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Die
Erfindung betrifft ein Magnetfeld-Messsystem zum MessenG eines durch
ein Messziel erzeugten Magnetfelds, z.B. eines extrem schwachen Magnetfelds,
wie es vom Herzen, dem Gehirn oder dergleichen eines lebenden Körpers erzeugt
wird, unter Verwendung eines Magnetometers mit einem hochempfindlichen
SQUID (superconducting quantum interference device), und spezieller
betrifft sie ein Magnetfeld-Messsystem mit Aufhebung eines externen
Felds.
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Ein
Magnetfeld-Messsystem unter Verwendung eines SQUID wird herkömmlicherweise
dazu verwendet, ein schwaches Magnetfeld zu messen, wie es vom Gehirn,
vom Herzen oder dergleichen eines lebenden Körpers erzeugt wird (nachfolgend
als biomagnetisches Signal bezeichnet). Beim Messen eines extrem
schwachen Magnetfelds, wie eines biomagnetischen Signals, ist es
erforderlich, ein in das Magnetfeld-Messsystem eingreifendes externes
Feld im Bereich von 80 dB–100
dB (Dezibel) oder weniger zu schwächen. Ein externes Feld entspricht
einer magnetischen Störung,
die von einer Spannungsübertragungsleitung,
einem fahrenden Zug, einem Kraftfahrzeug oder dergleichen herrührt und über eine
Netzspannungsquelle in das Magnetfeld-Messsystem eingreift.
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Ein
herkömmliches
Messsystem für
biomagnetische Signale wurde unter Verwendung eines ferromagnetischen
Materials, wie Permalloy, innerhalb eines magnetisch abgeschirmten
Raums platziert, um die Messung in einer vom externen Feld abgetrennten
Umgebung auszuführen.
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Da
ein unter Verwendung eines ferromagnetischen Materials, wie Permalloy,
magnetisch abgeschirmter Raum teuer und schwer ist, sind die medizinischen
Einrichtungen, bei denen er platziert werden kann, begrenzt. Demgemäß bestand
Bedarf an einer Messung biomagnetischer Signale unter Verwendung
einer einfachen magnetischen Abschirmung mit geringerem Gewicht
und geringerer Größe, die
eine einfache Installation des Systems selbst in einem begrenzten
Raum erlaubt.
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Obwohl
eine magnetische Abschirmung mit einfacherer Konstruktion zu einem
billigeren System führen
kann, ist es erforderlich, ein externes Feld zu Korrekturzwecken
eines Messsignals aus diesem zu entfernen, da eine einfache magnetische
Abschirmung ein externes Feld nicht vollständig unterbinden kann. Es wurden
verschiedene Verfahren zum Entfernen oder Korrigieren eines externen
Felds versucht, wobei ein Verfahren üblich ist, bei dem ein Vektor-Magnetometer
dazu verwendet wird, ein externes Feld zu messen.
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Es
wurde über
einen einkanaligen Magnetokardiografen berichtet, der eine Kombination
aus einem Magnetometer zur Messung eines biomagnetischen Signals
und eines triaxialen Vektor-Magnetometers
ist, das jeweilige Komponenten eines externen Felds in den Richtungen
x, y und z messen kann (siehe Stand der Technik 1: K. Sakuta et
al., Physica C378-381 (2002), 1391–1395). Gemäß diesem Bericht wird ein Prozess
ausgeführt,
bei dem Signale für die
x-, y- und die z-Komponente des durch die drei Magnetometer des
Vektor-Magnetometers erfassten externen Felds mit drei verschiedenen
Faktoren multipliziert werden und das Multiplikationsergebnis vom Ausgangssignal
des Magnetometers zur Messung des biomagnetischen Signals abgezogen
wird. Gemäß diesem
Verfahren ist es erforderlich, die drei Faktoren gleichzeitig zu
optimieren.
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Es
existiert ein anderer Bericht zum Beseitigen eines externen Felds
in einem Gehirn-Magnetfeld-Messsystem mit 165 Messmagnetometern (Stand
der Technik 2: V. Pizzella et al., Proceedings of Biomag, 2000,
939–942).
Gemäß diesem
Bericht wird versucht, den Einfluss eines externen Felds unter Verwendung
von vier triaxialen Vektor-Gradiometern zur Messung eines externen
Felds, die aus zwölf Magnetometern
für 153
Messmagnetometer bestehen, zu verringern. Auch gemäß diesem
Verfahren ist es erforderlich, gleichzeitig mehrere Faktoren zu
optimieren.
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Andererseits
ist ein Messsystem für
biomagnetische Signale, das die normale Linienkomponente eines biomagnetischen
Signals misst und aus der normalen Linienkomponente die zugehörige tangentiale
Linienkomponente erhält,
gut bekannt (Patentdokument 1: JP-A-HEI-10-305019).
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Beim
Stand der Technik 1 besteht beim Prozess des Multiplizierens der
x-, der y- und der z-Komponente des unter Verwendung des Vektor-Magnetometers
gemessenen externen Felds mit den drei verschiedenen Faktoren und
des Subtrahierens des Multiplikationsergebnisses vom Ausgangssignal
des Magnetometers zur Messung des biomagnetischen Signals das Problem,
dass es schwierig ist, die drei Faktoren zu ermitteln, und dass
der Maßstab
des Systems in nachteiliger Weise vergrößert ist, da die drei Magnetometer
zur Messung des externen Felds für
ein Messmagnetometer erforderlich sind. Auch beim Stand der Technik
2 besteht das Problem, dass es nicht einfach ist, drei oder mehr
Faktoren zu bestimmen, die zur Korrektur erforderlich sind.
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Bei
den vier triaxialen Vektor-Gradiometern zur Messung des externen
Felds besteht ebenfalls das Problem, dass der Maßstab des Systems in nachteiliger
Weise erhöht
ist, da zwölf
Magnetometer zur Messung des externen Felds benötigt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetfeld-Messsystem unter
Verwendung einer einfachen magnetischen Abschirmung zu schaffen, bei
dem ein externes Feld effizient aufgehoben werden kann und ein extrem
schwaches Magnetfeld gemessen werden kann.
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Diese
Aufgabe ist durch die Magnetfeld-Messsysteme gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 1,
4 und 7 gelöst.
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Die
erfindungsgemäßen Magnetfeld-Messsysteme
verfügen über mindestens
ein Bezugsmagnetometer sowie eine magnetische Abschirmung mit einem
Abschirmungsfaktor, der in zwei Richtungen rechtwinklig zu einer
Achsenrichtung viel besser ist als in der Achsenrichtung, z.B. eine
zylindrische magnetische Abschirmung (zylindrische magnetische Abschirmung
aus einem ferromagnetischen Material). Nachfolgend wird die Mittelachse
der zylindrischen magnetischen Abschirmung als x-Achse angenommen. Innerhalb derselben
ist ein Dewargefäß angeordnet.
Innerhalb des Dewargefäßes sind
mehrere Messmagnetometer in einer solchen Richtung angeordnet, dass
die Richtung rechtwinklig zu einer Ebene der jeweiligen Aufnahmespulen
derselben rechtwinklig zur x-Achse verläuft (siehe die 1). Die Richtung, in der jedes der magnetisch
ein Magnetfeld erfasst, entspricht einer Komponente in der Richtung der
z-Achse. Diese Messmagnetometer sind in derselben Ebene rechtwinklig
zur z-Achse angeordnet.
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Beim
Magnetfeld-Messsystem gemäß dem Anspruch
1 ist als Ers tes Bezugsmagnetometer zum Messen der Komponente eines
externen Felds in der x-Richtung ein Magnetometer in der Nähe der Messmagnetometer
so angeordnet, dass die Richtung, in der ein Magnetfeld erfasst
wird, in der Richtung der x-Achse ausgerichtet ist. Jedes der mehreren
Messmagnetometer sowie das erste Bezugsmagnetometer sind innerhalb
des Dewargefäßes angeordnet, und
sie werden mit einem Kältemittel
gekühlt.
Das Dewargefäß wird durch
einen Galgen gehalten.
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Jedes
der Magnetometer wird durch eine FLL(flux locked loop = Fluss-synchronisierte
Schleife)-Schaltung gesteuert, und von dieser wird ein analoges
Signal in Reaktion auf ein durch das Magnetometer erfasstes Magnetfeld
ausgegeben. Das Ausgangssignal der FLL-Schaltung ist ein Signal,
das durch eine Analogsignal-Verarbeitungsschaltung mit einem Verstärker, einem
Bandpassfilter sowie einem Kerbfilter verarbeitet wird und dann
in einem AD(Analog-Digital)-Wandler in ein digitales Signal gewandelt wird.
Durch die einzelnen Messmagnetometer gemessene Signale werden durch
eine Analysiervorrichtung (einen Computer) gesammelt, die eine Analyse
ausführt
und das Analyseergebnis anzeigt. Die durch die einzelnen Magnetometer
gemessenen Signale werden in einer Vorrichtung zum Aufzeichnen der
Messsignale gespeichert.
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Da
der Abschirmungsfaktor der zylindrischen magnetischen Abschirmung
in den Richtungen z und y ziemlich hervorragend ist, sind die z-
und die y-Komponente des externen Felds innerhalb derselben wesentlich
geschwächt.
Andererseits verlaufen die x- und die y-Komponente des externen
Felds orthogonal zur Richtung (z-Richtung), in der ein SQUID-Magnetometer
ein Magnetfeld misst, so dass der Hauptanteil dieser Komponenten
des externen Felds durch die Messmagnetometer nicht erfasst wird.
Demgemäß kann das
externe Feld in der y-Richtung,
das durch die magnetische Abschirmung abgeschirmt wird und auf die
ein SQUID-Magnetometer weniger empfindlich ist, praktisch ignoriert
werden. Der Hauptteil der Störungen
in der z-Richtung kann dadurch aufgehoben werden, dass die Differenz
zwischen den Ausgangssignalen der zueinander benachbart angeordneten
Messmagnetometer berechnet wird. Der Hauptanteil der Störungen in
der z-Richtung kann ebenfalls dadurch aufgehoben werden, dass die
Differenz zwischen den Ausgangssignalen derjenigen Messmagnetometer
berechnet wird, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind,
die nicht zueinander benachbart sind. Die vorstehend genannten Differenzen
können
nach dem Sammeln der Daten durch den Computer berechnet werden.
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Eine
Arithmetikoperation zum Korrigieren der x-Komponente des externen
Felds und zum Bestimmen eines ersten Messsignals bei geringerem Einfluss
des externen Felds wird dadurch ausgeführt, dass von der vorstehend
genannten Differenz zwischen den Messsignalen ein Wert abgezogen
wird, der dadurch erhalten wird, dass ein Signal vom ersten Bezugsmagnetometer
mit einem ersten spezifizierten Faktor multipliziert wird.
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Das
Magnetfeld-Messsystem gemäß dem Anspruch
4 verfügt über eine
Konstruktion, bei der ein zweites Bezugsmagnetometer zusätzlich zum
genannten ersten Bezugsmagnetometer vorhanden ist, wobei es so angeordnet
ist, dass die Mittelachse der Aufnahmespule des zweiten Bezugsmagnetometers mit
der Mittelachse der Aufnahmespule des ersten Bezugsmagnetometers
zusammenfällt.
In diesem Fall wird nach dem Ermitteln des ersten Messsignals eine
Arithmetikoperation zum Bestimmen eines zweiten Messsignals, das
weniger durch das externe Feld beeinflusst wird, dadurch ausgeführt, dass
vom ersten Messsignal ein Wert abgezogen wird, der dadurch erhalten
wird, dass die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Bezugssignal
mit einem zweiten spezifizierten Faktor multipliziert wird.
