DE4335486A1

DE4335486A1 - SQUID-Meßeinrichtung mit einer aktiven Abschirmkammer zur magnetischen Störfeldkompensation

Info

Publication number: DE4335486A1
Application number: DE4335486A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Siebold; Ralph Dr Oppelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-10-30
Filing date: 1993-10-18
Publication date: 1994-05-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine SQUID-Meßeinrichtung zur Erfassung und Darstellung schwacher Magnetfelder min destens einer insbesondere biomagnetischen Feldquelle, wo bei die Einrichtung

- ein Feldmeßsystem mit mindestens einem SQUID-Sensor ent hält, der mindestens eine supraleitende Detektions schleife zum Empfang der Feldsignale der Feldquelle aufweist,
- eine zumindest die supraleitenden Teile des Feldmeß- Systems und die Feldquelle umgebende aktive Abschirm kammer enthält, deren Flächen mit einzeln ansteuerbaren normalleitenden Kompensationsspulen belegt sind, sowie
- eine Ansteuerelektronik enthält zur Erregungsansteue rung der Kompensationsspulen derart, daß ein magneti sches Gegenfeld zu einem magnetischen Störfeld hervor gerufen wird.

Eine derartige Meßeinrichtung ist der JP-A-3/280595 zu entnehmen.

Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als "SQUIDs" (Abkürzung von Superconducting Quantum Inter ference Devices) bezeichnet werden, sind insbesondere äußerst schwache magnetische Felder oder Feldgradienten zu messen (vgl. z. B. "IEEE Trans. El. Dev.", Vol. ED-27, No. 10, Okt. 1980, Seiten 1896 bis 1908). Als bevorzugtes An wendungsgebiet für SQUIDs wird deshalb die medizinische Diagnostik angesehen, da die dort auftretenden biomagne tischen Signale, z. B. die vom menschlichen Herzen oder vom menschlichen Gehirn erzeugten Magnetfelder, nur Feldstär ken im pT-Bereich hervorrufen (Magnetokardiographie bzw. Magnetoenzephalographie).

Eine entsprechende Einrichtung zur Erfassung und Aufberei tung derartiger schwacher orts- und zeitabhängiger Magnet felder enthält mindestens einen Meß- oder Detektionskanal, der wenigstens eine als Gradiometer oder Magnetometer ge staltete Antenne, gegebenenfalls eine Koppelspule, einen SQUID-Kreis mit in ihn integriertem SQUID, im allgemeinen eine Modulationsspule, Verstärker sowie eine Auswerteelek tronik aufweist. Bis auf die Verstärker und Auswerteelek tronik sind die genannten Teile dabei in einem Kryosystem untergebracht, um in ihnen supraleitende Betriebsbedin gungen zu ermöglichen. Die Antenne weist mindestens eine Detektionsschleife mit einer oder mehreren Windungen zum Erfassung des Magnetfeldes der zu detektierenden Feldquel le auf. Das entsprechende Meßsignal gelangt dann in den SQUID-Kreis. Die Detektionsschleife kann auch in den SQUID-Kreis integriert sein (vgl. z. B. "IEEE Trans. Magn.", Vol. MAG-19, No. 3, Mai 1983, Seiten 648 bis 651). Zur Messung des in diesen Kreis eingekoppelten Flusses oder von Flußgradienten werden sowohl RF-SQUIDs (Hochfre quenz- bzw. Radio-Frequency-SQUIDs) als auch DC-SQUIDs (Gleichstrom- bzw. Direct-Current-SQUIDs) eingesetzt. Eine Meßvorrichtung mit einer Vielzahl von entsprechend aus gestalteten Meßkanälen geht aus der Veröffentlichung "Cryogenic", Vol. 29, Aug. 1989, Seiten 809 bis 813 hervor.

Derartige Meßeinrichtungen erfordern wegen der extrem ge ringen Feldstärken der zu messenden biomagnetischen Fel der Maßnahmen zu einer Störunterdrückung von Störfeldern von beispielsweise etwa 5 bis 6 Größenordnungen im Ver gleich zu den zu detektierenden Feldsignalen. Hierbei hat man insbesondere die Wahl der Aufteilung dieser Störfeld unterdrückungsmaßnahmen

- auf passive Abschirmmaßnahmen in Gestalt einer geschlos senen Abschirmkammer aus Metall (vgl. z. B. "Biomagnetism- Proceedings Third International Workshop on Biomagnetism: Berlin, Mai 1980", 1981, Seiten 51 bis 78)
- auf aktive Kompensationsmaßnahmen z. B. in Gestalt von Gradiometern an den Detektionsschleifen und/oder
- auf eine Ausbildung von zusätzlichen Referenzkanälen (vgl. z. B. den Beitrag AM-25 des Autors St.E.Robinson bei der "7th Int. Conf. on Biomagnetism", New York, 14.-18. Aug. 1989, mit dem Titel: "Noise Cancellation for Biomagnetic Measurements", Seiten 75 und 76), deren Signal von dem der biomagnetischen Feldquelle abgezogen wird.

