CN113842147B - 一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，稳频激光器输出的偏振激光经保偏光纤入射光纤分束单元获得分束激光，各个分束激光经过偏振可调准直单元后入射原子蒸气室阵列单元中对应的原子蒸气室的入射端面并从原子蒸气室的出射端面出射，原子蒸气室的顶部端面作为探测端面，各个原子蒸气室出射的激光经光检偏单元后由对应的光探测单元将光信号转换为光强电信号。本发明原子蒸气室阵列由多个原子蒸气室阵列单元组成，集成布局在柔性基板上，易于获得较高的空间分辨率磁场测量；使用Cs原子及NMOR方式时，可工作在室温环境；仅使用一台激光器，操作简单，磁场测量灵敏度较高。本发明装置在生物微弱磁场测量领域具有重要应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微弱生物磁场信号、磁场强度和磁场分布的测量等领域，具体涉及用于获取人体心磁图或脑磁图的一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置。
背景技术
生物磁场研究的意义在于能够获得生物的生理过程及病理等重要信息。生物的磁信号非常微弱，例如，由人体内生物电流产生的心磁的强度约为pT量级，而脑磁的强度约百fT量级。因此，需要使用高灵敏度的测磁仪器才能够获取人体心磁图(magnetocardiography,MCG)和脑磁图(magnetoencephalography,MEG)。
超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)磁力仪是一种可达到～1fT/Hz1/2灵敏度的商用微弱磁场测量仪器，其工作在使用液氦冷却的低温环境，能够用于人体的MCG测量[Cohen D et al.,Magnetocardiograms taken insidea shielded room with a superconducting point-contact magnetometer,AppliedPhysics Letters,1970,16(7):278-280.]，以及人体MEG的测量[Cohen D,Magnetoencephalography detection of the brain′selectricalactivity with asuperconducting magnetometer,Science,1972,175(4022):664-666.]。
原子磁力计是通过激光技术测量磁场中自旋极化原子的拉莫尔进动来实现磁场探测，其灵敏度已经达到了与SQUID磁力计可媲美的水平。例如，当前无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation-free,SERF)原子磁力计的实验测量灵敏度已达0.16fT/Hz1/2[Dang H B et al.,Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetizationmeasurements with an atomic magnetometer,Applied Physics Letters,2010,97(15):151110.]。因此，高灵敏原子磁力计的重要应用之一就是测量微弱生物磁场，特别地，在磁屏蔽的超低场环境里用作人体心脏和脑部的测磁仪器。例如，使用SERF原子磁力计测量孕妇胎儿的心磁[Wyllie R et al.,Optical magnetometer array for fetalmagnetocardiography,Optics Letters,2012,37(12):2247-2249.]，以及进行脑磁研究[Xia H et al.,Magnetoencephalography with an atomic magnetometer,AppliedPhysics Letters,2006,89(21):211104.]等。
