FI112399B - Menetelmä ja laite taustahäiriön poistamiseksi monikanavaisista ilmaisinasetelmista - Google Patents

Description

112399

MENETELMÄ JA LAITE TAUSTAHÄIRION POISTAMISEKSI MONIKA-VAVAISISTA ILMAISINASETELMISTA

Tässä käsiteltävä keksintö liittyy monikanavaiseen mittaamiseen. Erityisesti kyseessä on uusi 5 ja parannettu menetelmä signaalin mittaamiseksi monella eri kanavalla, kun kiinnostavaan signaaliin on sekoittunut suuruudeltaan mahdollisesti hyötysignaalia suurempi taustahäiriö.

Usean samanaikaisen mittauksen tekeminen tut-10 kittavasta kohteesta, toisin sanoen monikanavamittaus, on joskus välttämätöntä riittävän tarkan tiedon saamiseksi havainnoitavasta ilmiöstä. Tarkastelemme erityisesti ihmisaivojen tai sydämen toimintaan liittyvien biomagneettisten kenttien havainnointia. Nykyaikaisis-15 sa tähän tarkoitukseen tehdyissä magnetometreissä on noin 100 kanavaa, mikä mahdollistaa neuro- tai kardio-grafisten lähteiden tarkan paikantamisen. Biomagneettiset kentät ovat hyvin heikkoja ympäristön taustamag-neettikenttiin verrattuna, joten varsinaisen signaalin 20 erottaminen taustahäiriöistä on teknisesti erittäin vaikeaa (M. Hämäläinen ym. , "Magnetoencephalography -: **; theory, instrumentation, and applications to nonin- ; vasive studies of the working human brain", Reviews of

Modern Physics, vol. 65, nro 2, huhtikuu 1993).

] 25 Erittäin herkän mittalaitteen suojaamiseksi . . ulkoisilta häiriöiltä voidaan tunnetusti käyttää poh- ’·[;* jimmiltaan viittä menetelmää: 1) käytetään passiivisia • · · *·* ' suojarakenteita laitteen ympärillä (magneettisesti suojattu huone biomagneettisessa sovelluksessa), 2) • · • ’,· 30 käytetään aktiivisia rakenteita, joilla voidaan kumota : ympäristön häiriösignaalit (suuret aktiivikompensaa- tiokelat magneettisissa mittauksissa), 3) vähennetään ♦ « » ;;; ilmaisimien suhteellista herkkyyttä tyypillisille

• I

•y’ taustahäiriöille (käytetään gradiometrejä magnetomet- 35 rien sijaan) , 4) käytetään lisäilmaisimia taustahäiri- öiden arvioimiseen, jotta nämä voidaan erottaa signaa- 112399 2 leista ja 5) käsitellään monikanava-aineistoa numeerisesti todellisen signaalin erottamiseksi ulkoisista häiriöistä.

Kun menetelmää 1) käytetään biomagneettisissa 5 mittauksissa, mittalaite asennetaan suojahuoneeseen, jonka seinät on valmistettu korkean permeabiliteetti-sestä metalliseoksesta (ns. myy-metalli). Biomagneettisissa sovelluksissa tärkeällä matalien taajuuksien alueella tällaisen suojahuoneen suojauskerroin on tyy-10 pillisesti vain noin 100 - 1000, kun myy-metallia on käytetty kohtuullinen määrä ja materiaalin äärellinen permeabiliteetti otetaan huomioon. Korkeilla taajuuksilla suojausta voidaan parantaa lisäämällä seiniin kerroksia hyvin sähköä johtavasta materiaalista kuten 15 alumiinista (V. O. Kelhä ym. , "Design, Construction, and Performance of a Large-Volume Magnetic Shield", IEEE Transactions on Magnetics, voi. MAG-18, n:o 1, tammikuu 1982).

Kun tutkimuksen kohteena on ihminen, mahdol-20 lisesti potilas sairaalassa, magneettisesti suojatun huoneen on oltava varsin kookas, jolloin rakenne on . raskas ja kallis. Riittävä suojaus saadaan aikaiseksi » · ; ; vain monikerrosrakenteella, jossa seinän kokonaispak- y suus on noin 0,6 m. Niinpä huoneen ulkomittojen on ol- 1 25 tava suuruusluokkaa 4 mx 5 mx 3,5 m, jotta tilaa on riittävästi niin mittalaitteelle, makaavalle potilaal-ν(ί le kuten myös potilaasta huolehtivalle sairaalahenki- . lökunnalle. Erityisesti vaadittava kahden rakennusker- roksen korkeus, 3,5 m, on hankala tavallisessa sairaa-3 0 laympäristössä.