Neben einer teuren Abschirmkammer zur passiven Abschirmung externer Störfelder ist aus der eingangs genannten JP-A auch eine Abschirmkammer zu einer aktiven Abschirmung be kannt. Diese Kammer ist aus einem quaderförmigen Gestell aus nicht-magnetischem, elektrisch nicht-leitendem Mate rial aufgebaut, dessen Wände jeweils mit mehreren normal leitenden Kompensationsspulen belegt sind. Diese Kompen sationsspulen können mittels einer entsprechenden An steuerelektronik getrennt erregt werden. Die Ansteuerung erfolgt dabei in der Weise, daß mittels der Kompensations spulen ein statisches Magnetfeld hervorgerufen wird, wel ches gerade entgegengesetzt zu einem einmal detektierten statischen Störfeld wie insbesondere dem Erdfeld gerichtet ist. Sich dynamisch ändernde Störfelder, die beispielswei se durch bewegte metallische Objekte wie z. B. Autos oder Aufzüge oder durch elektrische Stromleitungen hervorgeru fen werden, können jedoch mit diesen Abschirmmaßnahmen nicht kompensiert werden. Mit der bekannten aktiven Ab schirmkammer ist somit nur eine entsprechend unvollstän dige Störfeldunterdrückung möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aktive Abschirmkammer der bekannten Meßeinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß auch sich dynamisch ändernde Störfelder erfaßt werden können und zumindest weitgehend zu kompensieren sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

- daß innerhalb der Abschirmkammer zusätzlich ein Referenz meßsystem mit mehreren zusätzlichen Meßkanälen vorgese hen ist, die jeweils einen SQUID-Sensor mit mindestens einer supraleitenden Empfangsschleife zur Detektion des am Ort der Empfangsschleife herrschenden Magnetfeldes aufweisen,
- daß alle Empfangsschleifen dieses Referenzmeßsystems eine dreidimensionale Struktur bilden und weiter von der Feldquelle entfernt angeordnet sind als jede der Detek tionsschleifen des Feldmeßsystems,
- daß mit den zusätzlichen Meßkanälen des Referenzmeß systems den Ortskoordinaten der jeweiligen Empfangs schleife zugeordnete Meßdaten erzeugt werden, und
- daß eine Transformationselektronik vorgesehen ist, mit der die Meßdaten der zusätzlichen Meßkanäle des Re ferenzmeßsystems in fiktive Meßdaten überführt werden, die einem am Ort der Kompensationsspulen herrschenden fiktiven magnetischen Störfeld entsprechen, wobei die Ansteuerelektronik als Teil der Transformationselektro nik derart ausgebildet ist, daß die in sie eingespeisten fiktiven Meßdaten zu einem magnetischen Gegenfeld der Kompensationsspulen führen, welches das fiktive Störfeld kompensiert.

Die mit dieser Ausgestaltung der Meßeinrichtung verbun denen Vorteile sind insbesondere in einer aktiven, gere gelten Schirmung mittels der Abschirmkammer zu sehen, die von einem Gestell aus nicht-magnetischem, elektrisch nicht-leitendem Material und den auf oder an den Gestell wänden befindlichen, aktiv geregelten Kompensationsspulen gebildet wird. Mit dem innerhalb dieser Kammer unterge brachten Referenzmeßsystem wird einerseits das zu detek tierende Nutzfeld der Feldquelle wegen des größeren Ab standes von der Feldquelle kaum erfaßt, andererseits werden aber mit diesem Referenzmeßsystem praktisch alle übrigen, insbesondere sich auch ändernde, störende Magnet felder berücksichtigt. Wegen der besonderen Ausgestaltung der Transformationselektronik und der Ansteuerelektronik ist es dann möglich, mit Hilfe der normalleitenden Kom pensationsspulen geregelt ein magnetisches Gegenfeld zu erzeugen, das am Ort des Referenzmeßsystems das dort ge rade herrschende Störfeld kompensiert. Dabei sorgt der Regelmechanismus dafür, daß laufend eine Anpassung an die momentanen Feldverhältnisse an den Empfangsschleifen des Referenzmeßsystems erfolgt. Wegen der räumlichen Nähe des Referenzmeßsystems zu den Detektionsschleifen des zur Erfassung des Nutzfeldes der zu detektierenden Feldquel le dienenden Feldmeßsystems ist davon auszugehen, daß die Störfeldkompensation auch am Ort der Detektionsschleifen zumindest weitgehend wirksam ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meß einrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 die Signalwege einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung in einem Blockdiagramm veranschaulicht sind. Fig. 2 zeigt schema tisch die Empfangsschleifen eines Referenzmeßsystems einer Meßeinrichtung nach der Erfindung. In Fig. 3 ist die An ordnung der normalleitenden Kompensationsspulen einer sol chen Meßeinrichtung schematisch dargestellt.

Die Meßeinrichtung nach der Erfindung enthält ein an sich bekanntes, im allgemeinen mehrkanalig ausgeführtes Feld meßsystem, das nahe bei mindestens einer zu detektierenden Feldquelle 3 anzuordnen ist. Bei der Feldquelle 3 kann es sich insbesondere um eine biomagnetische Feldquelle wie z. B. das menschliche Gehirn oder Herz handeln. Jeder Kanal des Feldmeßsystems 2 weist einen SQUID-Sensor mit wenig stens einer, im allgemeinen aus mehreren Windungen aufge bauten Detektionsschleife auf, die zum Empfang der von der Feldquelle 3 ausgesandten magnetischen Feld- oder Nutz signale 4 dient und sich in einer geringen Entfernung el von beispielsweise wenigen cm von der Feldquelle befindet.

Die supraleitenden Teile des Feldmeßsystems 2 sind auf einer hinreichend tiefen Betriebstemperatur, beispiels weise der Siedetemperatur des flüssigen Heliums (LHe) ge halten. Gegebenenfalls können die supraleitenden Teile auch aus bekannten metalloxidischen Hoch-T_c-Supraleiter materialien hergestellt sein, die sich mit flüssigem Stickstoff (LN₂) kühlen lassen. Das Feldmeßsystem 2 ist zusammen mit einem die Feldquelle 3 aufweisenden, in der Figur nicht dargestellten Körper innerhalb einer Abschirm kammer 5 untergebracht, die in dem Blockdiagramm durch eine verstärkte Linie nur angedeutet ist.

