CN114002634A - 多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种多通道心磁探测系统磁场‑电压系数的标定装置，包括：电流激励装置，基于当前的控制指令输出对应激励电流至磁场生成机构；磁场生成机构在多通心磁图仪的磁强计区域内产生均匀磁场，磁强计受到均匀磁场激发产生电压信号；信号采集和分析装置采集所有磁强计输出的电压信号，记录各磁强计在不用磁场强度下的电压值，拟合各磁强计的电压‑磁场关系曲线，电压‑磁场关系曲线的拟合斜率即为电压‑磁场系数。所使用的双平面线圈产生的磁场均匀区范围及均匀区内的磁场均匀度较一般线圈大，因此接提升了电压‑磁场系数标定的精确度；双平面线圈之间是一个开放空间，适用于放置结构复杂、体积较大的心磁图仪系统，提升了标定操作的便利性。

Description

多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置及方法
技术领域
本发明属于磁场-电压系数标定技术领域，更具体地，本发明涉及一种多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置及方法。
背景技术
人的心脏在电生理活动过程中会伴随极微弱生物磁场(即心磁)的产生，心磁的精确探测在诊断心脏疾病、定位心脏异常区域等方面具有很大的临床应用潜力。探测心磁信号并进行心磁信号提取、成像、分析的系统即为心磁图仪。典型的心磁信号的强度为数十pT(10-12Tesla)，而地球磁场的典型强度为30～50μT(10-6Tesla)为探测到如此微弱的信号，使用极高磁场灵敏度的传感器是其中的关键。目前，可用于心磁探测的传感器有超导量子干涉磁强计(SQUID)及无自旋交换弛豫原子磁强计(SERF)，在这里我们统称为磁强计。
磁强计的作用是将微弱的心磁信号转换为可测量并采集到的电压信号，我们可通过磁场信号与电压信号的对应关系来反推得到磁强计探测到的磁场的强度，这种磁场信号与电压信号的对应关系即为磁场-电压系数。磁场-电压系数是磁强计的固有特征参数，与磁强计的设计参数、制造工艺等有关。理论上采用相同设计参数的磁强计的磁场-电压系数具有相同的理论值。但由于制造过程中的工艺偏差，或者由于磁强计所处环境的改变等原因，都会导致实际磁场-电压系数值偏离理论值。因此我们需要对心磁图仪中的所有磁强计的磁场-电压系数进行精确标定，系数标定结果的准确性直接影响到心磁图仪的可靠性和实用性。
磁场-电压系数标定原理为：通过专门设计的磁场生成机构产生一个已知磁场并施加到磁强计上，同时测量磁强计的电压输出，已知磁场与输出电压的比值即为磁场-电压系数。已知磁场的获得对于磁场-电压系数标定准确性具有重要意义，通常的磁场-电压系数标定装置中使用圆形线圈、Helmholtz线圈或者不同尺寸线圈的组合作为磁场生成机构。
圆形线圈产生的磁场可通过毕奥-萨法尔定律求得，使用圆形线圈进行标定时，需要准确获得磁强计与圆形线圈之间的空间位置关系，但由于磁强计(例如SQUID)一般放置在密闭恒温容器中，我们无法准确获得这个空间位置关系，故而标定得到的磁场-电压系数误差很大；同时，为获得多点阵列心磁信号以用于功能成像，心磁图仪系统中所包含的磁强计数量可达几十多个，并且磁强计的排列具有空间分层布局的特点，使用基于圆形线圈的标定装置逐个标定心磁图仪中的磁强计效率低下。
发明内容
本发明提供一种多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置，旨在改善上述问题。
本发明是这样实现的，一种多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置，所述装置包括依次连接的电流激励装置、磁场生成机构、信号采集分析装置；
电流激励装置基于当前的控制指令输出对应激励电流至磁场生成机构；
磁场生成机构在多通心磁图仪的磁强计区域内产生均匀磁场，磁强计受到均匀磁场激发产生电压信号；
信号采集和分析装置采集所有磁强计输出的电压信号，记录各磁强计在不同磁场强度下的电压值，拟合各磁强计的电压-磁场关系曲线，电压-磁场关系曲线的拟合斜率即为电压-磁场系数。
进一步的，磁场生成机构为双平面线圈，平面线圈内的导线按照离散电流密度函数所形成的等值线进行走线。
进一步的，电流激励装置包括依次连接的指令输出单元、D/A输出仪、阻抗匹配器及压控电流源；
指令输出单元，用于生成电压控制指令；
D/A输出仪，基于电压控制指令输出压控信号；
阻抗匹配器，用于D/A输出仪与压控电流源之间的阻抗匹配，同时将变压控信号输出至压控电流源；
压控电流源，基于压控制信号输出相应的激励电流值。
进一步的，信号采集分析装置包括：
N个信号放大器，N个信号放大器分别与N个磁强计的输出端连接；
