CN114271826A - 一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置及方法，属于心磁成像领域。若干组原子磁场检测探头装载在无磁心磁检测板上；所述的原子磁场检测探头包括泵浦光部分、碱金属气体检测部分、反射光路部分、主控模块(23)、外壳(22)、磁屏蔽和磁补偿系统；所述的外壳(22)内的一侧设有泵浦光部分；所述的泵浦光部分的一侧出口前设有反射光路部分，所述的泵浦光部分的另一侧出口前设有碱金属气体检测部分；所述的主控模块(23)分别与泵浦光部分、反射光路部分相连；所述的外壳(22)内壁设有磁屏蔽和磁补偿系统。有益效果：使得检测精度高、成像质量好，分辨率高，同时实现了心脏磁场的多通道全方位检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置及方法，属于心磁成像领域。
背景技术
心磁图是一种无创性记录和分析心动周期中由心脏电活动所产生的电磁场中的磁成分的方法。目前主要采用超导量子干涉磁强计进行检测，利用低温超导技术，在零下269摄氏度低温时金属-铌的电阻变为零，成为超导体，在检测时，将一组线圈放置距探测源(心脏磁场)较近，另一组线圈放置距探测源较远，如果相同的背景噪音源距梯度仪线圈比较远时(远场源)，在梯度仪线圈周围空间分布均匀，无磁场变化，梯度仪对其不敏感。被测人体磁场距离梯度仪线圈很近(近场源)，在梯度仪线圈周围空间分布不均匀，磁场变化可测得。然而这种装置需要在超低温下运行，对环境、灵敏度要求苛刻，而且造价昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置及方法，使得检测精度高、成像质量好，分辨率高，同时实现了心脏磁场的多通道全方位检测。
为实现上述目的，本申请提出提供一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置及方法，一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，若干组原子磁场检测探头装载在无磁心磁检测板上；
所述的原子磁场检测探头包括泵浦光部分、碱金属气体检测部分、反射光路部分、主控模块、外壳、磁屏蔽和磁补偿系统；所述的外壳内的一侧设有泵浦光部分；所述的泵浦光部分的一侧出口前设有反射光路部分，所述的泵浦光部分的另一侧出口前设有碱金属气体检测部分；所述的主控模块分别与泵浦光部分、反射光路部分相连；所述的外壳内壁设有磁屏蔽和磁补偿系统。
进一步的，所述的泵浦光部分包括激光器、起偏器、第三透镜、第四透镜、第一分束棱镜、反射式纯相位空间光调制器、第五透镜、第六透镜、反射镜和m阶涡旋波片、第一物镜、针孔、第二物镜、第二分束棱镜；
激光器前侧设有起偏器，起偏器前侧设有第三透镜；所述的第三透镜前侧设有第四透镜，第四透镜前侧设有第一分束棱镜；所述第一分束棱镜的一侧出口前侧设有反射式纯相位空间光调制器，所述第一分束棱镜的另一侧出口前侧依次设有第五透镜、第六透镜、反射镜和m阶涡旋波片、第一物镜、针孔、第二物镜、第二分束棱镜。
进一步的，所述的碱金属气体检测部分包括依次相邻的原子气室和加热系统、1/8γ波片、反射镜。
进一步的，所述的反射光路部分依次包括偏振片、第三分束棱镜，所述的第三分束棱镜一侧出口前侧设有第一光电检测器，所述的第三分束棱镜另一侧出口前侧设有第二光电检测器。
进一步的，控制激光器输出的主控模块包括控制部分和数据采集与成像部分。
进一步的，所述的原子气室和加热系统由碱金属气室和包裹在气室外的加热结构组成。
进一步的，所述的激光器为小型激光器，可为光纤激光器、二极管激光器中的任意一种；所述激光器的波长由原子气室和加热系统中的碱金属原子能级跃迁谱线决定。
进一步的，所述主控模块还包括数据采集、处理和成像，主控模块对光电探测器检测到光强信息进行处理，将光强信号转换为电信号，在转换成磁场信息，最终实现磁场图像的检测。
进一步的，所述原子气室和加热系统中的碱金属气室内的碱金属原子为钾原子、铷原子、铯原子其中的任意一种或者任意两种按照特定混合；
所述原子气室和加热系统中的加热装置采用无磁电加热或激光加热方式中的一种。
本发明还请求保护一种所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测方法，包括如下步骤：