Erfindungsgemäß soll sich innerhalb der Abschirmkammer 5 ein weiteres Meßsystem befinden, das nachfolgend als Re ferenzmeßsystem 7 bezeichnet wird. Dieses Referenzmeß system ist ähnlich wie das Feldmeßsystem 2 aufgebaut und enthält mehrere Meßkanäle, die ebenfalls jeweils einen SQUID-Sensor mit mindestens einer supraleitenden Empfangs schleife ("Pick-up-Spule") zur Detektion des am Ort der Empfangsschleifen herrschenden Magnetfeldes aufweisen. Um mit diesem Referenzmeßsystem 7 weitgehend nur Störfeldan teile zu detektieren, die einerseits auch am Ort des Feld meßsystems 2 herrschen, andererseits aber nur geringe An teile an den biomagnetischen Nutzsignalen 4 aufweisen, sind die Empfangsschleifen Es (vgl. Fig. 2) des Referenz meßsystems 7 in einer vorbestimmten größeren Entfernung e2 von der biomagnetischen Feldquelle 3 angeordnet als die Detektionsschleifen des Feldmeßsystems 2. Die Entfernung e2 der der biomagnetischen Feldquelle 3 am nächsten lie genden Empfangsschleife liegt im allgemeinen über 6 cm und unter 30 cm. Vorteilhaft befindet sich das Zentrum der Anordnung der Empfangsschleifen des Referenzmeßsystems 7 zumindest auf einer gedachten Linie durch die biomagneti sche Feldquelle 3 und das Zentrum der Anordnung der De tektionsschleifen des Feldmeßsystems 2, und zwar hinter diesem Feldmeßsystem. Die supraleitenden Teile des Re ferenzmeßsystems können insbesondere in dem Kryostaten für die supraleitenden Teile des Feldmeßsystems 2 mit untergebracht sein.

Die Empfangsschleifen des Referenzmeßsystems 7 sollen eine dreidimensionale Struktur (Fig. 2) derart aufspannen, daß alle räumlichen Komponenten des am Ort der Empfangsschlei fen herrschenden Magnetfeldes erfaßt werden und eine ver hältnismäßig einfache Signalaufbereitung in einer dem Re ferenzmeßsystem 7 nachgeordneten Elektronik für eine Kom pensation möglich ist, um das an dem Referenzmeßsystem detektierte Magnetfeld geregelt kompensieren zu können. Das kompensierende Gegenfeld wird dabei mit Hilfe eines Systems 8 von einzeln ansteuerbaren, normalleitenden Kom pensationsspulen Ks erzeugt, die an den Wänden der Ab schirmkammer 5 angebracht sind.

Der Regelmechanismus und die dazugehörende Signalaufbe reitung zur Ansteuerung dieses Systems von Kompensations spulen Ks ist nachfolgend skizziert.

Die Regelung kann mit K_max = 3 + 5 = 8 Regelungskanälen für eine Schirmung bis einschließlich der zweiten Ordnung des magnetischen Potentials erfolgen. Vorteilhaft ist eine Ausführungsform mit K_max = 3 + 5 + 7 = 15 Regelungskanälen für eine Schirmung bis einschließlich der dritten Ordnung des magnetischen Potentials. Selbstverständlich sind auch noch höhere Ordnungen der Schirmung möglich. So wäre bei einer Ausführung mit K_max = 3 + 5 + 7 + 9 = 24 Regelungs kanälen eine Schirmung bis einschließlich der vierten Ord nung des magnetischen Potentials möglich.

Nachfolgend sei eine Signalaufbereitung skizziert, die insbesondere für eine Schirmung bis einschließlich der dritten Ordnung vorgesehen werden kann:

1) Schreibweise

Zweckmäßig wird das am Ort des Referenzmeßsystems 7 herrschende Magnetfeld K_K als eine Reihenentwicklung in seinem skalaren Potential V (r) beschrieben (Anmerkung:
Vektorgrößen werden nachfolgend durch Fettdruck gekenn zeichnet).

Das Potential V (r) läßt sich allgemein in Kugelfunk tionen darstellen mit Entwicklungskoeffizienten A für cos mΦ- und B für sin mΦ-Terme:

V(r)=Σ_n Σ_m rⁿ (A_nm Y_Anm + B_nm Y_Bnm) (1.1a)

n=l, . . ., ∞ m=O, . . ., n, B_n,O=O

r=(r, R, Φ) sind die Kugelkoordinaten. Es werden nur Felder im Inneren von Feldquellen betrachtet:

Y_Anm, Y_Bnm sind die reellen, skalaren Kugelfunktionen:

Y_Anm (R, Φ)=Y_Anm=cos mΦ P_nm(R),
Y_Bnm (R, Φ)=sin mΦ P_nm(R) (1.1c)

Die Normierung der Pnm(O) wird so gewählt, daß über die Einheitskugel gilt:

∬dΩ Y_α _nmY_α′ _n′m′ = δ_αα′w_nn′δ_mm′ (α = A, B) 1.1d)

Dabei wurde vereinbart, daß

für m = O:

P_nmR = Pn^m (cos R) [4π/(2n+1) * (n+m)!/(n-m)!]^-1/2

für m 1:

P_nmR = Pn^m (cos R) [2π/(2n+1) * (n+m)!((n-m)!]^-1/2 (1.1e)

Pn^m(cos R) sind die bekannten assoziierten Legendre-Funktion.

In MKS-Maßeinheiten gilt für die Dimension von A_nm

[A_nm] = Amp/mⁿ (1.2a)

Es gibt also 3 Potentialmoden 1. Ordnung, die den 3 homogenen Feldrichtungen entsprechen; und 5 Potential moden 2. Ordnung, die 5 möglichen linearen Feldgradien ten entsprechen.

Die im Folgenden betrachteten physikalischen Größen sind nur noch die Entwicklungskoeffizienten A_nm, B_nm bzw. A_k dieser Reihen. Der Übersichtlichkeit wegen sei die Indexmenge mit nur einem Index versehen, z. B. mit k, anstatt explizit in Ordnung n und Grad m. Die A_k werden auch als Spaltenvektoren A in Fettdruck geschrieben.