现有方法和技术中，使用可工作于常温下的高灵敏度原子磁力计测量微弱生物磁场是一种优选。通常以组合多个原子磁力计进行人体心脏、脑部的部分覆盖或者全覆盖进行测量，从而能够获取人体的MCG和MEG。例如，当前美国Quspin公司的商业化零场磁力计(QZFM，Gen-2)应用于心/脑磁测量时需组合多个原子磁力计探头，而每一个原子磁力计都独立集成激光器和其它光学器件，需要分别进行调节与校准，增加了操作的复杂度；此外，由于每一个原子磁力计都有各自的独立工作参数(例如，温度，激光频率，激光功率，磁场补偿，探测灵敏度等)，使组合的多个原子磁力计各自工作参数都调节一致非常困难；最后，由独立的多个原子磁力计探头测量获取的人体心/脑磁信号，也需繁琐的多重数据后处理及标定，才能获得人体的MCG和MEG。由于单个集成的原子磁力计探头的尺寸较大，无法实现较高的空间分辨率磁场测量，从而不利于对心/脑部位进行准确定位或成像；另外，因其重量原因，也不适合将大量原子磁力计探头固定在柔性基板上实现与人体部位的紧密贴合，因而将影响高磁场测量灵敏度的获得。因此，迫切需要发展新型基于原子磁力计的人体心/脑磁场测量设备，使得对微弱生物磁场的测量更加便捷和准确。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在不足，提供一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置。
本发明的上述目的通过以下技术手段实现：
一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，包括包括稳频激光器，稳频激光器输出的偏振激光经保偏光纤入射光纤分束单元，光纤分束单元将入射的偏振激光分束为多个分束激光，各个分束激光经过偏振可调准直单元后入射原子蒸气室阵列单元中对应的原子蒸气室的入射端面，并从原子蒸气室的出射端面出射，各个原子蒸气室的顶部端面作为探测端面，各个原子蒸气室出射的激光经光检偏单元后由对应的光探测单元将光信号转换为光强电信号。
如上所述各个光探测单元输出的光强电信号经集束信号电缆线传输后被多通道数据采集卡进行数据采集，多通道数据采集卡采集的各路光强电信号输入到控制与图像处理计算机。
如上所述的原子蒸气室阵列单元位于亥姆赫兹线圈单元中，控制与图像处理计算机通过集束控制电缆线与亥姆赫兹线圈单元连接。
如上所述的原子蒸气室阵列单元中的原子蒸气室为方形，原子蒸气室包括顶部端面、底部端面和四个侧部端面，其中一对相对的侧部端面分别作为入射端面和出射端面，顶部端面作为探测端面，底部端面内表面附有未蒸气化的碱金属。
如上所述的原子蒸气室阵列中包含有多个原子蒸气室阵列单元，原子蒸气室阵列单元中的原子蒸气室呈直线排列。
如上所述的偏振激光为线偏振激光，原子蒸气室内填充Cs原子，稳频激光器工作于Cs原子的D1线波长894.6nm。
如上所述的原子蒸气室的顶部端面设置在柔性基板上。
如上所述的柔性基板为聚四氟乙烯薄膜或编织布。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、与组合多个原子磁力计探头的方式相比，本发明无需使用多台激光器，而使用集成布局在柔性基板上原子蒸气室阵列，结构简单，易于小型化，有助于可穿戴式心/脑磁图设备的发展；
2、集成布局在柔性基板上的原子蒸气室的尺寸较小，有利于实现高空间分辨率的磁场测量；且原子蒸气室的数量可根据实际测量需求改变，有利于获取更完整的磁场分布信息；
3、仅使用一台激光器作为光源。对于原子蒸气室阵列来说，用于每个原子蒸气室的激光波长、功率大小、偏振方向及噪声水平相同，有效消除了由使用不同激光引入的系统噪声；
4、对于人体心/脑磁测量，通过原子蒸气室阵列中的每一个原子蒸气室获得的数据可比拟，综合后处理时更加简单和可靠，避免了参数标定和数据处理等过程引入误差；
