以设计一款以MCU为主控的低噪声程控电流源。本发明所用低噪声程控电流源由这几部分组成：电池组供电部分，电源模块、AD模块，DA模块，功放模块、MCU控制模块，人机交互模块等几部分组成。

第四步，设计PCB印刷电路板，使系统集成化，之后将亥姆霍兹线圈阵列2放入磁屏蔽桶(房)1中利用SERF原子磁强计对整个系统的性能进行测试。

本发明提出的一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统所具有的优点是：

(1)本发明对利用SERF原子磁强计所获得的原始信号的频谱处理，能够合成出心脏竖直方向的磁场信号。同时本发明模拟产生的心脏竖直方向磁场还可以调节各个波群的持续时间以及幅值。

(2)本发明所使用的亥姆霍兹线圈阵列能够模拟心脏竖直方向的磁场，同时能够适应多通道SERF原子磁强计的使用要求，具有实现多通道的SERF原子磁强计测量的优势。

(3)本发明的低噪声程控电流源能够产生用于发生pT量级磁场所需的电流，同时具备对于心脏磁场的噪声影响极小的优势。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统的系统节结构图；

图中：1磁屏蔽桶(房)、2亥姆霍兹线圈阵列、3低噪声程控电流源；

图2为亥姆霍兹线圈阵列仿真建模图；

图3为亥姆霍兹线圈设计图；

图4为亥姆霍兹线圈产生磁场的剖面图；

图5为本发明的设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于亥姆霍兹线圈阵列模拟心脏磁场的系统，便于SERF原子磁强计心磁仪的探头标定，验证MCG信号的完整性，检验SERF原子磁强计心磁仪疾病诊断的准确性。同时在对SERF原子磁强计心磁仪进行研究时，使用本发明也避免了需要人体反复来实验的问题。

如图1所示，给出了一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统的系统结构图，该系统主要包括：磁屏蔽桶(房)1、亥姆霍兹线圈阵列2、低噪声程控电流源3。亥姆霍兹线圈阵列2置于磁屏蔽桶(房)1内部，用于产生心脏竖直方向的磁场。低噪声程控电流源3置于屏蔽桶(房)1外部，用于产生心磁所需电流信号。亥姆霍兹线圈阵列2与低噪声程控电流源3通过导线相连接。将合成的心磁信号输入到程控电流源的微控制器(MCU)中，然后通过程控电流源输出到亥姆霍兹线圈阵列2中产生模拟心脏竖直方向的磁场。本发明中，所述的磁屏蔽桶(房)表示磁屏蔽桶或磁屏蔽房。

(1)磁屏蔽桶(房)1

模拟心脏竖直方向磁场和系统测试都在磁屏蔽桶(房)1内进行。心脏磁场强度在pT量级，而地球具有60μT左右磁场，因此心磁的产生、心脏磁场的测量和系统测试需要在磁屏蔽环境下进行。磁屏蔽桶(房)1用于屏蔽地磁场和环境磁场，内部工作区域的剩磁需要在20nT以内，以便为SERF原子磁强计提供工作环境。磁屏蔽桶1内层为环氧或铝层，外层为铝层，中间为三层高导磁坡莫合金，一端底，另一端为活盖，对弱磁场的磁导率极高而且具有很好的塑性。

(2)亥姆霍兹线圈阵列

亥姆霍兹线圈是一种制造小范围匀强磁场的器件，其均匀区体积大，使用空间开阔，操作简便。可实现一维、二维、三维组合磁场，可提供交、直流磁场，并且其电流与磁场有很好的线性关系。亥姆霍兹线圈被广泛的应用于电子、生物、医疗、航空航天等各个学科，其主要用途有：产生标准磁场、地球磁场的抵消与补偿、地磁环境模拟、磁屏蔽效果的判定、电磁干扰模拟实验、霍尔探头和各种磁强计的定标、生物磁场的研究等。如图3所示，亥姆霍兹线圈是由一对完全相同的圆形导体线圈组成。这两个半径为R的圆形线圈的中心轴都与Z轴同轴。两个圆形线圈间距h＝R。两个圆形线圈的匝数相同，每一个导体线圈载有同向电流I，电流值与磁场值有良好的线性关系。

如图4所示，在亥姆霍兹线圈中心的刨面的磁场线分布。在两个线圈之间的磁场近似均匀。本发明充分利用了亥姆霍兹线圈产生匀强磁场的特性，利用亥姆霍兹线圈阵列2模拟心脏竖直方向的磁场。因为SERF原子磁强计心磁仪所用的探头都是多通道的，所以设计亥姆霍兹线圈阵列2来满足多通道SERF原子磁强计使用所需。

亥姆霍兹线圈阵列2置于磁屏蔽桶(房)1内，此阵列以4×4的方式排列，模拟心脏竖直方的磁场。

(3)低噪声程控电流源

因为心脏磁场信号不同于正常的正弦信号或者其他简易信号，所以利用程控电流源便于心脏磁场信号的输入。同时因为心脏磁场强度的量级在pT量级，所以需要用到低噪声的程控电流源防止噪声对输出磁场产生影响。采用低噪声程控电流源3也避免了因为设计亥姆霍兹线圈阵列2和亥姆霍兹线圈阵列2输入导线所带来的额外的输出阻抗产生影响。本发明使用的低噪声程控电流源3同时具有连续可调功能，输出范围大，可实现恒流输出和任意波形输出，适合用于模拟动态信号系统。本发明设计的低噪声程控电流源3具有输入屏幕，方便恒流输出和波形输出，便于操作使用。考虑到心脏磁场信号为动态模拟信号和便于操作，所以设计一款以MCU为主控的低噪声程控电流源3。

