CN218675271U - 用于测量脑磁的三轴serf磁力仪及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪及系统，包括三轴原子磁力仪光路部分、原子气室部分、方形三维磁补偿线圈部分和三轴信号探测部分；激光器产生一束激光，经过光学准直单元转换成一个准直均匀光斑，通过线偏振片纯化得到一束准直的线偏振光，所述线偏振光经过圆偏振片转换为准直均匀的圆偏振光，以45°进入原子气室，被第一片保偏反射镜反射到第二片保偏反射镜，经第二保偏反射镜以45°入射到第三片保偏反射镜，最后以45°反射出原子气室被光电探测器接收，通过光电探测器将光强改变信号转换成电信号。本方案磁力仪可集成为小型化探测器，可同时获得三轴磁场分量信息。

Description

用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪及系统

技术领域

本实用新型属于医疗器械领域和脑磁测量技术领域，尤其是涉及一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪及系统。

背景技术

脑磁技术与其他脑功能性成像技术相比，最大的优势在于脑磁同时具有较高的时间分辨率和空间分辨率，可以实时跟踪大脑的神经活动。脑磁在现代医学和科学具有重要作用，目前脑磁被广泛应用于脑功能损伤的判定、各类癫痫病症的病灶定位、颅脑手术前脑功能定位等临床医学。生物弱磁脑磁的测量对探测器灵敏度要求极高，目前在脑磁测量领域主要基于超导量子干涉仪(SQUID)来实现对脑的磁测量和成像。

近年来，随着量子精密测量技术的发展，相比于SQUID(Superconducting quantuminterference devices，超导量子干涉仪)，SERF(Spin-Exchange Relaxation-Free，无自旋交换碰撞弛豫)磁力仪具有运行维护成本低、高灵敏度、易于实现微型化的特点，并且可应用于脑磁测量。目前商用的SERF磁力仪为单轴和双轴工作模式，无法实现同时测量脑磁的三轴信息，大大限制了SERF原子磁力仪在脑磁领域的发展。想要突破这一限制，可以通过外加调制信号的方式，进而解调出磁场的三轴分量信息。

要实现上述功能，主要有两种方式：双光束交叉调制和单光束分频调制。第一种方法需要两束正交激光，在x和z方向分别加上一个调制信号，思路较为简单，但y轴锁零精度差，且难以实现小型化。第二种方式则只需要一束光，在三个方向分别加上一个调制信号，解调得到三个方向磁场分量，易于实现小型化，但随着磁场逐渐收敛到零时，z轴灵敏度会随之下降。所以实现一种易于集成化、结构简单、灵敏度高三轴磁力仪，对于测量脑磁具有重要意义。

现阶段人类对于大脑的研究主要有脑电、核磁共振等方法，但绝大多数都不是矢量测量，许多重要的信息无法得到。而磁场的测量可以是矢量的，测量脑磁可以获得更丰富更全面的信息。对人类认知大脑、重大脑疾病的致病机理、病灶的确定等问题具有重要作用。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种用于测量脑磁的可集成的、可同时获得三轴磁场分量信息的SERF磁力仪及系统。

为了达到上述的目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪，包括：三轴原子磁力仪光路部分、原子气室部分、方形三维磁补偿线圈部分和三轴信号探测部分；

三轴原子磁力仪光路部分，包括激光器(201)、光学准直单元(203)、线偏振片(204)、圆偏振片(205)、第一片保偏反射镜(210)、第二片保偏反射镜(209)和第三片保偏反射镜(206)；

方形三维磁补偿线圈部分，包括方形三维磁补偿线圈(211)；

原子气室部分，包括放置在方形三维磁补偿线圈(211)中的原子气室(208)，原子气室(208)的四周除了通光面其他三面均设有保偏反射镜，分别为所述的第一片保偏反射镜(210)、第二片保偏反射镜(209)和第三片保偏反射镜(206)；

三轴信号探测部分，包括光电探测器(212)；

激光器(201)产生一束激光(202)，经过光学准直单元(203)转换成一个准直均匀光斑，通过线偏振片(204)纯化得到一束准直的线偏振光，所述线偏振光经过圆偏振片(205)转换为准直均匀的圆偏振光，所述圆偏振光以45°进入原子气室(208)用于泵浦极化原子气室(208)，所述圆偏振光被第一片保偏反射镜(210)反射到第二片保偏反射镜(209)，经第二保偏反射镜(209)以45°入射到第三片保偏反射镜(206)，最后以45°反射出原子气室(208)被光电探测器(212)接收，通过光电探测器(212)将光强改变信号转换成电信号。