5、使用Cs原子及NMOR方式，可工作在室温环境。与基于SERF原子磁力计(需工作在较高温度下)测磁方式相比，无需使用真空或者厚绝热板等方式隔离原子蒸气室和所测生物体，减小了测量距离，能够获得更高的生物体磁感应信号强度，有利于实现更高灵敏度的人体心/脑磁探测。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图中：1-稳频激光器；2-保偏光纤；3-光纤分束单元；4-集束偏振光纤；5-偏振可调准直单元；6-原子蒸气室阵列单元；7-亥姆赫兹线圈单元；8-光检偏单元；9-光探测单元；10-集束信号电缆线；11-多通道数据采集卡；12-控制与图像处理计算机；13-集束控制电缆线；101-原子蒸气室阵列。
图2为本发明的实施例示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合图1和图2实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
实施例中，原子蒸气室阵列101中的原子蒸气室内使用碱金属Cs原子，稳频激光器1工作于碱金属Cs原子D1线波长894.6nm，使用的单束线偏振激光(其由旋转方向相反、频率相同的σ+圆偏振光和σ-圆偏振光组成)，通过保偏光纤2、光纤分束单元3、集束偏振光纤4和偏振可调准直单元5，为每一个原子蒸气室提供NMOR工作方式下的泵浦光和探测光。
本发明提供一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，采用“一台激光器+原子蒸气室阵列”的方式，可进一步扩展用于其他微弱生物磁场的测量。基于原子蒸气室阵列101的原子磁力计结构，能够极大地提高工作性能、以及用于微弱生物磁场(包括人体心/脑磁等)测量的效率。
一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，包括稳频激光器1，还包括保偏光纤2，稳频激光器1输出的偏振激光经保偏光纤2入射光纤分束单元3，光纤分束单元3将入射的偏振激光分束为多个分束激光，各个分束激光经过偏振可调准直单元5后入射原子蒸气室阵列单元6中对应的原子蒸气室的入射端面并从原子蒸气室的出射端面出射，各个原子蒸气室的顶部端面作为探测端面，各个原子蒸气室出射的激光经光检偏单元8后由对应的光探测单元9将光信号转换为光强电信号，各个光探测单元9输出的光强电信号经集束信号电缆线10传输后被多通道数据采集卡11进行数据采集，多通道数据采集卡11采集的各路光强电信号输入到控制与图像处理计算机12，原子蒸气室阵列单元6位于亥姆赫兹线圈单元7中心位置，控制与图像处理计算机12通过集束控制电缆线与亥姆赫兹线圈单元7连接，各个原子蒸气室阵列单元6构成原子蒸气室阵列101。
原子蒸气室阵列101由多个原子蒸气室阵列单元6组合而成，在本实施例中，如图2所示：每个原子蒸气室阵列单元6中包含有7个原子蒸气室，集成布局在柔性基板上作为微弱生物磁场测量探头，其中1个用于标定原子蒸气室的工作参数；使用的原子蒸气室数量是依据对于不同人体的心脏磁场或者脑部磁场测量而具体确定，举例的原子蒸气室阵列101包括4个原子蒸气室单元6共计28个原子蒸气室，其仅仅为测量心/脑磁时对于心脏或者脑部的部分覆盖。
原子蒸气室阵列101工作时，每一个原子蒸气室的顶部端面作为探测端面朝着人体心脏或者人体脑部，来自于偏振可调准直单元5的激光沿光轴方向，从原子蒸气室侧面的入射端面通过原子蒸气室中的原子蒸气后，从对向侧面的出射端面离开原子蒸气室。
偏振可调准直单元5、光检偏单元8和光探测单元9与原子蒸气室阵列101配套使用。
原子蒸气室阵列单元6，可构建成一个包含多个(本实施例为7个)原子蒸气室的原子磁力计。
稳频激光器1，工作于碱金属Cs原子D1线894.6nm波长，集成一个圆柱型Cs原子蒸气室，以饱和吸收方式稳频，与保偏光纤2联用作为稳频光纤激光单元，激光输出功率范围典型地为40mW～250mW；
保偏光纤2，为Cs原子894.6nm波长工作的偏振光纤，匹配于稳频激光器1使用；
光纤分束单元3，由1个或者多个光纤分束器组成，使用全息图方法，功能为将一束偏振激光分成多束工作参数(功率、偏振、模式等)相同的激光，应用中，分束的数量与原子蒸气室阵列101中的原子蒸气室数量相同，如图2所示实施例中，使用的是1分2加上四个1分7，共计分为了28束～几十μW量级的激光，对应于原子蒸气室阵列101中的28个原子蒸气室；
