CN114642434A

CN114642434A - 基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置及心磁检测系统

Info

Publication number: CN114642434A
Application number: CN202210265541.1A
Authority: CN
Inventors: 杨康; 张千年; 张宏伟; 查君君; 丁茜; 许鑫露; 王磊
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Anhui Polytechnic University
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2022-06-21

Abstract

本发明公开的一种基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置，装置包括：相对设置的两个平面线圈；设于磁场均匀区内的参考磁强计，设于磁补偿区外的PID控制单元、电流激励装置；参考磁强计用于探测磁场均匀区内的剩余磁场信号，剩余磁场信号经信号放大器放大为模拟电压信号，模拟电压信号经过A/D采集仪转化为数字电压信号，发送至PID控制单元，PID控制单元将磁场均匀区内的目标磁场设置为零，将当前剩磁场与目标磁场的差值作为PID控制的输入，输出控制信号经D/A输出仪转化为模拟电压信号，输出至电流激励装置，电流激励装置输出相应的电流至两个平面线圈，在此均匀区内补偿出一个近零磁场区域，为心磁信号的探测提供良好的环境。

Description

基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置及心磁检测系统

技术领域

本发明属于弱磁信号探测技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置及心磁检测系统。

背景技术

人体的心脏磁信号具有巨大的心脏疾病诊断潜力，其诊断过程因具有高灵敏度、完全无创、无辐射等优点而备受关注。一般地，人体的心磁信号强度非常微弱，为10^-12Tesla量级，而环境干扰磁噪声为10^-6Tesla量级。为探测如此微弱的磁信号，一方面，需使用灵敏度极高的磁强计(如超导量子干涉器件、原子磁强计等)，另一方面，高效的磁抑制手段也是必不可少的。

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，一般需根据待测信号的分布特点，相应的布置多个磁强计组成探测阵列，以用于后期信号处理成像。但无论磁强计阵列怎么排布，阵列里面的每一个磁强计都需要处在一个低磁场区域中，以避免环境磁噪声的干扰。

目前，最有效最直接的进行环境磁噪声抑制的方法是磁屏蔽室，磁屏蔽室是基于高磁导率金属和高磁导率金属搭建而成，其中高电导率金属对高频环境磁噪声具有很好的屏蔽作用，高磁导率金属对低频磁噪声具有良好的屏蔽效果。

磁屏蔽室虽然具有很好的环境磁噪声抑制效果，但其存在以下两个方面的缺点：一、造价昂贵，磁屏蔽中使用的高磁导率金属一般为坡莫合金，且对材料的形状、形变具有严格的要求，材料的性质和加工难度决定了成本的高低，一般地，建造一间满足条件的磁屏蔽室耗资百万之巨，直接增加了整个心磁图仪系统的成本，高昂的成本是心磁图仪技术难以普遍推广的一个重要原因；二、高性能磁屏蔽室体积大、重量大，磁屏蔽室的性能越高，其需要的金属材料就越多，材料的增加直接导致体积及重量的增加，磁屏蔽室的搭建场地的要求限制了心磁图仪系统使用的灵活性。

发明内容

本发明提供一种基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置，所述装置包括：

相对设置的两个平面线圈，两个平面线圈间的空间即为磁补偿区，双平面线圈通电后在磁补偿区内形成磁场均匀区；设于磁场均匀区内的参考磁强计，设于磁补偿区外的PID控制单元、电流激励装置；参考磁强计通过信号放大器、A/D采集仪与PID控制单元连接，PID控制单元通过A/D采集仪与电流激励装置连接，电流激励装置输出的电流至两个平面线圈；

其中，参考磁强计用于探测磁场均匀区内的剩余磁场信号，剩余磁场信号经信号放大器放大为模拟电压信号，模拟电压信号经过A/D采集仪转化为数字电压信号，发送至PID控制单元，PID控制单元将磁场均匀区内的目标磁场设置为零，将当前剩磁场与目标磁场的差值作为PID控制的输入，输出控制信号经D/A输出仪转化为模拟电压信号，输出至电流激励装置，电流激励装置输出相应的电流至两个平面线圈，磁均匀区内的磁场为零。

进一步的，该电流激励装置包括：

依次连接的阻抗匹配器及压控电流源，其中，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，将阻抗匹配器输出的模拟电压信号输出至压控电流源，压控电流源输出相应的激励电流值。