将原子气室(208)置于方形三维磁补偿线圈(211)中，利用方形三维磁补偿线圈(211)保证原子气室(208)处磁场均匀性，沿着x、y和z三轴方向，补偿测量区剩余磁场至SERF磁力最佳工作区间，并能输出交流射频调制磁场用于调制原子极化矢量。通过光电探测器(212)将光强改变信号转换成电信号，输入锁相放大器中解调得到X、Y、Z轴磁场信号，实现三轴磁场信息的测量。

所述原子气室(208)底部设有用于加热原子气室(208)的加热片(207)；所述加热片(207)为无磁加热片。

所述原子气室(208)内充有淬灭气体氦气和缓冲气体氮气。

作为优选，所述的第一片保偏反射镜(210)、第二片保偏反射镜(209)和第三片保偏反射镜(206)是镀在原子气室(208)内壁上的保偏反射膜，或者是贴在原子气室(208)上的保偏反射镜。

作为优选，所述激光器(201)为VCSEL激光器。

一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪系统，其三轴磁力仪探头采用如上所述的一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪。

作为优选，还包括用于屏蔽外部磁场的屏蔽桶(1)和用于调试并处理磁场三轴信息的上位机(4)及控制盒(3)。

本实用新型由于采用了以上的技术方案，当原子气室处于无磁场环境时，碱金属原子极化矢量沿光传播方向不进动，光强不改变；当与光传播垂直方向有待测磁场时，极化矢量绕待测磁场进动，光强改变；其改变规律与外磁场相关。光电探测器将所述光强改变信号转为电信号并输入给所述锁相放大器，经过锁相放大器解调所述光电检测单元的信号，得到X、Y、Z方向磁场，最终实现基于SERF磁力仪的三轴磁场测量。该磁力仪可集成为小型化探测器，从而可紧贴于大脑表皮实现脑磁的矢量测量。该磁力仪可探测垂直光方向的磁场，因而可实现三方向磁场探测，测量脑磁可以获得更丰富更全面的信息。对人类认知大脑、重大脑疾病的致病机理、病灶的确定等问题具有重要作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本实用新型的脑磁测量示意图；

图2为本实用新型三轴磁力仪的原理示意图；

图3为本实用新型的原子气室及方形三维磁补偿线圈示意图。

其中，1、屏蔽桶；2、三轴磁力仪探头；3、控制盒；4、上位机；

201、激光器；202、激光；203、光学准直单元；204、线偏振片；205、圆偏振片；206、第三片保偏反射镜；207、加热片；208、原子气室；209、第二片保偏反射镜；210、第一片保偏反射镜；211、方形三维磁补偿线圈；212、光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非上下文另有明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪，包括：三轴原子磁力仪光路部分、原子气室部分、方形三维磁补偿线圈部分和三轴信号探测部分。

三轴原子磁力仪光路部分，包括激光器201、光学准直单元203、线偏振片204、圆偏振片205、第一片保偏反射镜210、第二片保偏反射镜209和第三片保偏反射镜206。如图2所示，激光器201产生一束激光202，经过光学准直单元203转换成一个准直均匀光斑，通过线偏振片204纯化得到一束准直均匀的线偏振光，所述线偏振光经过圆偏振片205转换为准直均匀的圆偏振光，所述圆偏振光以45°进入原子气室208用于泵浦极化原子气室208，所述圆偏振光被第一片保偏反射镜210反射到第二片保偏反射镜209，经第二保偏反射镜209以45°入射到第三片保偏反射镜206，最后以45°反射出原子气室208被光电探测器212接收。

原子气室部分，包括放置在方形三维磁补偿线圈211中的碱金属原子气室208，原子气室208内充有一定量的淬灭气体氦气和缓冲气体氮气，如图3所示，原子气室208的四周除了通光面其他三面均贴有保偏反射镜或镀保偏反射膜，分别为上述的第一片保偏反射镜210、第二片保偏反射镜209和第三片保偏反射镜206，加热片207贴于原子气室208底部用于加热原子气室208。加热片207为无磁加热片，无磁加热片贴在碱金属原子气室非通光面，用于加热碱金属原子气室，热绝缘层包裹在碱金属原子气室四周，隔绝碱金属原子气室与外界的热交换。

方形三维磁补偿线圈部分，包括方形三维磁补偿线圈211。将原子气室208置于方形三维磁补偿线圈211中，利用方形三维磁补偿线圈211保证原子气室208处磁场均匀性，沿着x、y和z三轴方向，补偿测量区剩余磁场至SERF磁力最佳工作区间，并能输出交流射频调制磁场用于调制原子极化矢量。