A_k <=< Kabinenfeldmode k durch aktive Kompensationsspulen
A <=< Kabinenfeld durch aktive Kompensationsspulen.

Dabei sei das Zeichen <=< für den Begriff "bedeutet" verwendet.

Matrizen [M] werden in Klammern [ ] gesetzt und sind durch eine Unterstreichung gekennzeichnet, ebenso ihre Elemente.

2) Äußeres Störmagnetfeld

Von außen wirken störende Magnetfelder:

E_e <=< E <=< Externes Störfeld.

Falls zusätzlich zu den aktiven Abschirmmaßnahmen in Form der Abschirmkammer 5 mit geregelt erregten Kom pensationsspulen Ks noch eine passive Abschirmhülle 9 vorgesehen wird, entsteht ein frequenzabhängig ge dämpftes Feld im Inneren dieser Hülle:

P_k <=< P <=< Durch den passiven Schirm gedämpftes Störfeld.

3) Kompensationsspulen (Stellspulen)

Im Inneren der Abschirmkammer 5 wird das Feld der kom pensierenden Stellspulen Ks überlagert, die mit dem Index c durchnumeriert werden. Jede Spule kann prin zipiell so ausgelegt werden, daß sie nur einen Feldtyp k produziert ("Orthogonales Spulensystem"). In der technischen Realisierung ist dies gegebenenfalls ver hältnismäßig aufwendig. Man wird deshalb zweckmäßiger weise einen leichter herstellbaren Satz von Spulen vor sehen, deren magnetische Wirkung für einen vorgegebenen Strom I_c berechenbar ist mit Berücksichtigung der Rück wirkung einer eventuellen passiven Abschirmhülle 9 ("Nicht-orthogonales Spulensystem"). Es wird deshalb eine Wirkungsmatrix C _k,c der Spulen Ks definiert:

C _k,c <=< Erzeugter Feldmode k der Spule c pro Ampere
[C] <=< Feldwirkung der Spulen pro Ampere
I_c <=< Strom in Spule c
I <=< Stromaufteilung.

Erst alle Spulen Ks im Verbund liefern dann ihren kompensierenden Beitrag:

A_k = Σ_c C _k,c I_c Aktiver Feldmode k aller Stellspulen,
A = [C] I Feld aller Stellspulen.

Die von der Regelung gewünschte Feldkompensation für jeden Feldtyp k muß vorher umgerechnet werden in die dazugehörigen Spulenströme I_c. Hierzu ist eine lineare Transformation in hardware zu realisieren in Form einer Strom-Matrix S _c,k. Sie ist wenigstens näherungsweise die Inverse der Spulen-Wirkungsmatrix [C]:

S _c,k <=< Notwendiger Strom in der Spule c für Feldmode k
[S] <=< Notwendige Ströme für jeden Feldtyp
[S] ≈ [C]^-1 Berechnungsvorschrift.

Die elektronischen Mittel (Blöcke) zur Realisierung der Strommatrix S _c,k können dabei als eine Ansteuer elektronik zur Ansteuerung der Kompensationsspulen Ks angesehen werden, die für jeden der c Ausgänge eine separate Wichtung aus den k Eingängen produziert. Die Blöcke lassen sich in auf dem Gebiet der signal verarbeitenden Elektronik bekannter Weise realisie ren.

4) Referenzmeßsystem 4.1 Empfangsschleifen (Pick-up-Spulen)

Die Signale F_j, die in den einzelnen Empfangsschleifen Es des Referenzmeßsystems 7 detektiert werden, lassen sich durch die Empfindlichkeitsmatrix F _j,i beschrei ben, wobei der herrschende Magnetfeldmode i sich auf das Koordinatensystem des Referenzmeßsystems bezieht:

F _j,i <=< Signal in Sensor j, erzeugt vom Feldtyp i
[F] <=< Empfangs-Signale pro Feldmode, bezogen auf Referenzmeßsystem.

Die Matrixelemente F _j,i lassen sich bei bekannter Geo metrie bzw. Anordnung der Empfangsschleifen numerisch berechnen, z. B. aus der Flußmenge, die die betreffende Pick-up-Spule Nr. j durchsetzt bei Anwesenheit des reinen Feldtyps i.

4.2 Feldmoden aus Einzelsignalen der Empfangsschleifen

Ideal ist ein Satz von speziellen Empfangsschleifen, von denen jede nur auf einen Feldmode i empfindlich ist ("Orthogonales Spulensystem"). Dies wäre technisch sehr aufwendig. Statt dessen werden viele einfache Schleifen ("Nicht-orthogonales Spulensystem") vorgesehen, deren Signale elektronisch mit einer Wichtungsmatrix W _f,j dergestalt gewichtet werden, daß an jeweils nur einem Ausgang f ein Signal entsteht bei Anwesenheit eines reinen Feldmodes i:

W _f,j <=< Notwendiger Signalanteil für Feldmode f von Schleife j
[W] <=< Feldmode-Beitrag pro Schleifensignal.

Sie ist durch wenigstens annähernde Inversion der Matrix |F| zu gewinnen; diese Matrixelemente sind in einem Ausführungsbeispiel zu Fig. 2 angegeben:

[W] ≈ [F]^-1 Berechnungsvorschrift.

5) Verstärkung

V_f <=< Regelverstärkung für Feldmode f
[V] = [V_fδ_f,f′] Diagonalmatrix der Verstärkung.

6) Transformation

Die Werte der Entwicklungskoeffizienten A_k hängen noch vom zugrundegelegten Koordinatensystem ab. Der Übergang von einem Koordinatensystem f (mit "f" wie "Feedback" oder Referenz-System) zu einem anderen k (mit "k" wie Kammer) läßt sich jeweils durch eine Transformations matrix [_k T _f] berechnen. Da die Magnetfelder in Kugel funktionen entwickelt wurden, sind die Matrixelemente aus den Transformationseigenschaften der Kugelfunk tionen, insbesondere der Legendre-Polynome, berechen bar.