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Das
Magnetfeld-Messsystem gemäß dem beigefügten Anspruch
7 verfügt über eine
Konstruktion, bei der zusätzlich
zum ersten Bezugsmagnetometer ein drittes und ein viertes Bezugsmagnetometer
verwendet sind, die jeweils zum Messen der Komponente des externen
Felds in der z-Richtung dienen und die in einer Ebene parallel zu
einer Ebene angeordnet sind, in der die Messmagnetometer angeordnet
sind, so dass das vierte Bezugsmagnetometer mit einem größeren Abstand
als das dritte Bezugsmagnetometer in einer Richtung entlang der
Mittelachse der zylindrischen magnetischen Abschirmung positioniert
ist. In diesem Fall wird, nachdem das erste Messsignal ermittelt
wurde, eine Arithmetikoperation zum Ermitteln eines dritten Messsignals
mit geringerer Beeinflussung durch das externe Signal dadurch ausgeführt, dass
vom ersten Messsignal ein Wert subtrahiert wird, der dadurch erhalten
wird, dass die Differenz zwischen den vom dritten und vierten Bezugsmagnetometer
gemessenen Messsignalen mit einem dritten spezifizierten Faktor
multipliziert wird.
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Alternativ
verfügt
ein erfindungsgemäßes Magnetfeld-Messsystem über eine
Konstruktion mit einem zusätzlichen
Magnetometer zum Messen eines Dynamikbereich-Kompressionssignals,
das die Komponente des externen Felds in der z-Richtung misst, eine
Messschaltung zum Messen der orthogonalen Komponente des externen
Felds durch Ansteuern des Magnetometers zum Messen eines Dynamikbereich-Kompressionssignals
und zum Ausgeben der erfassten Komponente als solches, und eine Differenzverstärkerschaltung
zum Subtrahieren des Dynamikbereich-Kompressionssignals von jedem der Messsignale
von den mehreren Messmagnetometern und zum Ausgeben der Messsignale
von denselben mit jeweils komprimiertem Dynamikbereich.
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Alternativ
verfügt
das erfindungsgemäße Magnetfeld-Messsystem über eine
Konstruktion, bei der die mehreren Messmagnetometer in mehrere Blöcke unterteilt
sind und für
jeden der Blöcke
ein Bezugsmagnetometer angebracht ist.
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Bei
erfindungsgemäßen Magnetfeld-Messsystemen
wird eine Berechnung der Differenz zwischen benachbarten Messmagnetometern
dazu verwendet, die z-Komponente des externen Felds aufzuheben.
Demgemäß entspricht
ein schließlich
gemessenes Signal nicht einem Magnetfeld selbst sondern einem Gradienten-Magnetfeld.
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Durch
die vorstehend genannten Konstruktionen ist es möglich, ein Messsignal effizient
mit geringerer Beeinflussung durch ein externes Feld dadurch zu
erhalten, dass eine kleine Anzahl von Bezugsmagnetometern in einem
Magnetfeld-Messsystem unter Verwendung einer zylindrischen magnetischen
Abschirmung verwendet wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von durch Figuren veranschaulichten
Ausführungsformen
näher beschrieben.
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1A und 1B sind Ansichten, die jeweils ein Beispiel
einer Struktur eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigen;
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2A bis 2C sind Ansichten, die jeweils eine Struktur
jedes der bei der ersten Ausführungsform
verwendeten Magnetometer zeigen;
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3A und 3B sind Ansichten, die Anordnungen von
Magnetometern bei Ausführungsformen der
Erfindung zeigen;
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4A bis 4C sind Ansichten, die Strukturen von
Messschaltungen bei den Ausführungsformen der
Erfindung zeigen;
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5A und 5B sind Ansichten, die Beispiele von
Magnetokardiogrammen (MCGs) zeigen, wie sie durch Messungen unter
Ver wendung des Magnetfeld-Messsystems gemäß der ersten Ausführungsform
erhalten wurden;
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6A und 6B sind Ansichten, die jeweils Beispiele
von Magnetokardiogrammen zeigen, wie sie aus Messungen unter Verwendung
eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung erhalten wurden;
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7 ist eine Ansicht, die
Beispiele von Magnetokardiogrammen zeigt, wie sie aus Messungen unter
Verwendung eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung erhalten wurden;
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8A und 8B sind Ansichten, die Anordnungen von
Magnetometern bei Ausführungsformen der
Erfindung zeigen;
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9A und 9B sind Ansichten, die Strukturen von
Messschaltungen bei den Ausführungsformen
der Erfindung zeigen;
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10A und 10B sind Ansichten, die jeweils eine
Struktur eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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11A und 11B sind Ansichten, die Strukturen von
Messschaltungen bei den Ausführungsformen
der Erfindung zeigen;
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12 ist eine Ansicht, die
Beispiele von Magnetokardiogrammen zeigt, die aus Messungen unter
Verwendung des Magnetfeld-Messsystems gemäß der fünften Ausführungsform erhalten wurden;
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13 ist eine Ansicht, die
ein Beispiel der Anordnung von Messmagnetometern bei einer siebten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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14 ist eine Ansicht, die
Beispiele von Magnetokardiogrammen zeigt, wie sie aus Messungen
unter Verwendung eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer
achten Ausführungsform
der Erfindung erhalten wurden; und
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15A und 15B sind Ansichten, die andere Strukturen
von Magnetometern zeigen, bei denen die Erfindung anwendbar ist.
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Nachfolgend
erfolgt eine beispielhafte Beschreibung zu einem Magnetokardiografie-Messsystem,
das ein Magnetfeld misst, wie es vom Herz eines lebenden Körpers als
Messsignal ausgegeben wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf dieses
Beispiel beschränkt.
Viel mehr ist sie z.B. auch bei magnetosensitiven Messsystemen anwendbar,
die z.B. das Vorliegen oder Fehlen eines magnetischen Materials
in einem normalen Messziel, die Menge des magnetischen Materials,
die Verteilung desselben oder ähnliches
messen. Die folgende Offenbarung bildet nur eine Ausführungsform
der Erfindung und beschränkt
in keiner Weise deren technischen Umfang.
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In
den 5A, 5B, 6A, 6B, 7, 12 und 14 repräsentiert die Ordinate ein Magnetfeld
(nT) und die Abszisse repräsentiert
die relative Zeit (s), wenn ein vorgegebener Messzeitpunkt zu 0
angenommen wird.
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AUSFÜHRUNGSFORM 1
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Die 1 zeigt Ansichten jeweils
eines Beispiels einer Struktur eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung, wobei es sich um ein magnetokardiografisches Messsystem
unter Verwendung einer zylindrischen magnetischen Abschirmung 1 handelt.
Es wird davon ausgegangen, dass die Mittelachse der zylindrischen magnetischen
Abschirmung 1 die x-Achse bildet und dass zwei dazu orthogonale
Achsen die y- und die z-Achse bilden. Innerhalb der 1 ist die 1A eine
xz-Schnittansicht, und die 1B ist
eine yz-Schnittansicht.
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Innerhalb
der transversal montierten zylindrischen magnetischen Abschirmung 1 sind
ein Bett 14, auf dem eine Person 13 so ruht, dass
ihr Kopf durch ein Kissen 20 abgestützt ist, und ein Dewargefäß 2 angeordnet.
Im inneren, unteren Teil des Dewargefäßes 2 sind mehrere
Messmagnetometer 3 und ein erstes Bezugsmagnetometer 4 angeordnet,
die mit einem Kältemittel
gekühlt
werden. Die erste Ausführungsform
verfügt über Magnetometer,
die jeweils aus einem Supraleiter mit hoher Übergangstemperatur bestehen,
die bei der Temperatur flüssigen
Stickstoffs betreibbar sind, wobei die Magnetometer dadurch gekühlt werden,
dass das Dewargefäß mit flüssigem Stickstoff
gefüllt
wird. Das Dewargefäß 2 wird durch
einen Galgen 5 mit einem Ausrichtmechanismus gehalten.
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Die
Position des Galgens 5 zum Fixieren des Dewargefäßes 2 wird
unter Verwendung eines Galgenpositions-Einstellmechanismus 12 mit
einem Mechanismus für
Verstellung in den Richtungen der drei Achsen (x-, y- und z-Achse)
eingestellt. Ein Galgenpositions-Einstellgriff 19 ist mechanisch
mit dem Galgenpositions-Einstellmechanismus 12 verbunden, damit
die Position des Galgens 5 durch Verdrehen des Griffs 19 eingestellt
werden kann.
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Das
Bett 14 wird durch zwei Beine 17 mit Rädern näher am Kopf
der Person 13 sowie zwei Gleit-Bettbeine 15 (die
dauernd in der magnetischen Abschirmung 1 positioniert
sind) gehalten. Das Bett 14 kann dadurch in die magnetische
Abschirmung 1 geschoben und aus ihr gezogen werden, dass
die zwei Beine 17 mit Rädern über einen
Boden gezogen werden, wobei die zwei Gleit-Bettbeine 15 auf
Führungsschienen 16 gleiten.
Da das Bett 14 leicht aus der magnetischen Abschirmung 1 herausgezogen werden
kann, kann die Person 13 leicht in diese hinein und wieder
aus ihr gelangen, und die Position des Galgens 5 kann leicht
eingestellt werden.
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Jede
der in der magnetischen Abschirmung angeordneten Einheiten, einschließlich des
Betts 14, des Dewargefäßes 2 und
des Galgens 15 besteht aus einem unmagnetischen Material
wie FRP (Fiber Reinforced Plastic = faserverstärkter Kunststoff) oder Aluminium.
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Mehrere
Messmagnetometer verfügen über jeweilige
Aufnahmespulen, die in derselben Ebene parallel zu einer xy-Ebene
orthogonal zur z-Achse so angeordnet sind, dass die Ebene der Aufnahmespulen
orthogonal zur z-Achse verläuft.
Die Messmagnetometer messen eine Magnetfeldkomponente in der Richtung
der z-Achse. Das erste Bezugsmagnetometer 4 zum Messen
der Komponente eines externen Felds in der Richtung der x-Achse
ist in der Nähe der
Messmagnetometer 3 so angeordnet, dass die Richtung, in
der ein Magnetfeld erfasst wird, in der Richtung der x-Achse ausgerichtet
ist.
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Der
Ansteuerbetrieb der mehreren Messmagnetometer 3 und des
ersten Bezugsmagnetometers 4 wird durch eine FLL-Schaltung 6 gesteuert,
und von der FLL-Schaltung 6 wird ein analoges Signal ausgegeben,
das auf die Stärke
des von jedem der Magnetometer gemessenen Magnetfelds reagiert.
Das Ausgangssignal der FLL-Schaltung 6 wird in einer Analogsignal-Verarbeitungsschaltung 7 mit
einem Verstärker,
einem Bandpassfilter und einem Kerbfilter signalverarbeitet.
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Eine
Signalleitung 18 besteht aus einem Bündel mehrerer Kabel zum Übertragen
gemessener Signale von den Magnetometern 3 und 4 an
die FLL-Schaltung 6 sowie einem Kabelbündel, das es ermöglicht,
dass ein Vorbelastungsstrom, ein Rückkopplungsstrom und ein Heizstrom
von der FLL-Schaltung 6 zu den Magnetometern 3 und 4 fließt. Ein
Ausgangssignal der Verar beitungssignal 7 wird in einem
AD(Analog-Digital)-Wandler 8 in ein digitales Signal gewandelt
und durch einen Computer 9 akkumuliert. Der Computer 9 führt hinsichtlich
des akkumulierten Signals verschiedene Signalverarbeitungsvorgänge aus.