低噪声程控电流源3置于磁屏蔽桶(房)1外，用于提供亥姆霍兹线圈阵列2所需要的电流，输出合成的心磁信号，满足噪声水平和精度水平要求，并且提供人机交互界面方便操作。

如图5所示，本发明设计流程图如下：

第一步，利用SERF原子磁强计在人体上实际采集心脏竖直方向的磁场信号作为原始心磁数据，之后，首先需要对原始心磁数据进行处理，心磁信号主要集中在0.03Hz至45Hz之间，首先编写巴特沃斯低通数字滤波器滤除高频噪声部分，低通滤波器的参数设计如下，通带截止频率45Hz，阻带截止频率60Hz，通带衰减0dB，阻带衰减20dB。之后编写高斯窗函数零相移滤波器滤除低频漂移干扰以及50Hz工频干扰，经过上述处理过程的信号可以认为是较纯净的心磁信号。对上述信号进行傅里叶变换，分别得到其幅值信息(FFTAmplitude(f))与对应相位信息(FFTPhase(f))，将两种信息存储起来(只保留60Hz以下信息)，利用傅里叶级数的方式将信号合成输出所需的心脏竖直方向磁场信号。以下是合成公式：

使用这种方法方便之后模拟产生心脏竖直方向磁场时，同时还可以调节各个波群的持续时间以及幅值。

第二步设计、仿真线圈阵列几何参数设计如下：

(1)线圈形式选择为亥姆霍兹线圈，上下两组线圈匝数均为1,即单导线线圈，如图3所示；

(2)导线直径设为1mm，线圈半径R设置为2cm，因而h＝R＝2cm；

(3)相邻两线圈中心轴距离设置为5cm。

线圈供电直导线采取临近设计的方式，即令电流流入端供电导线与电流流出端供电导线紧密贴合，这样设计的目的是使供电导线磁场相互抵消从而对线圈磁场影响降到最低，线圈材料填充为铜，求解域材料填充为空气。为提高计算精度，有限元网格划分大小选择为“细化”。根据仿真结果，在以上设计参数的情况下，线圈中心部分半径1cm高1cm的圆柱体范围内磁场可认为是匀强磁场，亥姆霍兹线圈阵列仿真建模图如图2所示。

磁场数值计算：亥姆霍兹线圈磁场的理论计算公式为：

经过实际验证，理论计算后的磁场与仿真结果符合较好。

第三步设计低噪声程控电流源3，包括设计低噪声程控电流源3的电池组供电部分，电源模块、AD模块，DA模块，功放模块、MCU控制模块，人机交互模块等几部分。其应满足能够产生满足模拟心脏磁场所需要的电流值要求，且具有模拟动态信号系统的优点，模拟产生心脏竖直方向的心磁信号，还可以调节各个波群的持续时间以及幅值，同时低噪声程控电流源3满足产生心脏磁场的低噪声和高精度要求。同时也包括程控电流源的程序设计，包括人机交互串口通讯程序设计，DAC模块SPI通讯程序设计，此处可以采用硬件SPI或者软件模拟SPI，本发明考虑到控制的是多个亥姆霍兹线圈故采用软件模拟SPI设计。

第四步集成和测试，对设计好的低噪声程控电流源3和亥姆霍兹线圈阵列2进行PCB印刷电路板设计和加工，之后在磁屏蔽桶(房)1内部进行测试，把合成的心磁信号写入低噪声程控电流源内部，通过SERF原子磁强计进行测试。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于亥姆霍兹线圈阵列的心脏磁场模拟系统，其特征在于：所述系统包括：磁屏蔽桶(1)、亥姆霍兹线圈阵列(2)和低噪声程控电流源(3)；

磁屏蔽桶(1)用于屏蔽地磁场以及环境磁场，内部工作区域的剩磁需要在20nT以内；

低噪声程控电流源(3)置于磁屏蔽桶(1)外部，用于提供亥姆霍兹线圈阵列(2)所需要的电流，输出合成的心磁信号，满足噪声水平和精度水平要求，并且提供人机交互界面；

亥姆霍兹线圈阵列(2)置于磁屏蔽桶(1)内，此阵列以4×4的方式排列，模拟产生心脏竖直方的磁场，满足多通道SERF原子磁强计使用所需；

所述亥姆霍兹线圈阵列(2)包括：线圈形式选择为亥姆霍兹线圈，上下两组线圈匝数均为1，即单导线线圈，导线直径设为1mm，线圈半径R设置为2cm，因而h＝R＝2cm；相邻两线圈中心轴距离设置为5cm；线圈供电直导线采取临近设计的方式，即令电流流入端供电导线与电流流出端供电导线贴合；所述磁屏蔽桶(1)包括：内层为环氧或铝层，外层为铝层，中间为多层高导磁坡莫合金，一端底，另一端为活盖；所述低噪声程控电流源(3)包括：电源模块、AD模块，DA模块，功放模块、MCU控制模块和人机交互模块，这几个模块之间采用集成化的连接方式，同时设计在一块PCB印刷电路板上面。

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