Es ist eine hardware innerhalb des Verstärkungs-Zwei ges vorzusehen, die die Signale mit der Bedeutung "Restfeld im Koordinatensystem des Referenzmeßsystems" umrechnet in "Restfeld im Koordinatensystem der Kammer". Diese lineare Transformation läßt sich durch eine quadratische Matrix [_k T _f] beschreiben:

T _k,f <=< Kammer-Feldmode k pro Referenzmeßsystem-Feldmode f
[_k T _f] <=< Feldmoden-Transformation von Referenzmeßsystem nach Kammer-Koordinatensystem.

Die elektronischen Mittel (Blöcke) zur Realisierung der Wichtungsmatrix [W] (vgl. Abschnitt 4.2), gegebenen falls der Regelverstärkung Vf (vgl. Abschnitt 5), der Transformationsmatrix [_k T _f] sowie der Strommatrix [S] können dabei als eine Transformationselektronik der er findungsgemäßen Meßeinrichtung angesehen werden. Da diese Elektronik auch die Strommatrix [S] bzw. deren Elemente S _c,k umfaßt, kann die Ansteuerelektronik (vgl. Abschnitt 3) als ein Teil der Transformationselektro nik angesehen werden. Die hardwaremäßige Realisierung erfolgt dabei in für das Fachgebiet der signalverarbei tenden Elektronik bekannter Weise.

7) Geschlossene Regelschleife

Innerhalb der Kammer 5 herrscht eine Feldverteilung auf

die Feldmoden:

K_k = P_k + A_k Feldmode k in der Kammer
K = P + A Feldverteilung in der Kammer.

Sie wirkt im Koordinatensystem des Referenzmeßsystems:

K′ = [_f T _k] K.

Die einzelnen Regelsignale X_k kann man zusammenfassen zu einem mehrkanaligen, beispielsweise 15kanaligen Signalbus X. Diese Regelgröße X ist das Kugelfunk tionsspektrum der Feldverteilung am Ort der Empfangs schleifen des Referenzmeßsystems:

X = [W] [F] K′.

Sie wird im Normalbetrieb mit dem Sollwert X _o=0 ver glichen und negativ verstärkt; die verstärkte Regelab weichung ("error signal") durchläuft einen Transforma tionsblock und veranlaßt Spulenströme I_c:

I = [S] [_k T _f] [-V] [W] [F] K′.

Das aktive Kompensationsfeld wird dann beschrieben durch:

A = [C] [S] [_k T _f] [-V] [W] [F] [_f T _k] K ≈ [-V] K.

Das Dämpfungsmaß des Feldmodes k wird:

S_k = K_K/P_k = K_k/(K_k-A_k) = 1/(1+V_k).

8) Feldmeßsystem zur Detektion der biomagnetischen feld signale

Von den übrigbleibenden Feldmoden K_k in der Kammer 5 werden Störsignale B_b in den Detektionsschleifen, mit b indiziert, erzeugt. Auch hier ist die Verschiebung des Koordinatensystems zu berücksichtigen:

B _b,i <=< Signal in Detektionsschleife b, erzeugt vom Feldtyp i
[B] <=< Störsignale pro Feldmode, bezogen auf Koordinatensystem der Detektionsschleife.

Der elektronische Wichtungsblock T kann vorteilhaft mit variablen, d. h. durch einen Rechner einstellbaren Wich tungsfaktoren realisiert werden. Mit diesem Block T läßt sich berücksichtigen, daß das Referenzmeßsystem 7 mit seinen Empfangsschleifen Es aus dem Zentrum der Kammer 5 heraus verschoben und gedreht sein kann, wenn je nach me dizinischer Fragestellung das Feldmeßsystem 2 optimal zu einem Patienten hin orientiert werden soll. Die Wich tungsfaktoren werden dann aus der aktuellen Position der Detektionsschleifen des Feldmeßsystems berechnet und dem Block T übertragen.

Falls man auf eine individuelle Verschwenkbarkeit des Referenzmeßsystemes für jeden Patienten verzichten kann, läßt sich das in Fig. 1 angedeutete System von elektro nischen Blöcken dahingehend vereinfachen, daß man die Blöcke W _f,j, T _k,f und S _c,k zu einem einzigen Block [[S] [_k T _f] [V] [W]]_k,j zusammenfaßt, dessen Matrix elemente man vorher durch Multiplikation der einzelnen Matrizen berechnet hat.

Darüber hinaus kann man zusätzlich die Geometrie des Re ferenzmeßsystems ähnlich wählen wie die des Systems der Kompensationsspulen. Dann entartet dieser Block zu einer Diagonalmatrix und kann entfallen. Der Ausgang jeder Empfangsschleife des Referenzmeßsystems wird verstärkt und invertiert und der korrespondierenden Kompensationsspule zugeführt.