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Das
externe Feld beinhaltet drei Komponenten in den Richtungen x, y
und z. Da der Abschirmungsfaktor der zylindrischen magnetischen
Abschirmung in den Richtungen der z- und der y-Achse orthogonal zur x-Achse, wie in
der 1 dargestellt ist,
sind die Komponenten des externen Felds in den Richtungen der z-
und der y-Achse innerhalb derselben deutlich geschwächt. Andererseits
verlaufen die Komponenten des externen Felds in den Richtungen x
und y orthogonal zur Richtung, in der ein SQUID-Magnetometer ein
Magnetfeld misst, so dass der Hauptteil derselben durch das Magnetometer nicht
gemessen wird. Demgemäß kann das
externe Feld in der y-Richtung, das durch die magnetische Abschirmung
abgeschirmt wird und in der ein SQUID-Magnetometer weniger empfindlich
ist, praktisch ignoriert werden.
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Der
Hauptteil der Komponente des externen Felds in der Richtung der
z-Achse kann dadurch aufgehoben werden, dass die Differenz zwischen
den Ausgangssignalen benachbarter Messmagnetometer 3 gemessen
wird. Die Differenz kann berechnet werden, nachdem Daten durch den
Computer akkumuliert wurden.
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Der
Computer 9 führt
eine Arithmetikoperation dahingehend aus, dass er von der Differenz
zwischen den Ausgangssignalen der benachbarten Messmagnetometer 3 einen
Wert abzieht, der dadurch erhalten wird, dass ein Messsignal vom
ersten Bezugsmagnetometer 4 mit einem ersten spezifizierten
Faktor multipliziert wird, um die Komponente des externen Felds
in der Richtung der x-Achse zu korrigieren, um ein erstes Messsignal
mit weniger Beeinflussung durch das externe Magnet feld zu bestimmen.
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Die 2 zeigt Ansichten jeweils
einer Struktur jedes der Magnetometer, wie sie bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung verwendet werden, wobei die 2A eine perspektivische Ansicht ist,
die die Struktur des Magnetometers zeigt, die 2B eine Draufsicht ist, die eine Struktur
eines SQUID-Elements zeigt, und die 2C,
ein Ersatzschaltbild des SQUID-Elements ist.
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Ein
SQUID-Element 34 aus einem Supraleiter mit hoher Übergangstemperatur
ist an einer gedruckten Leiterplatte 30 befestigt. Die
Elektroden 48 des SQUID-Elements 34 sind durch
Bonddrähte 35 mit
den Bondkontaktflecken 36 der gedruckten Leiterplatte 30 sowie
mit Verbindern 37 verbunden, die an der Rückseite
derselben angebracht sind. Auf der gedruckten Leiterplatte 30 sind
eine Rückkopplungsspule 33 und
ein Heizer 32 zum Beseitigen eines geklemmten Flusses angebracht.
Um eine Beeinträchtigung
zu verhindern, ist das SQUID-Element 34 gemeinsam mit dem Heizer 32 durch
eine Kappe 31 dicht in trockenem Stickstoff eingeschlossen.
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Das
SQUID-Element 34 ist ein direkt gekoppeltes Magnetometer
aus einem SQUID 44 (mit einem supraleitenden Ring 49,
zwei Josephson-übergängen 46 sowie
einem Schlitzloch 45) und einer Aufnahmespule 43,
die in direkt gekoppelter Beziehung auf demselben Dünnfilm ausgebildet
sind. Das bei der ersten Ausführungsform
verwendete SQUID-Element 34 ist ein direkt gekoppeltes
Magnetometer aus einem YB2Cu3Oy(YBCO)-Supraleiter hoher Übergangstemperatur,
der auf einem SrTiO3-(100)-Bikristallsubstrat 40 (mit
einem Kippwinkel von 36,8°)
von 15 mm × 15
mm ausgebildet ist. Das Magnetometer wies im Gebrauch typisches weißes Rauschen
von 50 bis 100 fT/Hz½, bezogen auf ein Magnetfeld
bei 77 K, auf.
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Das
Bikristallsubstrat 40 ist ein Substrat mit einer Struktur,
in der Einkristalle mit zwei verschiedenen Orientierungen verbunden
sind. An der Grenzfläche
zwischen zwei Kristallen ist eine Korngrenze 41 ausgebildet.
Durch epitaktisches Züchten
eines supraleitenden Dünnfilms 42 aus
einem Supraleiter hoher Übergangstemperatur
auf dem Bikristallsubstrat 40 wird auch im supraleitenden
Dünnfilm
entlang der Korngrenze 41 eine Korngrenze erzeugt. Da die Korngrenze 41 des
Supraleiters hoher Übergangstemperatur
die Charakteristik eines Josephson-Übergangs zeigt, kann ein SQUID 44 mit
zwei Josephson-Übergängen 46 im
supraleitenden Ring 49 dadurch hergestellt werden, dass
dieser auf der Korngrenze 41 hergestellt wird. Durch Herstellen
des supraleitenden Rings 49 durch variable Einstellung
der Länge
des Schlitzlochs 45 innerhalb desselben wird die Induktivität desselben
als wichtiger Designparameter, der die Eigenschaften des SQUID 44 bestimmt,
auf den optimalen Wert eingestellt.
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Die
Aufnahmespule 43 ist eine geschlossene Schleife aus supraleitendem
Material. Das Loch 47 in der Aufnahmespule bestimmt die
geschlossene Schleife. In ihr fließt ein Abschirmungsstrom proportional
zu einem Magnetfluss an der Aufnahmespule. Beim direkt gekoppelten
Magnetometer fließt
ein Abschirmungsstrom direkt im supraleitenden Ring 49 des
SQUID 44, und es wird ein Magnetfeld gemessen.
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Die 3A ist eine Ansicht, die
die Anordnung der Magnetometer bei der ersten Ausführungsform
zeigt.
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Bei
der ersten Ausführungsform
wurden als Messmagnetometer 3 neun Magnetometer verwendet,
von denen jedes gleich wie das in der 2A dargestellte
Magnetometer 21 aufgebaut war. Messmagnetometer 3 wurden
mit einer 3×3-Anordnung auf
der Unterseite einer Platte 61 aus FRP montiert, wobei
sie parallel zur Mittelachse (x-Achse) der zylindrischen magneti schen
Abschirmung 1 angeordnet wurden, wodurch eine erste Ebene
definiert wurde. Der Abstand zwischen den jeweiligen Mitten benachbarter
Magnetometer betrug 30 mm. Das erste Bezugsmagnetometer 4 zum
Messen der Komponente des externen Felds in der Richtung der x-Achse
wurde auf einer Platte 63 angebracht, die eine zweite Ebene
orthogonal zur Platte 61 definierte. Das erste Bezugsmagnetometer 4 wies
dieselbe Struktur wie das in der 2A dargestellte
Magnetometer 21 auf.
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Die
jeweiligen Leiter 37 der einzelnen Magnetometer wurden
mit auf der Platte 61 angeordneten Verbindern 66 verbunden,
und diese wurden mit Signalleitungen 67 verbunden. Diese
Magnetometer wurden innerhalb des in der 1 dargestellten Dewargefäßes 2 platziert,
und sie wurden mit flüssigem Stickstoff
gekühlt.
Die Signalleitungen 67 wurden aus dem oberen Teil des Dewargefäßes 2 herausgezogen,
entlang einer Säule 11 zum
Fixieren des Galgens in paralleler Beziehung zur Innenwand der magnetischen
Abschirmung geführt,
um aus dieser herausgezogen zu werden, und sie wurden mit der FLL-Schaltung 6 verbunden.
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Die 4A ist eine Ansicht, die
eine Struktur einer Messschaltung bei der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Mehrere
durch das gestrichelte Rechteck eingeschlossene Messmagnetometer 71 kennzeichnen
die Gruppe von auf der Platte 61 montierten Messmagnetometern 3.
Der im gestrichelten Rechteck eingeschlossene Teil, der einen Kühlungsteil 73 repräsentiert,
ist innerhalb des Dewargefäßes 2 angeordnet.
Ein Ausgangssignal der FLL-Schaltung 6 wird in der Analogsignal-Verarbeitungsschaltung 7 auf
ein geeignet verstärktes
Signal im Bereich von 0,1 Hz bis 80 Hz verstärkt, durch den 16-Bit-AD-Wandler 8 in
der Folgestufe in ein digitales Signal gewandelt, und dann wird
es im Computer 9 aufgezeichnet.
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Ein
Signal vom ersten Bezugsmagnetometer 4 wird einem ähnlichen
Prozess unterzogen, und es wird im Computer 9 aufgezeichnet.
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Nachfolgend
erfolgt eine Beschreibung zu einer tatsächlichen Messprozedur. Die
Person 13 hat Magnetfelder erzeugende Gegenstände, wie
eine Uhr, einen Gürtel
oder dergleichen, abzulegen, und sie legt sich außerhalb
der magnetischen Abschirmung 1 auf das Bett 14.
Der untere Teil des Dewargefäßes wird
durch Einstellen des Galgens 5 mit dem Brustabschnitt der
Person ausgerichtet. Dann wird das Bett 14 in die magnetische
Abschirmung 1 hineingeschoben. In diesem Zustand wird ein
Strom von mehreren 10 Milliampere für 30 bis 60 Sekunden durch
den an der gedruckten Leiterplatte 30 jedes der Magnetometer
angebrachten Heizers 32 geschickt, um dadurch einen geklemmten
Fluss zu beseitigen. Der Strom im Heizer wird abgeschaltet, und
nach einer Wartezeit von ungefähr
1 Minute wird ein durch das Herz der Person erzeugtes magnetokardiografisches
Signal für
2 Minuten mittels Messsignalen erfasst, die durch die neun Messmagnetometer
und das eine Bezugsmagnetometer gemessen werden.
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Nachfolgend
erfolgt eine Beschreibung zu einem Verfahren zum Aufheben eines
externen Felds hinsichtlich der Messsignale. Obwohl bei der ersten Ausführungsform
Magnetometer als zweidimensionales 3×3-Array angeordnet sind, wie
es in der 3A dargestellt
ist, erfolgt die Beschreibung für den
Fall, dass, wie es allgemein üblich
ist N×M-Messmagnetometer
verwendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein Messmagnetometer
in der Zeile n und der Spalte m durch ein SQUID(m,n) repräsentiert
ist und dass ein durch dieses gemessenes und ausgegebenes Messsignal
durch B(m,n) repräsentiert
ist. Andererseits ist ein erstes Bezugsmagnetometer durch Ref(1)
repräsentiert,
und ein durch dieses erfasstes erstes Bezugssignal ist durch B(Ref,1)
repräsentiert.