.·*, Menetelmä 2) , kun käytetään suuria kompensaa- ·" tiokeloja (EP 0 514 02 7, M. Kazutake ym. "Magnetic noise reducing device for a SQUID magnetometer"), muistuttaa tavallaan passiivista suojausta korkean . 35 permeabiliteetin materiaalilla. Suojavirta, joka myy- t. \ metallissa syntyy luonnostaan vasteena ulkoiselle mag neettikentälle, luodaan nyt keinotekoisesti säätöjär- 112399 3 jestelmässä ja johdetaan mitoiltaan tyypillistä suoja-huonetta vastaaviin keloihin. Tällaisen järjestelmän käytännön toteutus voi perustua kolmeen kohtisuoraan Helmholtzin pariin. Kumottava ulkoinen kenttä mitataan 5 kela-asennelman ulkopuolella kenttäantureilla, kuten ns. fluxgateilla, joiden ulostulo muunnetaan sopivan säätöjärjestelmän avulla kompensaatiokeloihin syötettäväksi sähkövirraksi. Tällainen aktiivisuojaus on paljon keveämpi ja halvempi kuin tavallinen passii-10 visuoja. Se myös toimii parhaiten matalilla taajuuk silla, missä magneettikenttien passivisuojaus on kaikkein hankalinta.

Menetelmän 2) suurin haittapuoli on suojavir-tojen erittäin rajoitettu geometria. Käytännössä kom-15 pensaatiokelajärjestelmä kykenee kumoamaan vain etäisistä lähteistä tulevan kentän, joka on likimain tasainen mittalaitteen kohdalla. Voi myös olla vaikeaa sijoittaa kenttäanturit parhaalla mahdollisella tavalla, ja mikäli ulkoiset olosuhteet muuttuvat, järjes-20 telmä on ehkä säädettävä uudestaan.

Menetelmä 3) biomagnetismiin sovellettaessa I·'.' perustuu siihen, että magneettikentän gradientit vai- ! menevät lähteestä loitottaessa nopeammin kuin kenttä y/ itse. Niinpä signaalin suhde taustaan on suurempi, mi- ♦ · · 25 käli mitataan magneettivuon erotus kahdesta vierekkäi-*"· sestä paikasta itse vuon sijaan: lähellä olevasta tut- v,· kittavasta kohteesta (esimerkiksi aivot) tuleva sig- : : : naali vahvistuu verrattuna taustasignaaliin, kun häi riölähde sijaitsee kauempana.

30 Periaatteessa menetelmän 3) suojaus voi olla » * ,··*. täydellinen, kun häiriökenttä on tasainen. Käytännössä • · '·’ kuitenkin gradiometrien tasapaino on parhaimmillaan t vain noin 1/1000, koska on teknisesti vaikeaa hallita antureiden geometriaa tätä paremmin. Lisäksi häiriö- . .·. 35 kenttä ei koskaan ole tarkasti ottaen tasainen. Mikäli » » · ; häiriölähde on etäisyydellä 1 (tyypillisesti 1 - 10 m) * * · ja gradiometrin kannanpituus on h (tyypillisesti 0,01 112399 4 - 0,1 m), taustasignaali anturissa vaimenee karkeasti arvioiden tekijällä h/1 verrattaessa magnetometriin, jonka silmukan koko on sama.

Menetelmän 3) vakavin haittapuoli on se, että 5 myös osa tutkittavasta kohteesta lähtöisin olevasta signaalista tulee hylätyksi. Tilanne on erityisen epäsuotuisa, mikäli biomagneettinen kenttä on likimain tasainen anturin mittakaavassa. Tämä haittaa jossain määrin sydäntutkimuksissa tai kun neuromagneettinen 10 lähde on syvällä kallon sisällä. Tästä syystä magnetometrien käyttö gradiometrien sijasta olisi perusteltua useissa biomagneettisissa mittauksissa (M. Hämäläinen ym. , "Magnetoencephalography - theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the 15 working human brain", Reviews of Modern Physics, vol. 65, nro 2, huhtikuu 1993).