In Fig. 2 ist eine mögliche Ausführungsform einer Anord nung der Empfangsschleifen. Es eines Referenzmeßsystems 7 als Schrägansicht schematisch veranschaulicht. Eine der artige Schleifenanordnung läßt sich prinzipiell als ein orthogonales Schleifensystem ausbilden. Dann imitieren die Drähte der Schleifen die Stromlinien K_nm für reine Kugel funktionen P_nm des magnetischen Potentials. Hierbei ist ein separates Schleifensystem für jeden Feldmode erforder lich. Daneben kann man, wie es für das dargestellte Aus führungsbeispiel angenommen wurde, auch ein nicht-ortho gonales System von Empfangsschleifen vorsehen. Hierbei befinden sich die eine oder mehrere Windungen aus einem Supraleitermaterial aufweisenden Empfangsschleifen Es auf einem besonderen Rahmengestell aus nicht-magnetischem und elektrisch nicht-leitendem Material bzw. spannen eine fik tive Struktur 11 mit dreidimensionaler Gestalt vorzugswei se in Würfelform auf. In das Zentrum dieser würfelförmigen Struktur 11 sei der Ursprung eines x-y-z-Koordinaten systems gelegt, wobei sich die einzelnen Koordinatenachsen x, y und z in Normalenrichtung bezüglich der Würfelflächen erstrecken. Jede Würfelfläche Wf ist mit der gleichen An zahl Nf von zumindest annähernd identischen Empfangsschlei fen Es belegt, die beispielsweise Magnetometer bilden und z. B. Rechteck-, Quadrat- oder Kreisspulen sind. Für eine einfache Fertigung ist es vorzuziehen, daß sie sich nicht überlappen. Die Flußsignale dieser 6*N_f Empfangsspulen er lauben K_max<6*N_f Regelungskanäle am Ausgang eines elek tronischen Blocks W _f,j. Bei N_f=4 kreisförmigen Empfangs schleifen Es pro Würfelfläche Wf werden demnach 24 Fluß signale für eine Regelung der 3. Ordnung mit 15 Kanälen erzeugt. Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel hat die würfelförmige Struktur 11 eine Kantenlänge L von 72,2 mm und haben die Empfangsschleifen Es jeweils einen mittleren Durchmesser d von 23,2 mm, wobei der kleinste Abstand a zwischen benachbarten Empfangsschleifen einer Würfelfläche etwa 4,5 mm beträgt. Auf den Würfelflächen Wf sind die einzelnen Empfangsschleifen Es regelmäßig verteilt ange ordnet.

Für eine derartige Anordnung von Empfangsschleifen können drei verschiedene Typen definiert werden:

"X" auf der Ebene x = const. = L/2, y < O, z < O,
"Y" auf der Ebene y = const. = L/2, x < O, z < O, "Z" auf der Ebene z = const. = L/2, x < O, y < O.

Der durch Pfeile an den Schleifen veranschaulichte Win dungssinn aller Empfangsschleifen Es entspricht einem nach außen weisenden Flächenvektor.

Die anderen Einzelschleifen werden durch drei aufeinan derfolgende Spiegelungen an den Hauptebenen erzeugt; die Menge wird also um einen Faktor 2³ vergrößert. Die "X"- Empfangsschleife z. B. wird zu einem X-Set aus acht ein zelnen Empfangsschleifen.

Für die Menge aller Empfangsschleifen Es ergeben sich dann unter Zugrundelegung des gewählten Ausführungsbeispiels die aus der folgenden Tabelle 1 zu entnehmenden Wichtungs faktoren W _f,j:

Tabelle 1

Erläuterungen zur Tabelle der Wichtungsfaktoren W _f,j

Die aktuelle Polarität der elektronischen Weiterverar beitung der Einzelsignale der Empfangsschleifen bzw. der jeweiligen Meßkanäle des Referenzmeßsystems ist je nach gewünschter Symmetrie (Abkürzung: Symm) des Feldmodus′ zu wählen; ist z. B. unter "Symmetrie y" ein "+" einge tragen, so haben alle Empfangsschleifen, die aus der Symmetrie-Operation "Spiegelung an y-Ebene" entstehen, die gleiche Polarität; ein "-" bedeutet entsprechend einen Vorzeichenwechsel. Der Betrag der Wichtungsfak toren innerhalb eines Sets ist gleich für einen reinen Feldmode; das Vorzeichen des Tabellenwertes gilt für die einzelne Empfangsschleife im Hauptoktanten x<0, y<0, z<0. Pro Feldmode genügen also 3 Symmetrieangaben und 3 Werte, anstatt 24 Einzelfaktoren.

Die angegebene Größe der Wichtungsfaktoren ergibt die normierte Empfindlichkeit von 1 Amp * R^n+l/Amp = R^n+l, R=0.025m. Die absolute Größe des detektierten magneti schen Flusses Φ [in Volt x sec] pro Windung in einem äußeren Feld der Stärke A_n,m [in Amp/mⁿ] ist:

Φ/[Vs] = 4π10^-7n (2n+1)/(n+1) (0.025)ⁿ⁺¹ A_n,m[Amp/mⁿ].

Selbstverständlich sind auch andere Gestaltungsformen der Struktur 11 und der Empfangsschleifen Es prinzipiell möglich. Die Wahl dieser Gestaltungsformen geschieht jedoch in erster Linie unter dem Gesichtspunkt einer einfachen Transformation der mit dem Referenzmeßsystem zu gewinnen den Meßsignale. Deshalb sind eine Würfelform für die Struktur 11 sowie eine Kreis- oder Quaderform für die Empfangsschleifen Es als besonders günstig anzusehen. Auch die Anzahl der Einzelspulen pro Würfelfläche ist nicht un bedingt auf vier festzulegen und hängt von der Wahl der Ordnung der Struktur 11 ab. Sieht man mehrere Empfangs schleifen pro Würfelfläche vor, so werden diese Schlei fen vorteilhaft auf der Fläche regelmäßig verteilt ange ordnet.