三轴信号探测部分，包括光电探测器212。通过光电探测器212将光强改变信号转换成电信号，输入锁相放大器中解调得到X、Y、Z轴磁场信号，实现三轴磁场信息的测量。

具体原理如图2所示，激光进入碱金属原子气室208，沿Y轴极化碱金属原子，经第一片保偏反射镜210反射后沿X轴极化原子，再经第二片保偏反射镜209和第三片保偏反射镜206反射被光电探测器接收，原子气室208中存在沿X轴和沿Y轴极化的原子，而沿X方向传播的光对Y与Z方向磁场敏感，沿Y方向传播的光对X与Z方向敏感。方形三维磁补偿线圈211给X、Y、Z轴施加调制磁场，通过锁相放大器解调后，可以得到与光传播方向垂直的两方向磁场，最终实现三轴矢量磁场测量。

如图1所示，为应用上述磁力仪的系统进行脑磁测量的示意图。包括：屏蔽桶1、三轴磁力仪探头2、控制盒3和上位机4。

屏蔽桶1将外部磁场(地磁)屏蔽，桶内磁场约为10-20nT。三轴磁力仪探头2采用上述磁力仪，包含光路部分、原子气室部分、方形三维磁补偿线圈部分以及三轴信号探测部分。通过上位机4及控制盒3调试并处理磁场三轴信息。

所述激光器201使用VCSEL激光器。

本实用新型能够大幅度减小磁力仪体积，使之脱离实验台，可集成为小型化探测器/探头，从而可紧贴于大脑表皮实现脑磁的矢量测量，满足测量脑磁的要求，并且可以通过增加更多的原子磁力仪探头来实现整个脑区的磁场测量和成像。

脑磁测量步骤如下：

1)设计并使用3D打印可插入原子磁力仪探头且可穿戴的头盔，使原子磁力仪探头中气室部分尽可能贴近大脑头皮；

2)通过上位机4控制VCSEL激光器、加热片、光电探测器等光电系统，通过三轴SERF磁力仪探头2对脑磁信号进行测量；

3)对测量脑磁信息进行处理，获取脑磁图的信息。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”、“具体实施方式”、“其他实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例、实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，上述描述的具体特征、结构、材料或者特点也可以在任何的一个或多个实施例、实施方式或示例中以合适的方式结合。本实用新型记载的技术方案也包括上述描述的任意一个或多个具体特征、结构、材料或者特点以单独或者组合的方式形成的技术方案。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换、变型、删除部分特征、增加特征或重新进行特征组合形成的技术方案，凡是依据本实用新型的创新原理对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪，其特征在于，包括：三轴原子磁力仪光路部分、原子气室部分、方形三维磁补偿线圈部分和三轴信号探测部分；

三轴原子磁力仪光路部分，包括激光器(201)、光学准直单元(203)、线偏振片(204)、圆偏振片(205)、第一片保偏反射镜(210)、第二片保偏反射镜(209)和第三片保偏反射镜(206)；

方形三维磁补偿线圈部分，包括方形三维磁补偿线圈(211)；

原子气室部分，包括放置在方形三维磁补偿线圈(211)中的原子气室(208)，原子气室(208)的四周除了通光面其他三面均设有保偏反射镜，分别为所述的第一片保偏反射镜(210)、第二片保偏反射镜(209)和第三片保偏反射镜(206)；

三轴信号探测部分，包括光电探测器(212)；

激光器(201)产生一束激光(202)，经过光学准直单元(203)转换成一个准直均匀光斑，通过线偏振片(204)纯化得到一束准直的线偏振光，所述线偏振光经过圆偏振片(205)转换为准直均匀的圆偏振光，所述圆偏振光以45°进入原子气室(208)用于泵浦极化原子气室(208)，所述圆偏振光被第一片保偏反射镜(210)反射到第二片保偏反射镜(209)，经第二保偏反射镜(209)以45°入射到第三片保偏反射镜(206)，最后以45°反射出原子气室(208)被光电探测器(212)接收，通过光电探测器(212)将光强改变信号转换成电信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪，其特征在于，所述原子气室(208)底部设有用于加热原子气室(208)的加热片(207)；所述加热片(207)为无磁加热片。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪，其特征在于，所述原子气室(208)内充有淬灭气体氦气和缓冲气体氮气。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪，其特征在于，所述的第一片保偏反射镜(210)、第二片保偏反射镜(209)和第三片保偏反射镜(206)是镀在原子气室(208)内壁上的保偏反射膜，或者是贴在原子气室(208)上的保偏反射镜。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪，其特征在于，所述激光器(201)为VCSEL激光器。

6.一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪系统，包括三轴磁力仪探头，其特征在于，所述三轴磁力仪探头采用如权利要求1至5中任一项所述的一种用于测量脑磁的三轴

SERF磁力仪。

7.根据权利要求6所述的一种用于测量脑磁的三轴SERF磁力仪系统，其特征在于，还包括用于屏蔽外部磁场的屏蔽桶(1)和用于调试并处理磁场三轴信息的上位机(4)及控制盒(3)。

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