Ein Magnetfeldvektor vom lebenden Körper und ein Vektor des externen
Felds an der Position des Messmagnetometers SQUID(m,n) sind durch
S(m,n) bzw. E(m,n) repräsentiert,
die durch die folgenden Gleichungen 1 und 2 definiert sind: S(m,n) = (Sx(m,n), Sy(m,n),
Sz(m,n)) Gl. 1 E(m,n) = (Ex(m,n), Ey(m,n),
Ez(m,n)) Gl. 2
-
Die
Einzelterme auf der rechten Seite jeder der Gleichungen 1 und 2
bezeichnen die jeweiligen Komponenten in den Richtungen der x-,
der y- und der z-Achse. Da die Mittelachse der zylindrischen magnetischen
Abschirmung gemäß der Annahme mit
x gekennzeichnet ist, ist der Abschirmungsfaktor in jeder der Richtungen
z und y orthogonal zur Zylinderachse höher als in der x-Richtung der
Abschirmung. Dadurch können
die folgenden Gleichungen 3 und 4 angenommen werden: Ex(m,n) >> (Ez(m,n) Gl. 3 Ex(m,n) >> (Ey(m,n) Gl. 4
-
Wenn
ein Einheitsvektor in der normalen Richtung zur Ebene der Aufnahmespule
des SQUID(m,n) als H(m,n) = (Hx(m,n), Hy(m,n) und Hz(m,n)) angenommen
wird, ist ein durch das SQUID(m,n) gemessenes und von ihm ausgegebenes
Messsignal B(m,n) durch die Gleichung (m,n) repräsentiert. Als charakteristisches
Rauschen N(m,n) des Magnetometers SQUID(m,n) ist nicht externes Rauschen
sondern eine Kombination aus für
das SQUID-Magnetometer charakteristischem Rauschen und dem Rauschen
der FLL-Schaltung definiert. Wenn in der FLL-Schaltung oder der
Analogsignal-Verarbeitungsschaltung ein Verstärker enthalten ist, wird das
Messsignal verstärkt
und dann ausgegeben, jedoch wird hier zur einfacheren Erläuterung
davon ausgegangen, dass sie Verstärkung des Verstärkers den
Wert 1 hat. Es wird auch davon ausgegangen, dass die Gleichung 6
erfüllt
ist. B(m,n) = H(m,n)·(S(m,n)
+ E(m,n)) + N(m n)
= Hx(m,n)·Sx(m,n) + Hy(m,n)·Sy(m,n)
+ Hz(m,n)·Sz(m,n)
+ Hx(m,n)·Ex(m,n)
+ Hy(m,n)·Ey(m,n)
+ Hz(m,n)·Ez(m,n)
+ N(m,n) Gl. 5 Hx(m,n)2 +
Hy(m,n)2 + Hz(m,n)2 =
1 Gl. 6
-
Da
jedes der Magnetometer so angeordnet ist, dass die Richtung, in
der ein Messsignal gemessen wird, in der Richtung der z-Achse ausgerichtet ist,
ist im Idealfall H(m,n) = (0,0,1) erfüllt, so dass ein externes Feld
in einer anderen Richtung als der z-Richtung nicht gemessen wird.
Jedoch ist es wegen Montagetoleranzen oder dergleichen, wenn die SQUID-Magnetometer fixiert
werden, schwierig, alle SQUID-Magnetometer so anzuordnen, dass sie
völlig
parallel zur xy-Ebene verlaufen. Es ist zweckdienlich, zu berücksichtigen,
dass jedes der SQUID-Magnetometer tatsächlich unter einem bestimmten
kleinen Winkel relativ zur xy-Ebene angeordnet wurde. In diesem
Fall können
die Gleichungen 7, 8 und 9 angenommen werden. Hz(m,n) ~ 1 Gl. 7 Hx(m,n) << 1 Gl. 8 Hy(m,n) << 1 Gl. 9
-
Zur
Analyse eines magnetokardiografischen Signals, wie es aus einer
Messung unter Verwendung eines Mehrkanal-Magnetokardiografen erhalten
wird, wurde ein Analyseverfahren verwendet, bei dem ein zweidimensionales
Bild als dem gemessenen Magnetfeld entsprechende Stromverteilung
angezeigt wird (Strompfeil-Kartierungsverfahren). Gemäß dem Strompfeil-Kartierungsverfahren
kann ein zweidimensionaler Stromvektor i, der durch Projizieren
eines Stromvektors, der einem Magnetfeld an einem vorgegebenen Punkt
entspricht, auf die xy-Ebe ne erhalten wird, durch die Gleichung
10 angenähert werden. i∝(ΔBzu/Δx, –ΔBz/Δy) Gl. 10
-
Dabei
ist Bz die Komponente eines Magnetfelds in der Richtung der z-Achse.
Größen, die
dazu erforderlich sind, den Stromvektor zu bestimmen, sind der Gradient
eines Magnetfelds in der z-Richtung bezogen auf die x-Richtung (ΔBz/Δx) und der Gradient
des Magnetfelds in der z-Richtung bezogen auf die y-Richtung (ΔBz/Δy), die Sz(m,n) – Sz(m+1,n) bzw.
Sz(m,n) – Sz(m,n+1)
sind. Der Magnetfeldgradient Sz(m,n) – Sz(m+1,n) kann unter Verwendung
der Differenz B(m,n) – B(m+1,n)
zwischen benachbarten Messmagnetometern bestimmt werden. Die Differenz
B(m,n) – B(m+1,n)
zwischen Messmagnetometern, die in der x-Richtung benachbart sind,
wird als x(m,n) definiert, und die Differenz B(m,n) – B(m,n+1) zwischen
Messmagnetometern, die in der y-Richtung benachbart sind, wird als
y(m,n) definiert. Demgemäß ist die
Differenz zwischen den in der x-Richtung benachbarten Messmagnetometern
durch die Gleichung 11 gegeben. x(m,n) = B(m,n) – B(m+1,n) = {Hx(m,n)·Sx(m,n) – Hx(m+1,n)·Sx(m+1,n)}
+ {Hy(m,n)·Sy(m,n) – Hy(m+1,n)·Sy(m+1,n)}
+ {Hz(m,n)·Sz(m,n) – Hz(m+1,n)·Sz(m+1,n)}
+ {Hx(m,n)·Ex(m,n) – Hx(m+1,n)·Ex(m+1,n)}
+ {Hy(m,n)·Ey(m,n) – Hy(m+1,n)·Ey(m+1,n)}
+ {Hz(m,n)·Ez(m,n) – Hz(m+1,n)·Ez(m+1,n)}
+ {N(m,n) – N(m+1,n)} Gl. 11
-
Beispielhaft
erfolgt nachfolgend eine Beschreibung zur Differenz zwischen den
in der x-Richtung benachbarten Messmagnetometern. Jedoch ist die
Erfindung auch auf die Differenz zwischen den in der y-Richtung
benachbarten Messmagnetometern gemäß demselben Konzept anwendbar.
Da der Einheitsvek tor H(m,n) normal zur Ebene der Aufnahmespule
des SQUID(m,n) im wesentlichen orthogonal zur xy-Ebene verläuft, können die
jeweiligen z-Komponenten der Einheitsvektoren H(m,n) und H(m+1,n)
durch die folgenden Gleichungen 12 bzw. 13 angenähert werden. Hz(m,n) ~ 1 Gl. 12 Hz(m+1,n) ~ 1 Gl. 13
-
Demgemäß wird der
dritte Term auf der rechten Seite der Gleichung 11 der Magnetfeldgradient Sz(m,n) – Sz(m+1,n).
Es kann davon ausgegangen werden, dass der Einfluss der Komponenten
des magnetokardiografischen Signals in den Richtungen der x- und
der y-Richtung, wie durch den ersten und den zweiten Term auf der
rechten Seite der Gleichung 11 repräsentiert, auf den zu bestimmenden
Magnetfeldgradienten Sz(m,n) – Sz(m+1,n)
praktisch ignoriert werden kann. Dies, da die jeweiligen Komponenten der
Einheitsvektoren H(m,n) und H(m+1,n) in den Richtungen der y- und
der z-Achse nahezu null sind.
-
Das
charakteristische Rauschen von Magnetometern differiert von einem
zum anderen, da es von den Übergangseigenschaften
des Josephson-Übergangs,
dem Störsignalpegel
einer für
die FLL-Schaltung verwendeten Vorverstärkerschaltung und dergleichen
abhängt.
Da jedoch das System normalerweise unter Verwendung von Magnetometern
aufgebaut wird, die im Ausmaß des
charakteristischen Rauschens gleich sind, kann das charakteristische Rauschen
der einzelnen Magnetometer durch den Mittelwert Nave derselben
repräsentiert
werden. Da die jeweiligen charakteristischen Rauschen der einzelnen
Magnetometer keine wechselseitige Korrelation zeigen, wird der siebte
Term auf der rechten Seite der Gleichung 11 zu √2·Nave. Auf Grundlage der vorstehenden Annahme
ist die Differenz x(m,n) zwischen den in der x-Richtung benachbarten
Messmag netometern durch die folgende Gleichung 14 repräsentiert. x(m,n) = {Sz(m,n) – Sz(m+1,n)}
+ √2·Nave+ {Hx(m,n)·Ex(m,n) – Hx(m+1,n)·Ex(m+1,n)}
+ {Hy(m,n)·Ey(m,n) – Hy(m+1,n)·Ey(m+1,n)}
+ {Hz(m,n)·Ez(m,n) – Hz(m+1,n)·Ez(m+1,n)} Gl. 14
-
Als
Nächstes
wird das externe Feld betrachtet. Es kann erwartet werden, dass
externe Felder an den Positionen benachbarter Magnetometer ziemlich starke
Korrelationen zeigen. Daher wird davon ausgegangen, dass die externen
Felder starke Korrelationen zeigen und dass jedes derselben auf
einen praktisch ausreichenden Pegel geschwächt werden kann, wenn sie an
den Positionen der benachbarten Magnetometer genau gemessen werden
und die Differenz zwischen ihnen berechnet wird. D.h., dass die Gleichungen
15, 16 und 17 angenommen werden. Ex(m,n) = Ex(m+1,n) Gl. 15 Ey(m,n) = Ey(m+1,n) Gl. 16 Ez(m,n) = Ez(m+1,n) Gl. 17
-
Bei
der ersten Ausführungsform
beträgt
der Abstand zwischen den jeweiligen Mitten benachbarter Magnetometer
30 mm, während
der Innendurchmesser der zylindrischen magnetischen Abschirmung
800 mm beträgt,
so dass die vorstehende Annahme ausreichend korrekt ist. Auf Grundlage
dieser Annahme ist die Differenz x(m,n) zwischen den in der x-Richtung
benachbarten Messmagnetometern durch die Gleichung 18 gegeben. x(m,n) = {Sz(m n) – Sz(m+1,n)}
+ √2·Nave +
{Hx(m,n) – Hx(m+1,n)·Ex(m,n)}
+ {Hy(m,n) – Hy(m+1,n)·Ey(m,n)}
+ {Hz(m,n) – Hz(m+1,n)·Ez(m+1,n)} Gl. 18
-
Da
die Komponente des externen Felds in der Richtung der z-Achse, die durch
den fünften
Term auf der rechten Seite der Gleichung 18 repräsentiert ist, hinsichtlich
der Korrelation zwischen den Gleichungen 12 und 13 als ausreichend
klein angesehen wird, kann sie vernachlässigt werden. Außerdem wird
die Komponente des externen Felds in der Richtung der y-Achse, die
durch den vierten Term in der Gleichung 18 repräsentiert ist, angesichts der
Korrelation zwischen den Gleichungen 4 und 9 als ausreichend kleiner
als die Komponente des externen Felds in der Richtung der x-Achse
angesehen, die durch den dritten Term der Gleichung 18 repräsentiert
ist. Demgemäß ist die
Hauptkomponente des externen Felds in der Gleichung 18 die Komponente desselben
in der Richtung der x-Achse, die durch den dritten Term darin repräsentiert
ist. Durch Korrigieren der Komponente des externen Felds in der
Richtung der x-Achse kann daher dasselbe ausreichend auf einen praxisgerechten
Pegel reduziert werden.