进一步的，PID控制单元包括：

PID控制器、差值计算模块与PID控制器的输入端连接，PID控制器的输出端分为两路，一路通过负反馈回路连接PID控制器的输入端，另一路输出控制信号；

其中，差值计算模块用计算当前剩磁场与目标磁场的差值e(t)，目标磁场为零；

负反馈回路用于参考磁强计的输出信号增大时，减小差值e(t)，在参考磁强计的输出信号减小时，增大差值e(t)。

本发明是这样实现的，一种所述心磁检测系统，所述心磁检测系统包括：

设于检测区域内的信号磁强计阵列，检测区位于双平面线圈所产生的磁场均匀区内，待测人员的心脏位于检测区域内；

如权利要求1所述基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置，参考磁强计距信号磁强计阵列的距离为5～7厘米。

进一步的，待测人员的心脏距信号磁强计阵列的距离为3～5厘米。

线圈放置于轻型磁屏蔽室内，具有面积相对较小、布置灵活的特点，同时线圈构成了一个开放式的磁补偿空间，便于受试者进行心磁信号的探测；双平面线圈可提供一个面积足够覆盖成人胸腔的均匀区，在此均匀区内补偿出一个近零磁场区域，为心磁信号的探测提供良好的环境。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双平面线圈的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的PID控制单元的控制原理图；

图4为本发明实施例提供的心磁检测系统的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的基线长度示意图。

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基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置结构示意图，该装置包括：

相对设置的两个平面线圈，两个平面线圈间的空间即为磁补偿区，双平面线圈通电后在磁补偿区内形成磁场均匀区；

设于磁场均匀区内的参考磁强计，设于磁补偿区外的PID控制单元、电流激励装置，参考磁强计通过信号放大器、A/D采集仪与PID控制单元连接，PID控制单元通过A/D采集仪与电流激励装置连接，电流激励装置输出的电流至两个平面线圈，两个平面线圈在磁补偿区内的指定区域内形成均匀的磁场，即该指定区域即为磁场均匀区，磁场均匀区的中心与磁补偿区的中心重合。

其中，参考磁强计用于探测磁场均匀区内的剩余磁场信号(可以理解为环境磁场信号)，剩余磁场信号经信号放大器放大为模拟电压信号，模拟电压信号经过A/D采集仪转化为数字电压信号，发送至PID控制单元，PID控制单元将磁场均匀区内的目标磁场值设置为零，将当前剩磁场与目标磁场的差值e(t)作为PID控制的输入，输出的控制信号经D/A输出仪转化为模拟电压信号，输出至电流激励装置，电流激励装置输出相应的电流至两个平面线圈。

在本发明实施例中，平面线圈设于轻型磁屏蔽室内，线圈绕制在一对边长为1米正方形木板上，两块木板之间间隔1米，线圈在两块木板上呈反对称分布，如图2为双平面线圈的设计图，曲线即为线圈绕制图形，箭头表示电流的流向；双平面线圈间的中间区域为磁场均匀区，是一个边长为0.3米的正方体区域，这个区域可覆盖一个成年人的胸腔。

参考磁强计用于检测磁场均匀区内的剩余磁场信息，以作为PID控制单元计算磁场反向补偿量的依据，同时，在磁场均匀区内的剩余磁场达到目标磁场值后，参考磁强计仍要对磁场均匀区内的磁场环境进行实时监测，以消除环境磁噪声中的随机干扰。

PID控制单元的作用是根据当前参考磁强计输出信号的特点，通过比例、积分及微分运算，产生控制电流激励装置的控制信号；图3为PID控制单元的原理图，首先，为获得近零磁场的补偿效果，需设定的目标磁场值为0；参考磁强计实时输出当前的剩磁值，将当前剩磁值与目标磁场值的差值e(t)作为PID控制器的输入，输出的控制信号u(t)与输入信号之间满足的关系如下：

其中，u(t₁)表示t₁时刻PID控制器输出的控制信号，e(t₁)表示t₁时刻剩磁值与目标磁场值的差值，K_P为比例运算系数，K_I为积分运算系数，K_D为微分运算系数。