A/D采集仪，连接N个信号放大器的输出端；
数据处理单元，对A/D采集仪输出的电压信号进行滤波，对相同磁场强度下各电压取平均，形成该磁场强度下的电压，将各磁场计在不同磁场下的电压拟合成电压-磁场关系曲线，其拟合斜率即为对应磁强计的电压-磁场系数。
本发明是这样实现的，一种多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1、生成新的电压控制指令，基于当前电压控制指令输出对应的激励电流至磁场生成机构；
S2、磁场生成机构在心磁图仪的磁强计区域内产生均匀磁场，磁强计受到均匀磁场激发产生电压信号；
S3、信号采集分析装置采集当前磁场下的平均电压，并记录电压-磁场强度值，执行步骤S1；
S4、将各磁场计在不同磁场下的电压拟合成电压-磁场关系曲线，其拟合斜率即为对应磁强计的电压-磁场系数。
本发明是这样实现的，一种磁场生成机构的设计方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1、基于心磁图仪系统所处的磁屏蔽室内尺寸确定两线圈平面的尺寸；
S2、在线圈中心位置处确定目标场区域，目标场区域完全覆盖心磁图仪中磁强计所在区域；
S3、根据电流边界条件确定平面线圈中各点的电流密度函数；
S4、确定两线圈平面的设计参数，求解电流密度函数中的系数矩阵Pnm；
S5、离散电流密度函数，形成等值线，等值线即为平面线圈的导线走线，并生成线圈坐标；
S6、双平面线圈的坐标导入有限元仿真软件中，建立双平面线圈有限元仿真模型，设定导线中电流值，进行仿真实验；
S7、获取目标场区域在仿真实验中的磁场均匀度，若与设计的均匀度匹配，则形成多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置中的磁场生成机构。
本发明提供的多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置具有如下有益技术效果：
1)本发明中所使用的双平面线圈产生的磁场均匀区范围及均匀区内的磁场均匀度较一般线圈大，因此直接提升了电压-磁场系数标定的精确度；
2)双平面线圈之间是一个开放空间，特别适用于放置结构复杂、体积较大的心磁图仪系统，提升了标定操作的便利性；
3)可一次性完成多通道心磁图仪系统中的所有磁强计的标定，极大提升了标定效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置结构示意图，
图2为本发明实施例提供的多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定方法流程图；
图3为本发明实施例提供的双平面线圈在XOY平面内的分布图；
图4为本发明实施例提供的双平面线圈有限元仿真模型；
图5为本发明实施例提供的目标场店区域内磁场分布示意图；
图6为本发明实施例提供的磁场生成机构的设计方法流程图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
图1为本发明实施例提供的多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置结构示意图，该装置包括：依次连接的电流激励装置、磁场生成机构、信号采集分析装置；
电流激励装置基于当前的控制指令输出对应激励电流至磁场生成机构，磁场生成机构在多通心磁图仪的磁强计区域内产生均匀磁场，磁强计受到均匀磁场激发产生电压信号；信号采集和分析装置采集所有磁强计输出的电压信号，记录各磁强计在不同磁场强度下的电压值，拟合各磁强计的电压-磁场关系曲线，电压-磁场关系曲线的拟合斜率即为电压-磁场系数。
在发明实施例中，磁场生成机构为双平面线圈，平面线圈内的导线按照离散电流密度函数所形成的等值线进行走线，其中，电流密度函数基于目标磁场值确定。
在本发明实施例中，电流激励装置包括：
依次连接的指令输出单元、D/A输出仪、阻抗匹配器及压控电流源，其中，指令输出单元，用于生成电压控制指令；D/A输出仪，基于电压控制指令输出压控信号，阻抗匹配器，用于D/A输出仪与压控电流源之间的阻抗匹配，避免因阻抗不匹配而引入的电流噪声问题压控电流源，同时将变压控信号输出至压控电流源，压控电流源基于压控制信号输出相应的激励电流值。
电流激励装置用于产生激励电流，因为双平面线圈需要通入电流才能激发出相应的磁场，以提供一个已知的标定磁场，这个标定磁场等于通入的电流与双平面线圈的线圈常数的乘积，线圈常数是线圈的特征值，与线圈的绕制方式直接相关，这里可通过有限元仿真获得。
在本发明实施例中，信号采集分析装置包括：
N个信号放大器，N个信号放大器分别与N个磁强计的输出端连接；
A/D采集仪，连接N个信号放大器的输出端，A/D采集仪采集信号时间为30～60s，；