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Bei
der Erfindung wird das erste Bezugsmagnetometer dazu verwendet,
die Komponente des externen Felds in der Richtung er x-Achse zu
korrigieren, die durch den dritten Term in der Gleichung 18 repräsentiert
ist. Es wird davon ausgegangen, dass ein Vektor (E(Ref,1)) des externen
Felds an der Position des Bezugsmagnetometers SQUID (Ref,1) durch
die Gleichung 19 gegeben ist. E(Ref,1) = (Ex(Ref,1), Ey(Ref,1), Ez(Ref,1)) Gl. 19
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Da
das Bezugsmagnetometer entfernt vom lebenden Körper positioniert ist, wird
davon ausgegangen, dass das Magnetfeld von diesem vernachlässigbar
ist. In der zylindrischen magnetischen Abschirmung ist der Abschirmungsfaktor
in jeder der Richtungen y und z orthogonal zur Zylinderachse (x-Achse) höher als
in der x-Richtung, so dass die Gleichungen 20 und 21 gelten. Ex(Ref,1) >> Ey(Ref,1) Gl. 20 Ex(Ref,1) >> Ez(Ref,1) Gl. 21
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Es
wird davon ausgegangen, dass ein Einheitsvektor H(Ref,1) normal
zum Bezugsmagnetometer durch die folgende Gleichung 22 gegeben ist. H(Ref,1) = (Hx(Ref,1), Hy(Ref,1),
Hz(Ref,1) Gl. 22
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Es
wird auch davon ausgegangen, dass die folgende Gleichung 23 gilt: Hx(Ref,1)2 +
Hy(Ref,1)2 + Hz(Ref,1)2 =
1 Gl. 23
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Da
der Einheitsvektor H(Ref,1) normal zum Bezugsmagnetometer im Wesentlichen
parallel zur x-Achse verläuft,
können
die Gleichungen 24, 25 und 26 angenommen werden. Hy(Ref,1) << 1 Gl.
24 Hz(Ref,1) << 1 Gl. 25 Hx(Ref,1) ~ 1 Gl. 26
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Wenn
angenommen wird, dass ein durch das Bezugsmagnetometer gemessenes
Bezugssignal B(Ref,1) ist und das charakteristische Rauschen Nave ist, gilt die folgende Gleichung 27. = Hx(Ref,1)·Ex(Ref,1)
+ Hy(Ref,1)·Ey(Ref,1)
+ Hz(Ref,1)· Ez(Ref,1)
+ Nave Gl.
27
-
Wenn
der Korrelation zwischen den Gleichungen 20, 21, 24 und 25 Aufmerksamkeit
geschenkt wird, kann die Gleichung 27 durch die folgende Gleichung
28 angenähert
werden. B(Ref,1)
= Hx(Ref,1)·Ex(Ref,1)
+ Nave Gl.
28
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Wenn
angenommen wird, dass Ex(m,n) und Ex(Ref,1) hervorragende Korrelation
zeigen und wenn eine Korrektur durch Multiplizieren des Signals B(Ref,1)
vom Bezugsmagnetometer mit einem ersten Korrekturfaktor Ax(m,n)
ausgeführt
wird, kann die Komponente des externen Felds in der z-Richtung im Differenzsignal
x(m,n) zwischen den in der x-Richtung benachbarten Messmagnetometern
korrigiert werden. Wenn ein korrigiertes erstes Messsignal zu Cx(m,n)
angenommen wird, ist dieses durch die folgende Gleichung 29 gegeben,
so dass ein Messsignal mit weniger Einfluss durch das externe Feld,
wie durch die folgende Gleichung 31 gegeben, dadurch erhalten werden
kann, dass der erste Korrekturfaktor Ax(m,n), der die Gleichung
30 erfüllt,
selektiv bestimmt wird. Cx(m,n)
= x(m,n) – Ax(m,n)·B(Ref,1)
=
{Sz(m,n) – Sz(m+1,n)}
+ √2·Nave +
{Hx(m,n) – Hx(m+1,n)}· Ex(m,n) – Ax(m,n)·B(Ref,1)
={Sz(m,n) – Sz(m+1,n)}
+ √{2 + (Ax(m,n))²}·Nave +{(Hx(m,n) – Hx(m+1,n)} – Ax(m,n)·Bx(Ref,1))·Ex(m,n) Gl. 29 Ax(m,n) = {Hx(m,n) – Hx(m+1,n)}/Hx(Ref,1) Gl. 30 Cx(m,n) = Sz(m,n) – Sz(m+1,n)
+ √{2 + (Ax(m,n))²}·Nave Gl.
31
-
Da
der durch die Gleichung 30 repräsentierte Faktor
Ax(m,n) einen Wert aufweist, der hinsichtlich der Gleichungen 8
und 26 ausreichend kleiner als 1 ist, bewirkt das charakteristische
Rauschen des Bezugsmagnetometers nur eine geringfügige Zunahme des
Störsignals
im korrigierten ersten Messsignal. Tatsächlich war es schwierig, die
in der Gleichung 30 ent haltenen Werte Hx(m,n), Hx(m+1,n) und Hx(Ref,1)
genau zu messen, so dass ein gemäß dem folgenden
Verfahren vorbestimmter Wert als erster Korrekturfaktor Ax(m,n)
verwendet wurde. Es wurden B(m,n), B(m+1,n) und B(Ref,1) innerhalb
einem vorgegebenen Zeitbereich (der zu typischerweise 60 Sekunden
angenommen wurde) gemessen, und es wurden die zugehörigen zeitlichen
Mittelwerte Bave(m,n), Bave(m+1,n) und Bave(Ref,1) berechnet. Dann
wurde Ax(m,n) so bestimmt, dass die Summe der Quadrate gemäß dem unter
Verwendung der folgenden Gleichung 32 berechneten Wert im vorgegebenen
Zeitbereich minimal wurde. {(B(m,n) – Bave(m,n)) – (B(m+1,n) – Bave(m+1,n))} – Ax(m,n)· {B(Ref,1) – Bave(Ref,1)} Gl. 32
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Es
ist zu beachten, dass dieses Verfahren nur beispielhaft ist, und
der Wert von Ax(m,n) kann auch unter Verwendung eines anderen Algorithmus bestimmt
werden. Obwohl bei der ersten Ausführungsform eine Analyse unter
Verwendung des vorbestimmten ersten Korrekturfaktors ausgeführt ist,
ist es auch möglich,
den ersten Korrekturfaktor für
ein tatsächliches
Messsignal jedesmal dann zu bestimmen, wenn eine Messung ausgeführt wird.
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Obwohl
die vorstehende Beschreibung beispielhaft für die Differenz in der x-Richtung
erfolgte, kann entsprechend eine Differenz y(m,n) in der y-Richtung
erstellt werden, wie sie durch die Gleichung 33 repräsentiert
ist. Ein Messsignal (durch die Gleichung 35 repräsentiert) mit weniger Einfluss durch
das externe Feld kann ebenfalls für die Differenz in der y-Richtung
dadurch erhalten werden, dass das externe Feld in der x-Richtung
unter Verwendung der Gleichung 34 unter der Annahme korrigiert wird,
dass der erste Korrekturfaktor Ay(m,n) ist. y(m,n) = {Sz(m,n) – Sz(m,n+1)}
+ √2·Nave +
{Hx(m,n) – Hx(m,n+1)}·Ex(m,n)
+ {Hy(m,n) – Hy(m,n+1)}·Ey(m,n)}
+ {Hz(m,n) – Hz(m,n+1)}·Ez(m,n) Gl. 33 Ay(m,n) = {Hx(m,n) – Hx(m,n+1)}/Hx(Ref,1) Gl. 34 Cy(m,n) = y(m,n) – Ay(m,n)·B(Ref,1)
=
Sz(m,n) – Sz(m,n+1)
+ √2·Nave Gl. 35
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Die 5 zeigt Ansichten jeweils
eines Beispiels von magnetokardiogrammen, die aus Messungen unter
Verwendung des Magnetfeld-Messsystems gemäß der ersten Ausführungsform
erhalten wurden, wobei die 5A Magnetfeldsignale
für den Fall
zeigt, dass keine Korrektur des externen Felds gemäß der ersten
Ausführungsform
ausgeführt
wurde, während
die 5B Magnetfeldsignale
für den Fall
zeigt, dass eine solche Korrektur ausgeführt wurde.
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Die
Bandbreite lag im Bereich von 0,1 Hz bis 80 Hz, und es wurden auch
analoge Kerbfilter von 50, 100 und 150 Hz verwendet. Die Abtastfrequenz
betrug 1 kHz. Die 5A zeigt
die zeitlich variablen Signalverläufe für X(1,1), X(2,1) und Y(2,1),
bei denen es sich um die Differenzen zwischen Signalen von benachbarten
Magnetometern in absteigender Reihenfolge handelt. Obwohl ein nachgesuchtes
Magnetokardiogramm auch in den Differenzsignalen beobachtbar ist,
zeigt es starke Schwankungen unter dem Einfluss des externen Felds.
Die 5B zeigt die Ergebnisse
Cx(1,1), Cx(2,1) und Cy(2,1) für
die Korrektur des externen Felds unter Verwendung des Verfahrens
gemäß der ersten
Ausführungsform.
Die großen
Schwankungen sind im Wesentlichen vollständig daraus entfernt, so dass
der Effekt der ersten Ausführungsform
erkennbar ist.
-
Obwohl
sich der Effekt der vorliegenden Ausführungsform bei der verwendeten
3×3-Anordnung zeigte,
kann derselbe Effekt auch bei einer 4×4-oder einer noch größeren Anordnung
von Magnetometern erwartet werden.
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AUSFÜHRUNGSFORM 2
-
Die
Stärke
eines externen Felds hängt
stark vom Ort ab, an dem das System platziert wird. Das externe
Feld schwankt an einem Ort stärker,
der z.B. in der Nähe
einer Eisenbahnstrecke oder eines Aufzugs liegt.
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Die 6 sind Ansichten, die Beispiele
von Magnetokardiogrammen zeigen, die aus Messungen unter Verwendung
eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung erhalten wurden, wobei die 6A Magnetfeldsignale für den Fall
zeigt, dass eine Korrektur des externen Felds gemäß der zweiten
Ausführungsform
nicht ausgeführt
wurde, während
die 6B Magnetfeldsignale
für den
Fall zeigt, dass eine solche Korrektur ausgeführt wurde.
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Die 6A zeigt die Signalverläufe von
Ausgangssignalen (B(1,1), B(2,1)) der Messmagnetometer, wenn eine
Messung dadurch ausgeführt
wurde, dass ein Magnetokardiograf (Magnetfeld-Messsystem) innerhalb
eines Gebäudes
platziert wurde, das ungefähr
30 m von einer Eisenbahnstrecke entfernt lag. Das Band lag im Bereich
von 0,1 Hz bis 80 Hz, und es wurden auch analoge Kerbfilter von
50, 100 und 150 Hz verwendet. Da beim Vorbeifahren eines Zugs eine
große
Schwankung des externen Felds auftrat, war ein Messsignal gesättigt, da
der dynamische Eingangsbereich des AD-Wandlers in der Folgestufe überschritten
war. Obwohl das Problem unter Verwendung eines 24-Bit-AD-Wandlers
mit größerem dynamischem
Eingangsbereich anstelle eines 16-Bit-AD-Wandlers gelöst werden
kann, ist diese Lösung
wegen der höheren
Kosten nicht bevorzugt. Die zweite Ausführungsform löst das Problem
unter Verwendung eines Signals zum Komprimieren eines Dynamikbereichs,
um das Messsignal zu komprimieren, bevor es in den AD-Wandler eingegeben
wird.