另外，由于磁场均匀区内的剩余磁场是随时间变化的，为获得稳定的补偿效果，从输出的控制信号处引出一条负反馈回路至PID控制器输入处，当剩磁增大导致参考磁强计的输出信号增大时，增大的控制信号通过负反馈回路使e(t)减小，进而使控输出的制信号减小；当剩磁减小导致参考磁强计输出减小时，减小的控制信号通过负反馈电路时e(t)增大，进而使输出的控制信号增大。通过上述过程，使得控制信号根据剩磁变化而变化，从而获得更为稳定的补偿结果。

电流激励装置的作用是根据控制信号产生相应的激励电流，因为双平面线圈需要通入电流才能激发出相应的磁场，即提供一个与剩余磁场方向相反的补偿磁场，该电流激励装置包括：

依次连接的阻抗匹配器及压控电流源，其中，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，模拟电压信号经过阻抗匹配器后性质不变，将阻抗匹配器输出的模拟电压信号输出至压控电流源，压控电流源输出相应的激励电流值。

基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置的工作原理及流程具体如下：

参考磁强计探测轻型磁屏蔽室内磁场均匀区的剩磁信号(剩余磁场)，经信号放大器放大为模拟电压信号，模拟电压信号经过A/D采集仪转化为数字电压信号；这个输入的电压信号与PID控制机构的目标设定值进行差值运算，运算结果作为PID控制单元的输入，并在PID控制单元内进行比例、微分及积分运算，三者之和为PID控制单元构的输出。由于PID控制单元的输出为数字信号，还需要经D/A输出仪转化为模拟电压信号；

阻抗匹配器连接D/A输出仪与压控电流源，补偿电压信号经过阻抗匹配器后性质不变，通过阻抗匹配器的补偿电压信号输入压控电流源，压控电流源输出的补偿电流受驱动电压信号的控制，补偿电流进入双平面线圈的导线中，会激励线圈在磁场均匀区内产生均匀度极高的补偿磁场，补偿磁场与剩磁大小相等方向相反，从而使磁场均匀区内的磁场为零。

若下一时刻轻型磁屏蔽室内的剩磁增大，则剩磁与设定磁场值的差值增大，PID控制单元的输入亦会增大，从而导致PID控制单元输出的补偿电压增大，补偿电压的增大最终使补偿磁场增大，从而抵消这个增大的剩磁。同理，若下一时刻剩磁减小，补偿磁场亦会相应减小。PID控制单元对剩磁的实时跟踪及补偿信号的实时调整，保证了系统对剩磁的动态补偿，从而维持均匀区内磁场为零的状态。

图4为本发明实施例提供的心磁检测系统的结构示意图，为了便于说明，本发明实施例仅给出与本发明实施例相关的部分，该心磁检测系统包括：

设于检测区域内的信号磁强计阵列，检测区位于双平面线圈所产生的磁场均匀区内，待测人员的心脏位于检测区域内，待测人员的心脏距信号磁强计阵列的距离为3～5厘米最佳；

如上所述的剩磁动态补偿装置，参考磁强计与信号磁强计阵列平面的距离即为图5中的基线长度，基线的长短需要结合实验结果来确定，基线太长会导致参考磁强计所处位置的磁场特性与信号磁强计阵列处的磁场特性相差太大，从而减弱补偿效果，而基线太短则会导致过度补偿，使探测到的心磁信号失真。实验研究表明，基线长度一般选取5～7厘米为宜。

在本发明实施例中，信号磁强计阵列是多个信号磁强计按照指定的排列方式构成，用于检测心磁信号，设计成阵列的形式是为了增大心磁信号的探测区域。

本发明提供的基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置具有如下有益技术效果：

1)本发明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好，尽可能使得检测区域内的环境磁强为零，降低环境磁强对测试结果的影响；

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，有效提升了心磁探测的便利性；

3)可有效降低对高性能磁屏蔽室的依赖程度，减小整个心磁图仪系统的成本，有利于心磁图仪技术的推广。

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

1.一种基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置，其特征在于，所述装置包括：

2.如权利要求1所述基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置，其特征在于，该电流激励装置包括：

3.如权利要求1所述基于双平面线圈的剩磁动态补偿装置，其特征在于，PID控制单元包括：

4.一种所述心磁检测系统，其特征在于，所述心磁检测系统包括：

5.如权利要求4所述心磁检测系统，其特征在于，待测人员的心脏距信号磁强计阵列的距离为3～5厘米。