S1.心磁成像检测装置由3×3矩阵原子磁强计探头组成，9个检测探头组成的阵列装载在无磁心磁检测板上；
S2.在进行心脏磁场检测时，将检测装置置于人体心脏位置，同时采集9个磁强计探头每次所获得的磁场信息，及每次输出9个数据；
S3.在进行滤波、去噪等数据预处理后，对单通道信号提取R波，得到单通道各心跳周期数据，再对各心跳周期数据进行叠加平均，得到单通道上的一个心跳周期波形；
S4.所有通道数据依次处理，得到9个通道叠加平均后的心跳周期数据，得到心磁图像。
有益效果：采用单光束实现了原子磁场检测并将其用于心磁测量，较之前的技术具有巨大的优势：本发明专利基于单光束磁场成像原理和光场偏振调控技术，将相位-偏振光场调控技术应用于原子磁场测量装置，可以在一束光束中对光的偏振态进行像素级调控，提高了泵浦光的极化率，基于相位矢量化偏振模式调控方法实现了对泵浦光的高精度调控，使得检测磁场的分布信息具有更高的灵敏度和检测精度，本发明专利所提出的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测方法及装置检测精度高、成像质量好，分辨率高，实现了心脏磁场的多通道全方位检测。
附图说明
图1为原子磁场检测探头结构示意图；
图2为一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置结构示意图。
图中序号说明：1、激光器；2、起偏器；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第一分束棱镜；6、反射式纯相位空间光调制器；7、第五透镜；8、第六透镜；9、反射镜；10、m阶涡旋波片；11、第一物镜；12、针孔；13、第二物镜；14、第二分束棱镜；15、原子气室和加热系统；16、1/8γ波片；17、反射镜；18、偏振片；19、第三分束棱镜；20、第三分束棱镜(19)；20、第一光电检测器；21、第二光电检测器；22、外壳；23、主控模块。
具体实施方式
下面结合附图1～2和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
实施例1
如图1～2所示，一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，若干组原子磁场检测探头装载在无磁心磁检测板上；
所述的原子磁场检测探头包括泵浦光部分、碱金属气体检测部分、反射光路部分、主控模块23、外壳22、磁屏蔽和磁补偿系统；所述的外壳22内的一侧设有泵浦光部分；所述的泵浦光部分的一侧出口前设有反射光路部分，所述的泵浦光部分的另一侧出口前设有碱金属气体检测部分；所述的主控模块23分别与泵浦光部分、反射光路部分相连；所述的外壳22内壁设有磁屏蔽和磁补偿系统。
所述的泵浦光部分包括激光器1、起偏器2、第三透镜3、第四透镜4、第一分束棱镜5、反射式纯相位空间光调制器6、第五透镜7、第六透镜8、反射镜9和m阶涡旋波片10、第一物镜11、针孔12、第二物镜13、第二分束棱镜14；
激光器1前侧设有起偏器2，起偏器2前侧设有第三透镜3；所述的第三透镜3前侧设有第四透镜4，第四透镜4前侧设有第一分束棱镜5；所述第一分束棱镜5的一侧出口前侧设有反射式纯相位空间光调制器6，所述第一分束棱镜5的另一侧出口前侧依次设有第五透镜7、第六透镜8、反射镜9和m阶涡旋波片10、第一物镜11、针孔12、第二物镜13、第二分束棱镜14。
所述的碱金属气体检测部分包括依次相邻的原子气室和加热系统15、1/8γ波片16、反射镜17。
所述的反射光路部分依次包括偏振片18、第三分束棱镜19，所述的第三分束棱镜19一侧出口前侧设有第一光电检测器20，所述的第三分束棱镜19另一侧出口前侧设有第二光电检测器21。
控制激光器输出的主控模块包括控制部分和数据采集与成像部分。
原子气室和加热系统15由碱金属气室和包裹在气室外的加热结构组成。
所述的激光器1为小型激光器，可为光纤激光器、二极管激光器中的任意一种；所述激光器1的波长由原子气室和加热系统15中的碱金属原子能级跃迁谱线决定。
所述主控模块还包括数据采集、处理和成像，主控模块对光电探测器检测到光强信息进行处理，将光强信号转换为电信号，在转换成磁场信息，最终实现磁场图像的检测。