Für die konkrete Ausführung des Satzes an normalleiten den Kompensationsspulen Ks auf einem tragenden Rahmen aus elektrisch nicht-leitendem Material wie z. B. Holz oder GFK in Größe und Form eines Untersuchungsraumes sind prinzi piell die folgenden beiden Möglichkeiten gegeben:

1. "Orthogonales Spulen-System"
Als Leiter der Spulen werden Drähte, Kabel, Bänder oder kupferkaschierte Kunststoffolien in überlappen den Ebenen verwendet. Mit diesen Leitern werden Muster festgelegt, die die Stromlinien K_nm für reine Kugel funktionen P_nm des magnetischen Potentials imitieren. Ein Spulensystem wird für jeden Feldmode vorgesehen.
Eine erforderliche Tür der Kammer weist elektrische Kontakte und Leiterstücke auf, die das gewünschte Leitungsmuster fortsetzen, so daß bei geschlossener Tür ein weitgehend symmetrisches Spulenmuster ver bleibt.
2. "Nicht-orthogonales Spulensystem"
Auf einem Quader sind pro Fläche die gleiche Anzahl N_f von ähnlichen Kompensationsspulen, z. B. Rechteck- oder Quadrat-Spulen, in ähnlicher Weise befestigt. Die magnetischen Wirkungen dieser 6×N_c Kompensations spulen erlauben K_max < 6×N_c Regelungskanäle am Ein gang des Elektronikblocks S. Sind beispielsweise N_f = 4 Quadratspulen pro Würfelfläche vorgesehen, so ist mit den 24 Einzelspulen eine Regelung der dritten Ordnung mit 15 Kanälen möglich (gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 3).
Eine Tür zur Kammer weist ebenfalls elektrische Kon takte auf und Leiterstücke, die das gewünschte Lei tungsmuster fortsetzen, so daß bei geschlossener Tür ein weitgehend symmetrisches Spulenmuster verbleibt; allerdings sind hier weniger Kontakte als bei der Ausführungsmöglichkeit 1. erforderlich.
Bei einer Abschirmkammer zweiter Ordnung kann der Tür ausschnitt innerhalb einer rechteckigen Rahmenspule liegen, so daß dann Kontakte entfallen.
Bei einer Abschirmkammer dritter und höherer Ordnung kann eine Rechteckspule ergänzt werden, die die Tür vollkommen umfaßt und nicht von ihr beim Öffnen unter brochen wird; im Zusammenspiel mit den anderen Einzel spulen auf den nicht-unterbrochenen Flächen können nun die drei homogenen Feldkomponenten auch bei geöffneter Tür kompensiert bleiben, um so ein Übersteuern der SQUIDs zu verhindern.

Fig. 3 zeigt eine Skizze einer aktiven Abschirmkammer 5 in der Ausführungsform als würfelförmige Kabine dritter Ordnung. Beispielsweise hat der Würfel eine Kantenlänge L′ von 3 m, wobei auf jeder seiner sechs Kammerflächen Kf vier normalleitende, rahmenförmige Kompensationsspulen Ks mit Seitenlängen sl von jeweils 1,4 m angeordnet sind. Eine Kabine zweiter Ordnung mit Würfelform hätte z. B. je vier quadratische Einzelspulen auf der Boden- und Deck fläche, während die vier seitlichen Wandflächen jeweils mit zwei rechteckigen, hochstehenden Spulen zu belegen wären. Eine Tür 12 in einer der Kammerflächen Kf ist durch eine Schraffur angedeutet. Unter Zugrundelegung des ange nommenen Ausführungsbeispiels sei für die Kompensations spulen Ks eine Bezeichnungsweise gewählt, die der der Empfangsschleifen Es gemäß Fig. 2 entspricht. Der Win dungssinn der Kompensationsspulen Ks ist durch Pfeile an den Spulen veranschaulicht. Er entspricht einem nach außen weisenden Flächenvektor.

Es ergeben sich dann für die Menge aller Kompensationsspu len Ks unter Zugrundelegung des gewählten Ausführungsbei spieles die aus der folgenden Tabelle 2 zu entnehmenden Wichtungsfaktoren der elektronischen Signalaufbereitung S _c,k zur Ansteuerung der einzelnen Spulen (Bezeichnungs weise, soweit nicht anders vermerkt, wie bei Tabelle 1):

Tabelle 2

Erläuterungen zur Tabelle 2

Die aktuelle Strompolarität ist je nach gewünschter Symmetrie des Feldmodes zu wählen; ist unter "Symmetrie y" ein "+" eingetragen, so haben alle Einzelspulen, die aus der Symmetrie-Operation "Spiegelung an y-Ebene" ent stehen, die gleiche Strompolarität; ein "-" bedeutet entsprechend einen Vorzeichenwechsel. Der Betrag des Stromes bzw. der Amperewindungszahl innerhalb eines Sets ist gleich für einen reinen Feldmode; das Vorzeichen gilt für die Einzelspule im Hauptoktanten x<0, y<0, z<0. Pro Feldmode genügen also 3 Symmetrieangaben und 3 Strom werte, anstatt 24 Einzelströme.

Die erfindungsgemäß ausgestaltete Meßeinrichtung kann selbstverständlich auch noch mit anderen, passiven Ab schirmmaßnahmen kombiniert werden, mit denen Störfeld komponenten zu unterdrücken sind. So läßt sich beispiels weise eine dünne Blechhaut von etwa 0,1 mm bis 5 mm Dicke aus elektrisch leitfähigem Material wie z. B. Kupfer oder Aluminium vorsehen, welche die Anordnung des Systems 8 der normalleitenden Kompensationsspulen Ks in Form einer weit gehend geschlossenen Hülle 9 (vgl. Fig. 1) in einem Ab stand von etwa 1/30 bis 1/3 der Kammerabmessungen umgibt. Ebenso ist eine Umhüllung aus preiswertem weichmagneti schen und elektrisch leitfähigen Material wie z. B. Trafoblechen möglich. Die erforderliche Tür für den Zugang zum Innenraum der Kammer besitzt dann eine entsprechende zweite Schicht aus dem Material der Hülle und verbindet diese zweite Schicht mit der Kammerhülle beim Schließen mittels Kontaktstreifen.

Darüber hinaus ist es auch möglich, mindestens eine, vor zugsweise 3 Magnetfeldsonden, z. B. Hallsonden oder soge nannte Fluxmeter, für eine Absolutmessungen des Erdfeldes vorzusehen, die an den Kammerwänden oder an dem Referenz meßsystem anzubringen sind. Auf diese Weise können während des Abkühlens der SQUIDs homogene Erdfeld- und Störfeld anteile kompensiert werden. Statt dessen kann auch ein fest vorgegebenes Muster von Feldmoden in den Elektronikteil S eingespeist werden für ein einmalig berechnetes oder ge messenes Magnetfeldmuster, falls dieses am Aufstellungsort hinreichend konstant ist.