集束偏振光纤4，用于传输来自光纤分束单元3的多束分束激光，集束偏振光纤4中的偏振光纤的数量与应用中与光纤分束单元3的分束数量相同；
偏振可调准直单元5，由棱镜、偏振片和准直镜等器件组成，功能是校准来自集束偏振光纤4的激光、并使之准直输出到原子蒸气室阵列101中每一个原子蒸气室的侧面的入射端面上；
原子蒸气室阵列单元6，原子蒸气室阵列单元6由多个原子蒸气室组合而成，本实施例中为7个。原子蒸气室由光胶方式制作，材质为派瑞克斯(Pyrex)玻璃，内壁使用了减少原子壁弛豫的涂层，通过热熔方式使得内部封装有碱金属Cs作为工作介质。本实施例中，典型的原子蒸气室为方形(不限于此形状，例如可以是长方形、十字型、柱形等)，尺寸为3mm×3mm×3mm(不限于此尺寸)。每一个原子蒸气室由一个顶部端面+四个侧部端面+底部端面共六个平板端面组成，其中：顶部端面作为微弱生物磁场(例如，心、脑磁)探测端面；侧面沿光轴方向的两个端面为镀有增透膜的激光入射端面和出射端面。在本实施例中，原子蒸气室阵列单元6中的原子蒸气室的顶部端面与柔性基板连接，作为一种可实施方式，原子蒸气室阵列单元中的原子蒸气室呈直线排列，原子蒸气室也可呈其他设定方式排列，原子蒸气室的底部端面内表面附有微量未蒸气化的碱金属Cs，每一排中的原子蒸气室间距相同。原子蒸气室阵列单元6位于用于磁场补偿、脉冲序列操作的亥姆赫兹线圈单元7中。
亥姆赫兹线圈单元7，为方形结构(不限于此形状)，包括两组三维亥姆赫兹线圈，由控制与图像处理计算机12通过集束控制电缆13保证其工作，为原子蒸气室阵列单元6提供磁场补偿、脉冲序列等操作。
光检偏单元8，由偏振分光器、波片等光学器件组成，功能是区分泵浦光与探测光通过原子蒸气室阵列101中每一个原子蒸气室后不同偏振角度的出射光，并分别输出到对应的光探测单元9里；
光探测单元9，由多个四象限探测器或者多个平衡光电探测器组成，功能是将光信号转换为电信号，与光检偏单元8配套使用；
集束信号电缆线10，功能是将来自光探测单元9中每一个探测器的电信号进行传输；
多通道数据采集卡11与控制与图像处理计算机12，用于所测人体心/脑磁场数据的采集、计算、处理，给出人体的MCG和MEG。
原子蒸气室阵列101，由多个原子蒸气室阵列单元6组成，原子蒸气室阵列单元6中包括多个原子蒸气室，原子蒸气室阵列101中包括的原子蒸气室典型的数量范围为14～126个，使用的数量是依据对于不同人体的心脏磁场或者脑部磁场测量表面积尺寸而具体确定。图2所示的是4个原子蒸气室阵列单元6共计28个原子蒸气室的实施例，其可用于心磁测量或者脑磁(部分覆盖)的测量。如果用于脑磁(全覆盖)测量，则可使用18个原子蒸气室阵列单元6共计126个原子蒸气室，其中，预先分别使用每个阵列单元中的一个原子蒸气室用于阵列单元工作参数的标定。
本发明工作过程表述如下：
首先，依据对于不同人体的心脏磁场或者脑部磁场测量表面积尺寸而具体确定使用原子蒸气室阵列101中包括的原子蒸气室数量；典型地，对于人体心磁测量，原子蒸气室数量为14(胸前部分)～63个(胸前加后背)，对于人体脑磁测量，数量为14(部分覆盖)～126个(全覆盖)；
并且，本发明一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置工作于磁屏蔽室环境(磁屏蔽室，或者磁屏蔽筒等)内，也让本发明中的每一个仪器、部件都处于正常工作状态；
集成有原子蒸气室阵列101的柔性基板(绝缘、隔热材料，例如典型地聚四氟乙烯薄膜、编织布等)，工作时将集成有原子蒸气室阵列101的柔性基板密切接触所测量的人体；
稳频激光器1与保偏光纤2联合使用，出射在Cs原子D1线谱线稳频的偏振激光入射进入光纤分束单元3；
然后，依据偏振激光分束的数量与原子蒸气室阵列101中的原子蒸气室数量相一致的标准，将一束波长为894.6nm的偏振激光分成多束工作参数相同的激光，每束分束激光作为每一个原子蒸气室中原子蒸气的泵浦光与探测光；
来自集束偏振光纤4输出的多束激光通过偏振可调准直单元5，分别照射原子蒸气室阵列101中每一个原子蒸气室中的原子蒸气；