Menetelmässä 4) (US 5 187 436, J. A. Mallick "Noise cancellation method in a biomagnetic measurement system using an extrapolated reference measure-20 ment", US 5 020 538, N. H. Morgan ym., "Low Noise Magnetoencephalogram system and method2, DE 4 131 947, G.

M. Daalmans, "Mehrkanalige SQUID- Detektionseinrich-| *’ tung mit Störfeldunterdriickung", DE 4 304 516, K. Ab- ··' : raham-Fuchs, "Verfahren zum Bestimmen einer Characte- ·,'·,· 25 ristischen Feldverteilung einer ortsfesten Störquel- le", WO 93/17616, K. Abraham-Fuchs, "Disturbances : : : suppression process during position and/or direction

> I

finding of an electrophysiological activity", EP 0481 211, R. H. Koch, "Gradiometer having a magnetometer 30 which cancels background magnetic field from other magnetometers" ja US 5,657,756, J. Vrba et al. , "Met-

I I

hod and systems for obtaining higher order gradiometer measurements with lower order gradiometers") laite va-: ; rustetaan ylimääräisillä taustaa mittaavilla antureil- 35 la, jotka asetetaan siten, että niihin ei tule merkit-tävää signaalia tutkittavasta kohteesta. Ne sijoite-’ ‘ taan yleensä etäämmälle varsinaisesta anturirakennel- 112399 5 masta. Tausta-anturien signaalien perusteella laskettu arvio taustahäiriölle - esimerkiksi kentän Taylor-sarja haluttuun kertalukuun saakka - ekstrapoloidaan ja vähennetään sitten asianmukaisesti varsinaisten 5 mittauskanavien signaaleista.

Tämän menetelmän pääasialliset haittapuolet ovat verrattain suuri etäisyys tausta-anturien ja varsinaisten mittausanturien välillä sekä epätarkkuus anturien kalibroinnissa, suhteellisessa sijainnissa ja 10 asennossa, koska nämä rajoittavat saavutettavissa olevaa kompensaatioastetta. Erityisesti tausta-anturien lukemien oikea tulkinta ja käyttö on käytännössä mahdotonta, mikäli taustasignaalin aiheuttaja on esimerkiksi mittalaitteen tuntematon värähtelyliike tunte-15 mattomassa taustakenttäjakaumassa.

Menetelmässä 5) monikanavalaitteen mittauksen aikana keräämät signaalit tallennetaan ensin muistilaitteeseen. Mittauksen jälkeen aineisto käsitellään numeerisella mallilla tai projektiomenetelmällä kiin-20 nostavien biomagneettisten lähteiden osuuden erot tamiseksi häiritsevistä taustakentistä (WO 94/12100, R. Ilmoniemi, "Method and apparatus for separating the * · • ·' different components of evoked response and spontane- 1 » · ..: : ous activity brain signals as well as of signals meas- Y.: 25 ured from the heart", WO 93/17616, K. Abraham-Fuchs, 7Ί "Disturbances suppression process during position : Y: and/or direction finding of an electrophysiological ;Y; activity" ja US 4 977 896, S. E. Robinson ym., "Analy sis of biological signals using data from arrays of 30 sensors") .

Menetelmä 5) perustuu mittalaitteen moni- » *; kanavaluonteeseen: vain kokoamalla aineisto useasta anturista samanaikaisesti voidaan taustahäiriö erottaa todellisesta signaalista, koska näillä on luonteeltaan I » i 35 erilainen jakauma koko mittauskanavajoukossa. Esimer- kiksi neuromagneettisissa mittauksissa anturien pitää '* '· kattaa koko pää.

112399 6

Kun menetelmää 5) käytetään magnetometrien yhteydessä, vaaditaan kultakin kanavalta ja aineiston-keruujärjestelmältä varsin laaja dynamiikka, koska varsinainen biomagneettinen signaali voi peittyä taus-5 taan, joka on useita kertalukuja voimakkaampi. Tällöin on oleellisesti vähennettävä toisistaan suuria, mutta lähes samansuuruisia numeroita, joiden erotus kuvaa todellista biomagneettista toimintaa.