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Die 3B ist eine Ansicht, die
die Anordnung der Magnetometer bei der zweiten Ausführungsform
zeigt. Die 3B zeigt
die Anordnung der innerhalb des Dewargefäßes 2 platzierten
Magnetometer. Die in der 3B dargestellte
Struktur wurde dadurch erhalten, dass zur Struktur gemäß der ersten
Ausführungsform,
die unter Bezugnahme auf die 3A beschrieben
wurde, ein Kompressionssignal-Magnetometer 69 hinzugefügt wurde.
Das Kompressionssignal-Magnetometer 69 wurde auf einer Platte 65,
die eine dritte Ebene parallel zur Platte 61 bildet, so
befestigt, dass die Richtung, in der es ein Magnetfeld misst, orthogonal
zur Platte 65 verlief. Die Platten 61 und 65 werden
durch vier Säulen 68 aus unmagnetischem
Material in paralleler Beziehung fixiert. Bei der zweiten Ausführungsform
wurde der Abstand zwischen den Platten 61 und 65 auf
60 mm eingestellt.
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Die 4B ist eine Ansicht, die
eine Struktur einer Messschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform
zeigt. Die 4C ist eine
Ansicht, die eine Struktur einer anderen Messschaltung gemäß der zweiten
Ausführungsform
zeigt.
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Wie
es in der 4B dargestellt
ist, ist der Magnetokardiograf so aufgebaut, dass er Messsignale
durch einen Differenzstärker 79 schickt,
so dass ein durch das Kompressionssignal-Magnetometer 69 gemessenes
Kompressionssignal von jedem der Messsignal abgezogen wird, bevor
diese in den AD-Wandler 8 eingegeben
werden. Die Messmagnetometer und das Kompressionssignal-Magnetometer messen
ein Magnetfeld in derselben Richtung, und sie sind an Positionen
angeordnet, die näher
bei einander als an der magnetischen Abschirmung mit einem Innendurchmesser
von 800 mm liegen, so dass das durch die Messmagnetometer gemessene
externe Feld und das durch das Kompressionssignal-Magnetometer 69 gemessene
Kompressionssignal eine starke Korrelation zeigen.
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Demgemäß können durch
das externe Feld induzierte Schwankungen dadurch um einen Faktor bis
zu einigen zehn gesenkt werden, dass das durch das Kompressionssignal-Magnetometer 69 gemessene
Kompressionssignal von jedem der Messsignale subtrahiert wird. Die
in der 6B dargestellten
Signalverläufe
B(1,1) und B(2,1) sind Daten zu Signalen, die dadurch erhalten wurden,
dass das durch das Kompressionssignal-Magnetometer 69 gemessene Kompressionssignal
von den Messsignalen abgezogen wurde, während ein Zug vorbeifuhr, wobei über den
16-Bit-AD-Wandler anschließend
eine Akkumulation durch den Computer erfolgte. Die Akkumulation
der Messsignale durch den Computer erfolgte, ohne dass die Breite
der Schwankung bei jedem der Messsignale den dynamischen Eingangsbereich
des AD-Wandlers überschreiten
konnte.
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Die
zwei Signalverläufe
im unteren Teil der 6B repräsentieren
Daten zum Unterschied zwischen den Ausgangssignalen der zwei Magnetometer
x(1,1) sowie Daten Cx(1,1), die sich aus einer Korrektur unter Verwendung
des ersten Bezugssignals ergeben. Da das durch das Kompressionssignal-Magnetometer 69 gemessene
Signal gemäß der zweiten
Ausführungsform
aufgehoben wird, wenn die Differenz zwischen den Signalen benachbarter
Magnetometer berechnet wird, ist es dadurch gekennzeichnet, dass
es nicht in den Differenzdaten verblieben ist.
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Durch
Ausführen
der Korrektur auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausführungsform
wurden die durch das externe Feld induzierten Schwankungen, wie
sie in den Differenzdaten x(1,1) verblieben waren, entfernt, wie
es durch die Daten Cx(1,1) nach der Korrektur dargestellt ist. Daher
ist es ersichtlich, dass selbst dann, wenn das durch das Kompressionssignal-Magnetometer 69 gemessene
Kompressionssignal in die Messschaltung eingegeben wird, der Effekt
einer Verringerung des externen Felds bei der zweiten Ausführungsform
dadurch unbeeinflusst bleibt.
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Das
vorstehende Ergebnis beweist, dass selbst dann, wenn die Schwankungen
des externen Felds groß sind,
ein Messsignal mit wenige Beeinflussung durch dieses erzielbar ist.
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Obwohl
bei der zweiten Ausführungsform
die Schaltungsstruktur der 4B als
Messschaltung verwendet wird, ist diese nur beispielhaft. Am Ort,
an dem die Differenzverstärkerschaltung 79 vorhanden ist,
können
verschiedene Strukturen verwendet werden. Dasselbe ergebnis ist
z.B. auch dadurch erzielbar, dass ein Verstärker 80 mit variabler
Verstärkung angebracht
wird, um die Empfindlichkeit der Magnetometer in der auf die FLL-Schaltung 6 folgenden Stufe
zu korrigieren, und dass eine nicht dargestellte Verstärkerfilterschaltung
in der auf die Differenzverstärkerschaltung 79 folgenden
Stufe, wie es in der 4C dargestellt
ist, angebracht wird.
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AUSFÜHRUNGSFORM 3
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Wenn
eine Magnetokardiografie-Messung unter Verwendung des Systems mit
der Struktur gemäß der ersten
Ausführungsform
ausgeführt
wurde, zeigte es sich, dass in einigen Fällen abhängig vom Ort, an dem das System
angebracht wurde, Störsignale
mit einer Frequenz von ungefähr
einigen Hertz verblieben.
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Die 7 ist eine Ansicht, die
Beispiele von Magnetokardiogrammen zeigt, wie sie aus Messungen
unter Verwendung eines Magnetfeld-Messsystems gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung erhalten wurden. Das Magnetfeldsignal im obersten
Teil der 7 repräsentiert
die Differenzdaten X(1,1) vor dem Ausführen einer Korrektur des externen
Felds. Das Magnetfeldsignal im mittleren Teil der 7 repräsentiert die Differenzdaten
Cx(1,1), nachdem eine Korrektur unter Verwendung des ersten Referenzsignals
ausgeführt
war. Obwohl die durch das externe Feld verursachten großen Schwankungen
durch Ausführen
der Korrektur unter Verwendung des bei der ersten Ausführungsform
beschriebenen ersten Bezugssignals entfernt wurden, verblieb eine
kleine Schwingungskomponente von ungefähr 5 Hz an jeder der Positionen,
wie sie durch die Pfeile in der 7 gekennzeichnet
sind. Der Mechanismus für
das Auftreten dieser kleinen Schwingungskomponente wurde nicht vollständig geklärt, jedoch
kann es sein, dass Schwingungen des Bodens oder des Dewargefäßes einen
Faktor betreffend die Erzeugung der kleinen Schwingungskomponente
bilden. Zum Entfernen der kleinen Schwingungskomponente wurde die
Struktur gemäß der dritten
Ausführungsform
dadurch erhalten, dass zur Struktur des Magnetfeld-Messsystems gemäß der ersten
Ausführungsform
ein zweites Bezugsmagnetometer hinzugefügt wurde.
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Die 8A ist eine Ansicht, die
die Anordnung von Magnetometern bei der dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Die 8A zeigt
die Anordnung der innerhalb des Dewargefäßes 2 platzierten
Magnetometer. Die in der 8A dargestellte Struktur
wurde dadurch erhalten, dass zur in der 3A dargestellten Struktur gemäß der ersten
Ausführungsform
ein zweites Bezugsmagnetometer 82 hinzugefügt wurde.
Dieses zweite Bezugsmagnetometer 82 hat dieselbe Struktur
wie das in der 2 dargestellte
Magnetometer.
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Das
zweite Bezugsmagnetometer 82 wurde auf einer Platte 81 angebracht,
die eine vierte Ebene parallel zur Platte 63 bildet, auf
der das erste Bezugsmagnetometer 4 angeordnet ist. Bei
der dritten Ausführungsform
wurde der Abstand zwischen den Platten 63 und 81 auf
40 mm eingestellt. Das zweite Bezugsmagnetometer 82 wurde
auf der die vierte Ebene bildenden Platte 81 so befestigt,
dass die Mittelachse ihrer Aufnahmespule mit der Mittelachse der Aufnahmespule
des ersten Bezugsmagnetometers 4 zusammenfiel.
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Bei
der dritten Ausführungsform
bilden das erste und das zweite Bezugsmagnetometer 4 und 82 ein
axiales Gradiometer erster Ordnung, so dass eine weitere Störsignalkorrektur
unter Verwendung eines Signals vom Gradiometer erster Ordnung hinsichtlich Differenzdaten
ausgeführt
wird, nachdem die Korrektur unter Verwendung des ersten Bezugssignals
ausgeführt
wurde. Genauer gesagt, sind Messsignale Dx(m,n) und Dy(m,n) (gegeben
durch die folgenden Gleichungen 36 und 37) dadurch erzielbar, dass
Werte, die dadurch erhalten werden, dass die Differenz zwischen
dem ersten und dem zweiten Bezugssignal mit spezifizierten zweiten
Korrekturfaktoren multipliziert wird, von Differenzdaten abgezogen
werden, die unter Verwendung des ersten Bezugssignals korrigiert
wurden. Dx(m,n) =
Cx(m,n) – βx(m,n)·B(ref,1) – B(ref,2)) Gl. 36 Dy(m,n) = Cy(m,n) – βy(m,n)·(B(ref,1) – B(ref,2)) Gl. 37
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Dabei
sind βx(m,n)
und βy(m,n)
zweite Korrekturfaktoren, und B(ref,1) und B(ref,2) sind ein erstes
bzw. ein zweites Bezugssignal, wie sie vom ersten bzw. zweiten Bezugsmagnetometer
gemessen werden. Als zweite Korrekturfaktoren βx(m,n) und βy(m,n) werden, ähnlich wie
beim ersten Korrekturfaktor, Werte verwendet, die selektiv durch
Anpassung mittels des kleinsten Fehlerquadrats erhalten werden,
um Variationen der Messsignale zu minimieren. Obwohl bei der dritten
Ausführungsform
eine Analyse unter Verwendung vorbestimmter zwei ter Korrekturfaktoren
ausgeführt
wurde, ist es auch möglich,
zweite Korrekturfaktoren für
tatsächliche
Messsignale jedesmal dann zu bestimmen, wenn eine tatsächliche
Messung ausgeführt
wird.
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Die 9A ist eine Ansicht, die
eine Struktur einer Messschaltung gemäß der dritten Ausführungsform
zeigt.
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Die
Messschaltung gemäß der dritten
Ausführungsform
verfügt über eine
Struktur, die dadurch erhalten wird, dass zur in der 4A dargestellten Schaltungsstruktur
gemäß der ersten
Ausführungsform
das zweite Bezugsmagnetometer 82 und die FLL-Schaltung 6 sowie
die Analogsignal-Verarbeitungsschaltung 7, jeweils ihm
entsprechend, hinzugefügt
werden. Die Magnetfeld-Signaldaten Dx(1,1) im untersten Teil der 7 wurden dadurch erhalten, dass
eine Korrektur unter Verwendung des Signals vom vorstehend genannten
Gradiometer erster Ordnung ausgeführt wurde, nachdem die Korrektur
unter Verwendung des ersten Bezugssignals ausgeführt worden war. Der Hauptteil
der Schwankungen mit einer Periode von ungefähr 5 Hz, die durch die Korrektur
unter Verwendung des ersten Bezugssignals nicht entfernt werden
konnten, sind entfernt, so dass der Effekt der dritten Ausführungsform
erkennbar ist.