数据处理单元，对A/D采集仪输出的电压信号进行滤波，对相同磁场强度下各电压取平均，形成该磁场强度下的电压，将各磁场计在不同磁场下的电压拟合成电压-磁场关系曲线，其拟合斜率即为对应磁强计的电压-磁场系数。
多通道心磁图仪内部的所有磁强计在感受到由双平面线圈激发出的均匀磁场后，会各自产生一个微弱电压输出，通过信号放大器将各磁强计的输出放大后，利用多通道A/D采集仪将信号采集并送入Labview软件平台中。通过Labview中编写好的信号处理程序首先将信号进行滤波以消除干扰噪声的影响；A/D采集仪采集信号时间为30～60s，统计这一时间段内的信号大小并取平均值，即为此次均匀磁场条件下的电压输出；改变激励电流大小，重复上述滤波、统计平均步骤，获得多个不同大小的均与磁场条件下的电压输出，并将所得所有数据存储起来；最后拟合电压-磁场关系曲线，其拟合斜率即为电压-磁场系数，每一个磁强计都有一个电压-磁场关系曲线与之对应。
图2为本发明实施例提供的多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定方法流程图，该方法具体包括如下步骤：
S1、生成新的电压控制指令，基于当前电压控制指令输出对应的激励电流至磁场生成机构；
S2、磁场生成机构在心磁图仪的磁强计区域内产生均匀磁场，磁强计受到均匀磁场激发产生电压信号；
S3、信号采集分析装置采集当前磁场下的平均电压，并记录电压-磁场强度值，执行步骤S1；
S4、将各磁场计在不同磁场下的电压拟合成电压-磁场关系曲线，其拟合斜率即为对应磁强计的电压-磁场系数。
在本发明实施例中，磁场大小可通过激励电流大小与线圈常数的乘积求得。
图6为本发明实施例提供的磁场生成机构的设计方法流程图，该方法具体包括如下步骤：
1、确定尺寸参数：根据心磁图仪系统体积及其所处的磁屏蔽室内尺寸，确定双平面线圈的长Lx、宽Ly，以及两线圈平面之间的间距a，一般情况下，两线圈平面分别布置于磁屏蔽室的两侧壁；
2、确定匀场区域：目标场区域可设置为线圈中心位置处的一个正方体区域，正方体边长为L，该正方体区域完全覆盖心磁图仪中磁强计所在区域，
以平面线圈的长度方向为x轴、宽度方向为y轴，平面线圈的延伸方向为z轴建立坐标系，在正方体区域内均匀划分网格，网格边长为d，格点个数为(L/d+1)3，每个格点即为目标场点，目标场点的坐标可表示为(xt,yt,zt)，预设所有目标场点上的磁场大小为Btarget，且方向相同，。
3、设定电流密度函数：根据电流边界条件即对称性条件，电流密度函数可表示如下
Figure BDA0003354812780000081
Figure BDA0003354812780000082
其中，Jx(x,y)、Jy(x,y)分别为电流密度函数的x方向和y方向分量，N、M分别为线圈在x方向和y方向的设计阶数，Lx、Ly分别为平面线圈的长度、宽度，Pnm为待求解系数矩阵，(x,y,z)表示平面线圈中各点坐标。
4、确定设计参数：根据毕奥-萨法尔定律，可根据电流密度函数计算各目标场点处的磁场函数表达式：
Figure BDA0003354812780000083
(xt,i,yt,i,zt,i)表示第i个目标场点坐标；Knm，i为单平面的线圈常系数；
对于双平面线圈，各目标场点处的磁场可以矩阵的形式表示为：
Bi＝PnmK+ nm,i-PnmK- nm,i＝PnmGnm,i
K+ nm,i为双平面线圈中一个平面上的线圈常系数；K- nm,i为双平面线圈另一个平面上的线圈常系数；Gnm,i为平面线圈的总常系数矩阵。
引入曲率矩阵Qnm,n′m′作为惩罚项：
Figure BDA0003354812780000091
根据Tikhonov定则建立目标方程：
Figure BDA0003354812780000092
Btarget,i表示第i个目标场点的预设磁场大小，对目标方程求导：
Figure BDA0003354812780000093
最后可求出待定系数矩阵表达式：
Pnm＝(2Gnm,i*GT nm,i+λ*Qnm,n′m′)-1*(2Gnm,i*Btarget,i)
待定系数矩阵Pnm表达式中包含三个待确定参数M、N、λ，参数的确定是一个优化过程，需结合计算机运行效率以及最终线圈的匀场性能确定，一般地，M、N取值在4～10之间，λ取值在10-14～10-12之间。
5、待定系数求解：将尺寸参数、目标场点坐标及目标磁场值、设计参数带入待定系数矩阵表达式中，利用Matlab平台求解出待定系数矩阵，从而求得电流密度函数Jx(x,y)、Jy(x,y)的函数表达式。
6、流函数离散化：流函数S(x,y)与电流密度函数之间满足如下关系
Figure BDA0003354812780000094
从而
Figure BDA0003354812780000095
通过以下关系可实现对流函数的等间距切割