Käytännössä biomagneettisen kentän voimakkuus 10 on 6 - 8 kertalukua heikompi kuin vaimentamaton taus-takenttä tyypillisessä ympäristössä (M. Hämäläinen ym. , "Magnetoencephalography - theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain", Reviews of Modern Physics, vol.

15 65, nro 2, huhtikuu 1993). Niinpä ainakin kaksi edellä kuvattua menetelmää on yhdistettävä siedettävän sig-naali-taustasuhteen saavuttamiseksi.

Tämän keksinnön mukaisella menetelmällä monikanavainen mittalaite tehdään epäherkäksi ympäristön 20 häiriöille ristiinkytkemällä kanavat toisiinsa siten, että häiriö ei aiheuta vastetta laitteen ulostuloon. Keksinnölle on tunnuksenomaista patenttivaatimuksessa » i · '< ·’ 1 mainitut piirteet. Mitään ylimääräisiä kompensaatio- • « · tai vertailuantureita ei tarvita. Käytännössä osoit- i t V,J 25 tautuu, että keksinnön mukaisen menetelmän suojauste- hokkuus on suoraan verrannollinen ristiinkytkettyj en :V; kanavien lukumäärään, joten keksinnön mukainen mene- telmä, jossa kaikki tai useimmat mittauskanavat osal-listuvat kompensointiin, on ylivoimainen verrattuna .. . 30 tunnettuihin menetelmiin, joissa käytetään pientä mää- rää erillisiä kompensaatiokanavia (esim. US 5 657 756, » | J. Vrba ym. , "Method and systems for obtaining higher ::: order gradiometer measurements with lower order gradi- ometers") .

\ 35 Tavallisesti, kun N kanavaa on toiminnassa rinnakkain, kunkin kanavan anto riippuu ainoastaan sen * » » ’ ’·’ omaan anturiin tulevasta otosta. Tätä voi kuvata dia- 112399 7 gonaalisella N x N matriisilla C, jolla kertomalla N-ulotteinen antovektori U saadaan annetusta N- ulotteisesta ottovektorista u : U = C u .

5 Kytkentämatriisin alkio Cu on vastaavan kana van i vahvistus tai kalibraatiokerroin.

Tämän keksinnön mukaista kompensaatiomenetel-mää kuvaa ei-diagonaalinen matriisi C, jonka ei-diagonaalialkiot vastaavat kanavien välisiä ristiin-10 kytkentöjä. Tämä matriisi konstruoidaan siten, että se kuvaa häiriöiksi tulkitut ottovektorit nollavektoril-le; vaaditulla lineaarikuvauksella C N-ulotteisessa signaaliavaruudessa on n-ulotteinen ydin, kun kompensoidaan n toisistaan riippumatonta häiriövektoria tai 15 -kenttäjakaumaa, jotka virittävät häiriösignaaliava- ruudeksi kutsuttavan aliavaruuden. Käytännön sovelluksissa n<<N.

Aikaisempi keksintö W0 94/12100 (R. Ilmonie- mi, "Method and apparatus for separating the different 20 components of evoked response and spontaneous activity brain signals as well as of signals measured from the heart") kuvaa signaaliavaruusmenetelmää, jossa eri . biomagneettiset vasteet erotellaan toisistaan ja näi hin sekoittuvista epäkiinnostavista lähteistä käyttä- s * · ·’·] 25 mällä kerättyyn aineistoon signaaliavaruuden projek- tiomenetelmiä. Tyypilliset häiriösignaalit - erityi-sesti magnetometrejä käytettäessä - voivat olla 10000-V ·* tai 1000000-kertaisia kiinnostaviin signaaleihin näh den. Niinpä edellä mainittu tunnettu menetelmä vaatisi ·*·',· 30 aineiston keruu- ja tallennusj är j estelmältä paljon ylimääräistä dynaamista aluetta ollakseen käyttökel- • poinen.

• > '•k* Tarvittavat anturiverkon ristiinkytkentävoi- makkuudet käsillä olevan keksinnön mukaisessa menetel-. 35 mässä määritetään mittaamalla häiriötä ilman ristiin- ; kytkentöjä. Ristiinkytkentävoimakkuuksien määrittämi seksi mitään tarkkaa tietoa yksittäisten anturien pai- 112399 8 koista, asennosta tai kalibraatiosta tahi anturien suhteellisista paikoista tai asennoista ei tarvita. N-kanavainen järjestelmä voidaan kompensoida täydellisesti käyttäen 2Nn ristiinkytkentää, kun kytkennät to-5 teutetaan negatiivisena takaisinkytkentänä. Käytännössä jopa vähäisempi kytkentöjen lukumäärä voi olla riittävä.