所述原子气室和加热系统15中的碱金属气室内的碱金属原子为钾原子、铷原子、铯原子其中的任意一种或者任意两种按照比例混合；
所述原子气室和加热系统15中的加热装置采用无磁电加热或激光加热方式中的一种。
所述磁屏蔽和磁补偿系统以及外壳由磁屏蔽桶和桶内部的主动补偿装置以及桶外部的无磁非金属外壳组成，磁屏蔽和磁补偿系统位于外壳内，紧贴在外壳上；磁屏蔽通过磁屏蔽桶包裹着整个内部结构；磁屏蔽桶的桶内部设有主动补偿装置、桶外部为无磁非金属外壳22组成，所述主动补偿装置采用三轴线圈结构设计，所述的磁屏蔽桶和主动补偿装置两者共同作用将内部剩磁降到近零磁场环境，提高检测系统的灵敏度；所述无磁非金属外壳22的材料为无磁耐高温材料，采用坡莫合金等高导磁材料中的一种，位于磁屏蔽桶外部。
实施例2
一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.心磁成像检测装置由3×3矩阵原子磁强计探头组成，9个检测探头组成的阵列装载在无磁心磁检测板上；
S2.在进行心脏磁场检测时，将检测装置置于人体心脏位置，同时采集9个磁强计探头每次所获得的磁场信息，及每次输出9个数据；
S3.在进行滤波、去噪等数据预处理后，对单通道信号提取R波，得到单通道各心跳周期数据，再对各心跳周期数据进行叠加平均，得到单通道上的一个心跳周期波形；
S4.所有通道数据依次处理，得到9个通道叠加平均后的心跳周期数据，得到心磁图像。
在实际应用中，所述光路系统由激光器1出射光源，经过起偏器2起偏后，经过第三透镜3和第四透镜4进行扩束准直，经过第一分束棱镜5使透射光入射到反射式纯相位空间光调制器6，反射式纯相位空间光调制器6对光束进行特定编码调制后，反射到第一分束棱镜5并折射，经过焦距相同的第五透镜7、第六透镜8、反射镜9和m阶涡旋波片10，保证反射式纯相位空间光调制器6和m阶涡旋波片共轭，光束经过相位矢量化后对泵浦光进行调制，得到高纯度点阵圆偏振光阵列，圆偏振泵浦光阵列经过第一物镜11、针孔12和第二物镜13滤波后经过第二分束棱镜14入射到碱金属原子气室15，高纯度的圆偏振泵浦光阵列对气室内的碱金属原子极化，圆偏振泵浦光阵列透过碱金属气室后经1/8γ波片16转换为线偏振光阵列，经反射镜17再返回到原子气室对极化后的碱金属气体进行检测，由第二分束棱镜14将检测光折射后到偏振片18，第三分束棱镜19、第一光电检测器20和第二光电检测器21组成差分检测，再由数据传输线传输到主控模块23进行数据处理；
所述原子气室和加热系统15由碱金属气室和包裹在气室外的加热结构组成，为检测系统提供了原子源和极高的原子数密度，原子气室水平方向位于整个装置的中心位置；所述磁屏蔽和磁补偿系统以及外壳由磁屏蔽和磁补偿装置以及外部的无磁非金属外壳22组成，以将磁屏蔽桶内部的剩磁降到极低的量级，提高检测系统的灵敏度；所述主控模块包括控制部分和数据采集与成像部分，控制激光器的输出，对光电探测器采集到的光场信号进行处理后，拟合生成磁场信息；所述心磁成像检测装置由3×3矩阵原子磁强计探头组成，9个检测探头组成的阵列装载在无磁心磁检测板上，在进行心脏磁场检测时，将检测装置置于人体心脏位置，同时采集9个磁强计探头每次所获得的磁场信息，及每次输出9个数据；在进行滤波、去噪等数据预处理后，对单通道信号提取R波，得到单通道各心跳周期数据，再对各心跳周期数据进行叠加平均，得到单通道上的一个心跳周期波形；所有通道数据依次处理，得到9个通道叠加平均后的心跳周期数据。所述单光束偏振调控的心磁成像检测方法，是在到9个通道叠加平均后的心跳周期数据的基础上，以心磁测量板的实际尺寸建立成像平面，各个测量点分别对应该点处该通道的一个心跳周期数据，对各通道叠加平均后的心跳周期数据进行插值，获得插值后新插值点的位置坐标及其对应的心磁幅值；各个点的数据根据其幅值大小建立颜色表，最后绘制生成心磁等磁场图和电流密度图。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护。
Claims (10)
1.一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，若干组原子磁场检测探头装载在无磁心磁检测板上；