Unter Umständen ist es insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, für die Regelverstärkung V nur Werte zwischen 100 und 1000 zu realisieren statt eines allgemein erforderlichen Wertebereichs von 10⁴ bis 10⁶. Dann wird das Störfeld entsprechend nur auf 1% bis 1‰ abgesenkt, und gelangt dermaßen als Störsignale B_b an die Sensoren des biomagnetischen Feldmeßsystems. Das Störfeld X ist aber sehr wohl bekannt; es kann nach dem Wichtungs block W _f,j oder nach dem Verstärkungsblock V_f dem Regel kreis entnommen werden und während einer Messung der (bio-magnetischen) Feldsignale ebenfalls aufgezeichnet werden. In einem Rechner kann aus X, das, wie vorstehend skizziert, eine lokale Reihenentwicklung des magnetischen Potentials am Ort des Referenzmeßsystems darstellt, auf die Störfelder am Ort der Sensoren b des (biomagnetischen) Feldmeßsystems extrapoliert werden. Dieses extrapolierte Störsignal wird dann nachträglich in den Rechner von dem detektierten Feldsignal abgezogen.

Claims

1. SQUID-Meßeinrichtung zur Erfassung und Darstellung schwacher Magnetfelder mindestens einer insbesondere bio magnetischen Feldquelle, welche Einrichtung

- ein Feldmeßsystem mit mindestens einem SQUID-Sensor ent hält, der wenigstens eine supraleitende Detektions schleife zum Empfang der Feldsignale der Feldquelle aufweist,
- eine zumindest die supraleitenden Teile des Feldmeß systems und die Feldquelle umgebende aktive Abschirm kammer enthält, deren Flächen mit einzeln ansteuer baren, normalleitenden Kompensationsspulen belegt sind, sowie
- eine Ansteuerelektronik enthält zur Erregungsansteuerung der Einzelspulen derart, daß ein magnetisches Gegenfeld zu einem magnetischen Störfeld hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet,
a) daß innerhalb der Abschirmkammer (5) zusätzlich ein Re ferenzmeßsystem (7) mit mehreren zusätzlichen Meß kanälen vorgesehen ist, die jeweils einen SQUID-Sensor mit mindestens einer supraleitenden Empfangsschleife (Es) zur Detektion des am Ort der Empfangsschleife herrschenden Magnetfeldes (K_k) aufweisen,
b) daß alle Empfangsschleifen (Es) dieses Referenzmeß systems (7) eine dreidimensionale Struktur bilden und weiter von der Feldquelle (3) entfernt angeordnet sind als jede der Detektionsschleifen des Feldmeßsystems,
c) daß mit den zusätzlichen Meßkanälen des Referenzmeß systems (7) den Ortskoordinaten (x, y, z) der jeweili gen Empfangsschleife (Es) zugeordnete Meßdaten erzeugt werden, und
d) daß eine Transformationselektronik (W, V, T, S) vorge sehen ist, mit der die Meßdaten der zusätzlichen Meß kanäle des Referenzmeßsystems (7) in fiktive Meßdaten überführt werden, die einem am Ort der Kompensations spulen (Ks) herrschenden fiktiven magnetischen Störfeld entsprechen, wobei
die Ansteuerelektronik (S) als Teil der Transforma tionselektronik derart ausgebildet ist, daß die in sie eingespeisten fiktiven Meßdaten zu einem magnetischen Gegenfeld (A_k) der Kompensationsspulen (Ks) führen, welches das fiktive Störfeld kompensiert.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformations elektronik elektronische Mittel zu einer Realisierung einer Wichtungsmatrix (W _f,j), einer Regelverstärkung (V _f) und einer Transformationsmatrix (_k T _f) und einer Strom matrix (S _c,k) umfaßt.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmkammer (5) würfelförmig ausgebildet ist.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Ab schirmkammer (5) auf jeder ihrer Flächen (Kf) regelmäßig verteilt eine vorbestimmte Anzahl von zumindest annähernd gleichgroßen Kompensationsspulen (Ks) enthält.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Kom pensationsspulen (Ks) kreisförmig oder rechteckig, insbe sondere quadratisch gestaltet sind.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Ab schirmkammer (5) 24 Kompensationsspulen (Ks) aufweist.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Struk tur (11) des Referenzmeßsystems (7) Würfelform hat.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Struk tur (11) des Referenzmeßsystems (7) auf jeder ihrer Flä chen (Wf) regelmäßig verteilt eine vorbestimmte Anzahl von zumindest annähernd gleichgroßen Empfangsschleifen (Es) enthält.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschleifen (Es) des Referenzmeßsystems (7) kreis förmig oder quadratisch gestaltet sind.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmeßsystem (7) 24 Empfangsschleifen (Es) aufweist.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum der Anordnung der Empfangsschleifen (Es) des Re ferenzmeßsystems (7) sich zumindest annähernd auf einer gedachten Linie durch die Feldquelle (3) und das Zentrum der Anordnung der Detektionsschleifen des Feldmeßsystems (2) sich hinter dem Feldmeßsystem befindet.

12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Teile des Feldmeßsystems (2) und des Re ferenzmeßsystems (7) in einem gemeinsamen Kryostaten untergebracht sind.

13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des mit dem Referenzmeßsystem (7) aufgenommenen Störfeldes (K_k) zusammen mit den Signalen des Feldmeß systems (2) in einem Rechner anzuzeichnen sind, in dem das Störfeld auf den Ort der Detektionsschleifen des Feldmeß systems (2) extrapoliert und von den Signale des Feldmeß systems subtrahiert wird.

14. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abschirmkammer (5) in einer passiven Abschirmhülle (9) befindet.