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AUSFÜHRUNGSFORM 4
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Die 8B ist eine Ansicht, die
die Anordnung von Magnetometern gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Die 8B zeigt die
Anordnung der innerhalb des Dewargefäßes 2 platzierten
Magnetometer. Die in der 8B dargestellte
Struktur wurde dadurch erhalten, dass das Kompressionssignal-Magnetometer 69 zur
unter Bezugnahme auf die 8A beschriebenen
Struktur gemäß der dritten
Ausführungsform
hinzugefügt
wurde. Das Kompressionssignal-Magnetometer 69 ist an derselben
Position wie bei der in der 3B dargestellten
zweiten Ausführungsform
montiert. Die Struktur des Magnetfeld-Messsystems gemäß der vierten
Ausführungsform
wurde dadurch erhalten, dass das Kompressionssignal-Magnetometer 69 und die
Differenzverstärkerschaltung 79,
die jeweils bei der zweiten Ausführungsform
beschrieben wurden, zum Magnetfeld-Messsystem gemäß der dritten
Ausführungsform
hinzugefügt
wurden. Wie es bei der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde,
kann durch Verwenden des Kompressionssignal-Magnetometers 69 verhindert
werden, dass das Messsignal den dynamischen Eingangsbereich des
AD-Wandlers überschreitet.
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Die 9B ist eine Ansicht, die
eine Struktur einer Messschaltung gemäß der vierten Ausführungsform
zeigt. Die Messschaltung gemäß der vierten
Ausführungsform
verfügt über eine
Struktur, die dadurch erhalten wird, dass zur in der 9A dargestellten Messschaltung
gemäß der dritten
Ausführungsform
das Kompressionssignal-Magnetometer 69 und die zugehörige FLL-Schaltung
hinzugefügt werden,
so dass das durch das Kompressionssignal-Magnetometer 69 gemessene
Kompressionssignal durch die Differenzverstärkerschaltung 79 von
jedem der Messsignale abgezogen wird, bevor das Messsignal in den
AD-Wandler 8 eingegeben wird. Außerdem ist der Verstärker 80 mit
variabler Verstärkung
in eine Stufe vor der Differenzverstärkerschaltung eingefügt. Bei
der vierten Ausführungsform
wurden die Empfindlichkeiten der Magnetometer unter Verwendung des
Verstärkers
mit variabler Verstärkung
korrigiert.
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Durch
dieses Hinzufügen
des Kompressionssignal-Magnetometers 69 wird es möglich, auf dieselbe
Weise wie bei der zweiten Ausführungsform zu
verhindern, dass das Messsignal den dynamischen Eingangsbereich
des AD-Wandlers überschreitet.
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Obwohl
bei der vierten Ausführungsform
die Schaltungsstruk tur der 9B verwendet
ist, ist diese Struktur nur beispielhaft. Für die Positionen der Differenzverstärkerschaltung
und der Verstärker
mit variabler Verstärkung
können
verschiedene Strukturen verwendet werden.
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AUSFÜHRUNGSFORM 5
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Wie
bei der dritten Ausführungsform
beschrieben, existieren Fälle,
in denen Störungen
mit einer Frequenz von ungefähr
einigen Hertz abhängig vom
Ort, an dem das System angebracht ist, verbleiben. Bei einer fünften Ausführungsform
der Erfindung wurde eine Korrektur unter Verwendung eines Gradiometers
erster Ordnung mit einer Struktur verschieden von der bei der dritten
Ausführungsform
untersucht.
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Die 10A ist eine Ansicht, die
die Struktur eines Magnetfeld-Messsystems gemäß der fünften Ausführungsform zeigt. Die 10B ist eine Ansicht, die
die Anordnung von Magnetometern bei der fünften Ausführungsform zeigt.
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Wie
es in der 10A dargestellt
ist, ist bei der fünften
Ausführungsform
eine vertikal montierte zylindrische magnetische Abschirmung 101 verwendet,
die so angebracht ist, dass ihre Mittelachse senkrecht auf der Bodenfläche steht.
Eine Person 13 erfährt
eine magnetokardiografische Messung in einer Stellung, in der sie
leicht auf einem Stuhl 104 sitzt, anstatt dass sie mit
dem Rücken
auf einem Bett liegt. Der Stuhl 104 und ein Dewargefäß 103,
mit Fixierung an einem Galgen 102, verfügen über einen Vertikalverstellmechanismus,
damit die Messmagnetometer mit einer optimalen Position im Brustabschnitt
der Person ausgerichtet werden.
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Der
Stuhl 104, der Galgen 102 sowie ähnliche
Komponenten bestehen aus einem unmagnetischen Material. Das Dewargefäß 103 besteht
aus ERP und verfügt über eine
L-Konfiguration, wobei aus seinem oberen Teil eine Signalleitung 67 herausgezogen
ist. Die Signalleitung ist mit der FLL-Schaltung 6 verbunden,
die an der Innenwand der magnetischen Abschirmung montiert ist.
Ein von der FLL-Schaltung 6 ausgegebenes Signal wird über die Signalleitung,
die entlang der Innenwand der magnetischen Abschirmung geführt ist,
an eine verstärkende
Filtereinheit 7 geliefert, die außerhalb der magnetischen Abschirmung
platziert ist. Der Winkel des ersten Magnetometers kann dadurch
fein eingestellt werden, dass ein Winkeleinstellhebel 105 verdreht wird,
der im oberen Teil des Dewargefäßes 103 befestigt
ist.
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Die 10B ist eine Ansicht, die
die Anordnung von innerhalb des Dewargefäßes 103 platzierten
Magnetometern zeigt. Die in der 10B dargestellte
Struktur wurde dadurch erhalten, dass ein drittes Bezugsmagnetometer 85,
ein viertes Bezugsmagnetometer 86 und ein Winkeleinstellmechanismus 107 zum
Feineinstellen der Ausrichtung des ersten Bezugsmagnetometers 4 so
unter Bezugnahme auf die 3A beschriebenen
Struktur gemäß der ersten
Ausführungsform
hinzugefügt
wurden. Das dritte Bezugsmagnetometer 85 ist auf der Platte 65 parallel zur
Platte 61 angebracht. Das vierte Bezugsmagnetometer 86 ist
mit einem Abstand von 30 mm entfernt vom dritten Bezugsmagnetometer 85 in
der x-Richtung positioniert.
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Der
Winkeleinstellmechanismus 107 ist über einen Draht 106 aus
unmagnetischem Material mit dem Winkeleinstellhebel 105 verbunden.
Durch Verdrehen des Winkeleinstellhebels 105 wird die Platte 63 relativ
zur Platte 61 verdreht, so dass die Richtung der Ebene
der Aufnahmespule des ersten Bezugsmagnetometers 4 fein
eingestellt wird.
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Durch
Einstellen des Winkels des ersten Bezugsmagnetometers 4 zum
Maximieren des durch es gemessenen externen Felds, d.h. zum Maximieren des
ersten Bezugssignals, wird der erste Korrekturfaktor, mit dem das
erste Bezugssignal zu Multiplizieren ist, auf einen kleineren Wert
verringert. Im Ergebnis wird der Einfluss des charakteristischen
Rauschens des ersten Bezugsmagnetometers auf die durch die Gleichung
31 repräsentierten
korrigierten Daten weiter verkleinert. Die in der 108 dargestellte Einheit von Magnetometern
ist so angebracht, dass die Platte 63, die die erste Ebene
bildet, auf der die mehreren Messmagnetometer 3 montiert
sind, parallel zur Mittelachse der zylindrischen magnetischen Abschirmung,
wie in der 10A dargestellt, verläuft.
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Bei
der fünften
Ausführungsform
bilden das dritte und das vierte Bezugsmagnetometer ein planares
Gradiometer erster Ordnung, so dass unter Verwendung eines Signals
von diesem eine weitere Störsignalkorrektur
in Bezug auf Differenzdaten nach der Korrektur unter Verwendung
des ersten Bezugssignals, wie bei der ersten Ausführungsform
beschrieben, ausgeführt
wird. Kurz gesagt, verwendet die Struktur gemäß der fünften Ausführungsform das planare Gradiometer
erster Ordnung anstelle des bei der dritten Ausführungsform verwendeten axialen Gradiometers
erster Ordnung.
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Wie
es in den Gleichungen 38 und 39 angegeben ist, können Messsignale Fx(m,n) und
Fy(m,n) mit viel weniger Beeinflussung durch das externe Feld dadurch
erhalten werden, dass ein Wert, der dadurch erhalten wird, dass
die Differenz zwischen dem dritten und dem vierten Bezugssignal
mit vorgegebenen dritten Korrekturfaktoren multipliziert wird, von den
Differenzdaten abgezogen wird, die unter Verwendung des ersten Bezugssignals
korrigiert wurden. In den Zahlenausdrücken 38 und 39 sind γx(m,n) und γy(m,n) die
dritten Korrekturfaktoren, und B(ref,3) und B(ref,4) sind Signale
vom dritten bzw. vierten Bezugsmagnetometer. Als dritte Korrekturfaktoren
werden Werte, die aufgrund einer Näherung mittels kleinster Fehlerquadrate
Schwankungen in den Messsignalen mini mieren, selektiv verwendet, ähnlich wie
der erste und der zweite Korrekturfaktor. Fx(m,n) = Cx(m,n) – γx(m,n)·(B(ref,3) – B(ref,4)) Gl. 38 Fy(m,n) = Cy(m,n) – γx(m,n)·(B(ref,3) – B(ref,4)) Gl. 39
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Die 11A ist eine Ansicht, die
die Struktur einer Messschaltung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Diese Messschaltung verfügt über eine
Struktur, die dadurch erhalten wird, dass zur in der 4A dargestellten Schaltungsstruktur
gemäß der ersten
Ausführungsform
das dritte und das vierte Bezugsmagnetometer 85 und 86 sowie
die entsprechende FLL-Schaltung 6 und die Analogsignal-Verarbeitungsschaltung 7 hinzugefügt werden.
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Die 12 ist eine Ansicht, die
Beispiele von Magnetokardiogrammen zeigt, wie sie aus Messungen
unter Verwendung des Magnetfeld-Messsystems gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung erhalten
wurden. Die Magnetfeld-Signaldaten im obersten Teil der 12 kennzeichnen Daten X(1,1)
zur Differenz zwischen benachbarten Messmagnetometern. In diesen
Differenzdaten X(1,1) schwankt der Signalverlauf aufgrund des externen Felds
stark. Die Magnetfeld-Signaldaten im mittleren Teil der 12 kennzeichnen das Magnetfeldsignal Cx(1,1)
nach einer Korrektur unter Verwendung des ersten Bezugssignals.
Obwohl die große
Schwankungskomponente aus dem Magnetfeldsignal Cx(1,1) entfernt
ist, sind Störungen
mit einer Periodizität
von ungefähr
8 Hz an jeder der Positionen verblieben, die in der 12 durch Pfeile gekennzeichnet sind.
Die Magnetfeld-Signaldaten im untersten Teil der 12 kennzeichnen ein Magnetfeldsignal Fx(1,1),
das dadurch erhalten wurde, dass ein Wert, der durch Multiplizieren
der Differenz zwischen dem dritten und vierten Bezugssignal mit
den vorgegebenen dritten Faktoren erhalten wurde, vom Magnetfeldsignal
Cx(1,1) (Signalverlauf, der sich aus der Korrektur unter Verwendung
des ersten Bezugssignals ergibt) im mittleren Teil der 12 subtrahiert wurde. Es
ist erkennbar, dass der Hauptteil der Störungen mit einer Periodizität von ungefähr 8 Hz
entfernt ist.