同时，控制与图像处理计算机12通过集束控制电缆线13、亥姆赫兹线圈单元7对原子蒸气室区域进行磁场补偿和脉冲序列等操作；
泵浦光与探测光与Cs原子蒸气相互作用，工作在室温和NMOR模式，通过每一个原子蒸气室后表征为不同偏振角度的出射光，并分别通过光检偏单元8输出到光探测单元9；
当光信号转换为电信号后，集束信号电缆线10将来自光探测单元9中每一个探测器的电信号传输多通道数据采集卡11；
最后，由控制与图像处理计算机12对原子蒸气室阵列101中每一个原子蒸气室所测人体心磁或者脑磁数据进行计算，并经过时频变换和频谱分析等综合处理，给出人体的MCG或者MEG。
本发明说明书中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充、或者采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，包括包括稳频激光器(1)，其特征在于，稳频激光器(1)输出的偏振激光经保偏光纤(2)入射光纤分束单元(3)，光纤分束单元(3)将入射的偏振激光分束为多个分束激光，各个分束激光经过集束偏振光纤(4)，偏振可调准直单元(5)后入射原子蒸气室阵列单元(6)中对应的原子蒸气室的入射端面，并从原子蒸气室的出射端面出射，各个原子蒸气室的顶部端面作为探测端面，各个原子蒸气室出射的激光经光检偏单元(8)后由对应的光探测单元(9)将光信号转换为光强电信号；
所述的原子蒸气室阵列(101)中包含有多个原子蒸气室阵列单元(6)，每个所述原子蒸气室阵列单元(6)中包含多个原子蒸气室；原子蒸气室阵列单元(6)中的原子蒸气室呈直线排列；
所述光纤分束单元(3)由1个或者多个光纤分束器组成，其功能为将一束偏振激光分成多束工作参数相同的所述分束激光；所述工作参数包括所述分束激光的功率、偏振、模式；所述分束激光的数量与所述原子蒸气室数量相同；
所述集束偏振光纤(4)用于传输来自所述光纤分束单元(3)的多个所述分束激光，所述集束偏振光纤(4)中的偏振光纤的数量与所述光纤分束单元(3)的所述分束激光数量相同；
所述原子蒸气室集成布局在柔性基板上作为微弱生物磁场测量探头，由其中1个所述原子蒸气室标定所述工作参数；
所述偏振可调准直单元(5)包括棱镜、偏振片和准直镜，校准来自集束偏振光纤(4)的激光、并使之准直输出到每一个所述原子蒸气室的侧面的入射端面上。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，其特征在于，各个光探测单元(9)输出的光强电信号经集束信号电缆线(10)传输后被多通道数据采集卡(11)进行数据采集，多通道数据采集卡(11)采集的各路光强电信号输入到控制与图像处理计算机(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，其特征在于，所述的原子蒸气室阵列单元(6)位于亥姆赫兹线圈单元(7)中，控制与图像处理计算机(12)通过集束控制电缆线(10)与亥姆赫兹线圈单元(7)连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，其特征在于，所述的原子蒸气室阵列单元(6)中的原子蒸气室为方形，原子蒸气室包括顶部端面、底部端面和四个侧部端面，其中一对相对的侧部端面分别作为入射端面和出射端面，顶部端面作为探测端面，底部端面内表面附有未蒸气化的碱金属。
5.根据权利要求1所述的一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，其特征在于，所述的偏振激光为线偏振激光，原子蒸气室内填充Cs原子，稳频激光器(1)工作于Cs原子的D1线波长894.6nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，其特征在于，所述的原子蒸气室的顶部端面设置在柔性基板上。
7.根据权利要求6所述的一种基于原子蒸气室阵列的心/脑磁测量装置，其特征在于，所述的柔性基板为聚四氟乙烯薄膜或编织布。
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