所述的原子磁场检测探头包括泵浦光部分、碱金属气体检测部分、反射光路部分、主控模块(23)、外壳(22)、磁屏蔽和磁补偿系统；所述的外壳(22)内的一侧设有泵浦光部分；所述的泵浦光部分的一侧出口前设有反射光路部分，所述的泵浦光部分的另一侧出口前设有碱金属气体检测部分；所述的主控模块(23)分别与泵浦光部分、反射光路部分相连；所述的外壳(22)内壁设有磁屏蔽和磁补偿系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，所述的泵浦光部分包括激光器(1)、起偏器(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第一分束棱镜(5)、反射式纯相位空间光调制器(6)、第五透镜(7)、第六透镜(8)、反射镜(9)和m阶涡旋波片(10)、第一物镜(11)、针孔(12)、第二物镜(13)、第二分束棱镜(14)；
激光器(1)前侧设有起偏器(2)，起偏器(2)前侧设有第三透镜(3)；所述的第三透镜(3)前侧设有第四透镜(4)，第四透镜(4)前侧设有第一分束棱镜(5)；所述第一分束棱镜(5)的一侧出口前侧设有反射式纯相位空间光调制器(6)，所述第一分束棱镜(5)的另一侧出口前侧依次设有第五透镜(7)、第六透镜(8)、反射镜(9)和m阶涡旋波片(10)、第一物镜(11)、针孔(12)、第二物镜(13)、第二分束棱镜(14)。
3.根据权利要求1所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，所述的碱金属气体检测部分包括依次相邻的原子气室和加热系统(15)、1/8γ波片(16)、反射镜(17)。
4.根据权利要求1所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，所述的反射光路部分依次包括偏振片(18)、第三分束棱镜(19)，所述的第三分束棱镜(19)一侧出口前侧设有第一光电检测器(20)，所述的第三分束棱镜(19)另一侧出口前侧设有第二光电检测器(21)。
5.根据权利要求1所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，控制激光器输出的主控模块包括控制部分和数据采集与成像部分。
6.根据权利要求3所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，原子气室和加热系统(15)由碱金属气室和包裹在气室外的加热结构组成。
7.根据权利要求2所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，所述的激光器(1)为小型激光器，可为光纤激光器、二极管激光器中的任意一种；所述激光器(1)的波长由原子气室和加热系统(15)中的碱金属原子能级跃迁谱线决定。
8.根据权利要求1所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，所述主控模块(23)还包括数据采集、处理和成像，主控模块(23)对光电探测器检测到光强信息进行处理，将光强信号转换为电信号，在转换成磁场信息，最终实现磁场图像的检测。
9.根据权利要求7所述的一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测装置，其特征在于，所述原子气室和加热系统(15)中的碱金属气室内的碱金属原子为钾原子、铷原子、铯原子其中的任意一种或者任意两种按照比例混合；
所述原子气室和加热系统(15)中的加热装置采用无磁电加热或激光加热方式中的一种。
10.一种基于单光束偏振调控的心磁成像检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.心磁成像检测装置由3×3矩阵原子磁强计探头组成，9个检测探头组成的阵列装载在无磁心磁检测板上；
S2.在进行心脏磁场检测时，将检测装置置于人体心脏位置，同时采集9个磁强计探头每次所获得的磁场信息，及每次输出9个数据；
S3.在进行滤波、去噪等数据预处理后，对单通道信号提取R波，得到单通道各心跳周期数据，再对各心跳周期数据进行叠加平均，得到单通道上的一个心跳周期波形；
S4.所有通道数据依次处理，得到9个通道叠加平均后的心跳周期数据，得到心磁图像。
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