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AUSFÜHRUNGSFORM 6
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Eine
sechste Ausführungsform
zeigt ein Beispiel, bei dem das bei der zweiten und vierten Ausführungsform
beschriebene Kompressionssignal beim Magnetfeld-Messsystem gemäß der fünften Ausführungsform
angewandt wird. Im Gegensatz zur zweiten und vierten Ausführungsform,
bei denen das Magnetometer zum Messen eines Kompressionssignals
angebracht wurde, sind nun das dritte und vierte Bezugsmagnetometer 85 und 86 als
Magnetometer zum Messen eines Magnetfelds in derselben Richtung
wie der betreffend die Messmagnetometer auf dieselbe Weise wie bei
der in der 10A dargestellten
Struktur gemäß der fünften Ausführungsform platziert.
Bei der sechsten Ausführungsform
wird das Messsignal vom dritten Bezugsmagnetometer 85 als Kompressionssignal
verwendet. Demgemäß ist die Anordnung
der innerhalb des Dewargefäßes 2 angeordneten
Magnetometer dieselbe wie diejenige bei der durch die 10A veranschaulichten fünften Ausführungsform.
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Die 11B ist eine Ansicht, die
die Struktur einer Messschaltung gemäß der sechsten Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Durch Abzweigen des von der FLL-Schaltung 6 ausgegebenen
Messsignals vom dritten Bezugsmagnetometer 85 und durch Liefern
des abgezweigten Messsignals an die Differenzverstärkerschaltung 79 kann
das Messsignal vom dritten Bezugsmagnetometer 85 als Kompressionssignal
verwendet werden. Im Ergebnis wird durch den AD-Wandler in der Folgestufe
ein Signal verarbeitet, das dadurch erhalten wird, dass das vom
dritten Bezugsmagnetometer 85 gelieferte Messsignal vom
Aus gangssignal jedes der Messmagnetometer abgezogen wird.
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Die
Struktur gemäß der sechsten
Ausführungsform
ermöglicht
auch die Messung eines Magnetokardiogramms, ohne dass das Signal
am Eingang des AD-Wandlers den Dynamikbereich überschreiten könnte.
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AUSFÜHRUNGSFORM 7
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Bei
einer siebten Ausführungsform
wurde eine magnetokardiografische Messung unter Verwendung eines
Magnetfeld-Messsystems ausgeführt,
bei dem 36 Messmagnetometer als 6×6-Array angeordnet waren.
Die Gesamtstruktur des Magnetfeld-Messsystems gemäß der siebten
Ausführungsform
ist dieselbe wie sie in der 1 dargestellt
ist, jedoch mit der Ausnahme, dass ein großes Dewargefäß verwendet
ist und vier Paare von Blöcken
als 2×2-Array
angeordnet sind, die jeweils aus dem 3×3-Array von Messmagnetometern, dem ersten
Bezugsmagnetometer und dem bei der in der 3B dargestellten zweiten Ausführungsform
verwendeten Kompressionssignal-Magnetometer bestehen.
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Die 13 ist eine Ansicht, die
ein Beispiel der Anordnung der Messmagnetometer bei der siebten
Ausführungsform
der Erfindung zeigt, wobei die Anordnung der innerhalb des Dewargefäßes 2 platzierten
Magnetometer dargestellt ist. Wenn Daten zur Differenz zwischen
Messsignalen von den Magnetometern im selben Block korrigiert werden,
wird das erste Bezugssignal verwendet, das durch das im selben Block
angeordnete erste Magnetometer gemessen wird. Wenn die Magnetometer,
zwischen denen eine Differenz zu berechnen ist, in zwei verschiedenen
Blöcken
angeordnet sind, wird als Bezugssignal der Mittelwert der ersten
Bezugssignale in den zwei verschiedenen Blöcken verwendet. Als Kompressionssignal-Magnetometer
wird eines der vier Kompressionssignal-Magnetometer 69 verwendet.
Dies, da es zum vollständigen
Aufheben von Kompressionssignalen beim Berechnen der Differenz erforderlich
ist, genau dieselben Kompressionssignale zu verwenden. Obwohl bei
der siebten Ausführungsform eines
der Kompressionssignal-Magnetometer verwendet wird, die in den jeweiligen
Zentren der Blöcke angeordnet
sind, können
auch Kompressionssignal-Magnetometer verwendet werden, die im zentralen
Teil der Gesamtstruktur angeordnet sind. Die Messschaltung verfügt über eine
Struktur, die dadurch erhalten wird, dass die Schaltung der 4C vervierfacht wird. Jedoch
befinden sich die Kompressionssignal-Magnetometer in einem System,
wie oben beschrieben.
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Mit
der Struktur gemäß der siebten
Ausführungsform
kann ein Magnetokardiogramm mit weniger Beeinflussung durch ein
externes Feld unter Verwendung des 6×6-Arrays von Messmagnetometern auf
dieselbe Weise erhalten werden, wie es für das Ergebnis bei der zweiten
Ausführungsform
dargestellt wurde.
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AUSFÜHRUNGSFORM 8
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Bei
einer achten Ausführungsform
wurde ein Magnetfeld-Messsystem mit einem 6×6-Array verwendet, wie es
bei der siebten Ausführungsform
verwendet wurde. Da die Intensität
eines magnetokardiografischen Signals von der Position, der Größe oder dergleichen
eines Herzens abhängt,
zeigen sich zwischen einzelnen Personen große Unterschiede. Demgemäß existieren
Fälle,
in denen eine Messung nicht mit ausreichendem S/R-Verhältnis ausgeführt werden
kann, wenn der Spitzenwert (P-Welle) schwach
ist, wie er durch die Arterienaktivität erzeugt wird. Obwohl bei
jeder der Ausführungsformen
1 bis 7 die Differenz zwischen zwei benachbarten Messmagnetometern
berechnet wurde, kann, wenn das S/R-Verhältnis schlecht ist und die
P-Welle nicht korrekt gemessen werden kann, eine ausgeprägte P-Welle
mit verbessertem S/R-Verhältnis
dadurch gemessen werden, dass die Differenz zwischen einem Messmagnetometer
und einem anderen Messmagnetometer, das nicht benachbart zu diesem
angeordnet ist, sondern etwas weiter von ihm entfernt ist, berechnet
wird.
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Die 14 ist eine Ansicht, die
Beispiele von Magnetokardiogrammen zeigt im oberen Teil, wie sie durch
das Magnetfeld-Messsystem gemäß der achten
Ausführungsform
der Erfindung gemessen werden. Die 14 zeigt
das Beispiel eines Kardiogramms, das zwischen benachbarten Magnetometern
gemessen wurde (den SQUIDs (1,1) und (2,1), die 30 mm voneinander
beabstandet sind), und der untere Teil der 14 zeigt das Beispiel eines Magnetokardiogramms,
das zwischen Magnetometern gemessen wurde, die weiter voneinander
beabstandet sind (den SQUIDs (1,1) und (3,1), die 60 mm voneinander
beabstandet sind).
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Sowohl
der obere als auch der untere Teil der 14 zeigt Daten nach dem Beseitigen des
Einflusses des externen Felds, so dass die große Schwankungskomponente entfernt
ist, die sich aus dem externen Feld ergibt. In der Zeichnung wird
der Spitzenwert der P-Welle in jedem der Abschnitte beobachtet, die
im Magnetokardiogramm (im unteren Teil) durch die Pfeile gekennzeichnet
sind, wobei diese Welle unter Verwendung der weiter voneinander
beabstandeten Magnetometer gemessen wurde (den SQUIDs (1,1) und
(3,1), die 60 mm voneinander beabstandet sind). So ist das Verfahren
zum Beseitigen des externen Felds gemäß der Erfindung auch bei einer
anderen Kombination von Magnetometern als solchem, die zueinander
benachbart sind, anwendbar.
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Obwohl
bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 8 ein Dünnfilm-Magnetometer
mit direkter Kopplung aus einem Supraleiter mit hoher Übergangstemperatur
verwendet ist, kann statt dessen auch ein Magnetometer verwendet
wer den, das aus einem Supraleiter mit niedriger Übergangstemperatur besteht.
Z.B. kann ein Magnetometer aus einem Niob-Supraleiter verwendet werden, bei dem
eine Aufnahmespule aus einem Nb-Ti-Draht mit einer Eingangsspule
verbunden ist, die durch einen Dünnfilm-Mehrschichtprozess
unter Einfügung eines
Isolierfilms auf einem SQUID hergestellt wurde, wie es in der 15A dargestellt ist.
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In
der magnetometrischen Aufnahmespule 121 fließt ein Abschirmungsstrom
proportional zu einem Magnetfeld. Der Feldstrom wird durch eine
Eingangsspule 122 in einen magnetischen Fluss gewandelt,
der an ein SQUID 124 übertragen
wird. Das SQUID 124 ist ein supraleitendes Element zum
Messen des magnetischen Flusses, und es wandelt diesen in ein Spannungssignal.
Durch eine Rückkopplungsspule 123 wird
ein Rückkopplungs-Magnetfluss zum
Ansteuern des SQUID 124 geliefert. Eine FLL-Schaltung 125 ist
eine elektronische Schaltung zum Steuern des SQUID 124 mit
einem nichtlinearen Ausgangsspannungssignal zum Ausgeben eines Spannungssignals
proportional zum durch das SQUID gemessenen Magnetfeld. Das Ausgangssignal
der FLL-Schaltung 125 wird über eine Signalleitung 126 an
eine Signalverarbeitungsschaltung in einer Folgestufe übertragen.
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Es
ist auch möglich,
als Messmagnetometer ein Axialgradiometer zu verwenden, das mit
einer Differenzaufnahmespule versehen ist, wie es in der 15B dargestellt ist. Es
wird eine gradiometrische Aufnahmespule 127 erster Ordnung
verwendet, in der ein Abschirmungsstrom proportional zur Differenz
zwischen magnetischen Flüssen
fließt,
die zwei Schleifen verbinden, die gleiche Flächen belegen. In der Aufnahmespule 127 fließt ein Abschirmungsstrom
proportional zum Gradienten eines Magnetfelds.
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Die
in der 15 dargestellten
Magnetometer sind nur bei spielhaft, und statt dessen können Magnetometer
verschiedener Strukturen verwendet werden. Als Magnetometer zum
Messen eines Kompressionssignals wird jedoch geeigneterweise ein Magnetometer
mit derselben Struktur wie der eines Messmagnetometers verwendet.
Als Erstes Bezugsmagnetometer zum Messen der Komponente eines Magnetfelds
in der Richtung der Mittelachse der zylindrischen magnetischen Abschirmung
wird besser ein Magnetometer als ein Gradiometer verwendet.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Magnetfeld-Messsystem
kann ein extrem schwaches Magnetfeld unter Verwendung einer einfachen
zylindrischen magnetischen Abschirmung mit einer kleinen Anzahl
von Bezugsmagnetometern gemessen werden, wodurch eine effiziente
Aufhebung eines externen Felds ausgeführt wird. Da die Anzahl der
Bezugsmagnetometer klein ist, kann das System mit kleinem Schaltungsumfang
und billig hergestellt werden.