S(x,y)＝Smin+(k-0.5)I0,k＝1,2,...,K
其中，k为切割线的数目，I0＝(Smax-Smin)/k，Smax、Smin分别表示流函数的最大值和最小值。
切割流函数后可获得等值线，等值线即为线圈内导线走线图，基于Matlab可获得这些导线的坐标，一种设计完成的双平面线圈在XOY平面内的分布如图3，其中实线代表电流方向为正，虚线代表电流方向为负。
将双平面线圈的坐标导入有限元仿真软件中(如COMOSL)，可建立双平面线圈有限元仿真模型，如图4；仿真值与设定值匹配判断：根据图3及双平面线圈对称特性设定双平面线圈中所有导线的电流的正负方向，并设定所有导线中电流为1A，配置仿真环境及仿真条件，运行软件，观察预设的正方体区域内磁场分布情况，如图5。
获得线圈设计图形：判断匀场区域内的磁场均匀度的仿真结果是否与设计值匹配，如果匹配，则确定该线圈设计即为所需。
最后，在得到的线圈图形的基础上，通过PCB印刷电路精密加工方法，获得最终双平面线圈实体。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合n的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的电流激励装置、磁场生成机构、信号采集分析装置；
电流激励装置基于当前的控制指令输出对应激励电流至磁场生成机构；
磁场生成机构在多通心磁图仪的磁强计区域内产生均匀磁场，磁强计受到均匀磁场激发产生电压信号；
信号采集和分析装置采集所有磁强计输出的电压信号，记录各磁强计在不同磁场强度下的电压值，拟合各磁强计的电压-磁场关系曲线，电压-磁场关系曲线的拟合斜率即为电压-磁场系数。
2.如权利要求1所述多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置，其特征在于，磁场生成机构为双平面线圈，平面线圈内的导线按照离散电流密度函数所形成的等值线进行走线。
3.如权利要求1所述所述多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置，其特征在于，电流激励装置包括依次连接的指令输出单元、D/A输出仪、阻抗匹配器及压控电流源；
指令输出单元，用于生成电压控制指令；
D/A输出仪，基于电压控制指令输出压控信号；
阻抗匹配器，用于D/A输出仪与压控电流源之间的阻抗匹配，同时将变压控信号输出至压控电流源；
压控电流源，基于压控制信号输出相应的激励电流值。
4.如权利要求1所述所述多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置，其特征在于，信号采集分析装置包括：
N个信号放大器，N个信号放大器分别与N个磁强计的输出端连接；
A/D采集仪，连接N个信号放大器的输出端；
数据处理单元，对A/D采集仪输出的电压信号进行滤波，对相同磁场强度下各电压取平均，形成该磁场强度下的电压，将各磁场计在不同磁场下的电压拟合成电压-磁场关系曲线，其拟合斜率即为对应磁强计的电压-磁场系数。
5.基于权利要求1至4任一权利要求所述多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置的多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、生成新的电压控制指令，基于当前电压控制指令输出对应的激励电流至磁场生成机构；
S2、磁场生成机构在心磁图仪的磁强计区域内产生均匀磁场，磁强计受到均匀磁场激发产生电压信号；
S3、信号采集分析装置采集当前磁场下的平均电压，并记录电压-磁场强度值，执行步骤S1；
S4、将各磁场计在不同磁场下的电压拟合成电压-磁场关系曲线，其拟合斜率即为对应磁强计的电压-磁场系数。
6.一种磁场生成机构的设计方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、基于心磁图仪系统所处的磁屏蔽室内尺寸确定两线圈平面的尺寸；
S2、在线圈中心位置处确定目标场区域，目标场区域完全覆盖心磁图仪中磁强计所在区域；
S3、根据电流边界条件确定平面线圈中各点的电流密度函数；
S4、确定两线圈平面的设计参数，求解电流密度函数中的系数矩阵Pnm；
S5、离散电流密度函数，形成等值线，等值线即为平面线圈的导线走线，并生成线圈坐标；
S6、双平面线圈的坐标导入有限元仿真软件中，建立双平面线圈有限元仿真模型，设定导线中电流值，进行仿真实验；
S7、获取目标场区域在仿真实验中的磁场均匀度，若与设计的均匀度匹配，则形成权利要求1至4任一权利要求所述多通道心磁探测系统磁场-电压系数的标定装置中的磁场生成机构。
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