Kun tehdään mittauksia kompensoidulla järjestelmällä, taustahäiriösignaalin komponentit häiriösig-10 naaliavaruudessa tallennetaan kompensoitujen signaa lien lisäksi, ja mikäli vaaditaan, kompensoimattomat signaalit voidaan palauttaa näistä tiedoista lineaari-muunnoksella.

Keksinnön mukaisen menetelmän käyttö biomag-15 neettisessa sovelluksessa vastaa tavallaan suojahuoneen käyttöä: Monikanavaisen magnetometrin antureilla havaitaan vallitseva häiriökenttä, minkä perusteella muodostetaan n "suojavirtaa" ja toimitetaan ne asianmukaisesti painotettuina yksittäisille kanaville nega-20 tiivisena takaisinkytkentänä. Tämä negatiivinen ta kaisinkytkentä voidaan yhdistää magnetometrit vuoluki- ,, , tussa silmukassa pitävään tavalliseen negatiiviseen > · ; ·’ takaisinkytkentään. Samoja takaisinkytkentäkeloja, : joita käytetään vuolukituksen negatiiviseen takaisin- ν’.· 25 kytkentään, voidaan käyttää myös suojavirtojen syöttä- Ί"! miseen.

;V; Tunnettuihin menetelmiin 1) ja 3) verraten tämä keksintö parantaa tehokkaasti magneettista suoja- * usta ja mahdollistaa siten herkkien magnetometriantu-30 rien käytön tavallisessa suojahuoneessa gradiometrien • t sijasta. Keksinnön mukainen menetelmä häiriöiden pois- « i y tamiseksi on kullakin paikalla vallitseviin olosuhtei- siin mukautuva, koska ristiinkytkennät valitaan siten, että ne kumoavat juuri anturiasennelman itsensä mit-35 taaman häiriön. Näin saavutettava efektiivinen suo- jaustekijä on verrattavissa parhaiten tasapainoitet- ’· tuihin nykyaikaisiin gradiometreihin.

112399 9

Tunnettuun menetelmään 2) verraten keksinnön mukainen menetelmä on joustavampi, koska suojaus on olosuhteisiin mukautuva. Yksittäisten kanavien N negatiivisen takaisinkytkennän kelaa korvaavat menetelmän 5 2) muutaman suuren kiinteän geometrian ulkoisen kom- pensaatiokelan. Keksinnön mukaisessa menetelmässä kom-pensaatiovirrat eivät millään tavalla vaikuta suoja-huoneen rakenteisiin. Edelleen, ulkoiset kompensaatio-kelat eivät kykene poistamaan häiriötä, joka syntyy 10 jäännöskentässä olevan magnetometriasennelman liikkeestä, kuten tärinästä. Keksinnön mukaisessa menetelmässä tämä on yksinkertaisesti lisäulottuvuus häiriö-signaaliavaruudessa.

Tunnettuun menetelmään 4) verraten keksinnön 15 mukaisella menetelmällä on useita etuja: Mitään yli määräisiä kompensaatio- tai vertailuantureita ei tarvita. Onnistuneen kompensaation saavuttamiseksi antureita ei tarvitse tarkasti kalibroida tai tasapainottaa eikä antureita myöskään tarvitse saada yhdensuun-20 täisiksi tai kohtisuoraan toisiinsa nähden. Kompensaatio ei ole myöskään rajoittunut mihinkään häiriömag- ;*t-t neettikentän Taylor-sarjakehitelmään. Keksinnön mukai- • · .* sessa menetelmässä häiriö yksinkertaisesti kompensoi- ;·/ daan tarvittavaan kertalukuun; saavutettava kompensaa- 25 tioaste riippuu siitä, kuinka tarkasti ristiinkytken-‘ * tävoimakkuudet voidaan säätää. Saavutettava kompensaa- tioaste on myös verrannollinen ristiinkytkentäverkossa : olevien kanavien lukumäärään. Keksinnön mukaisessa me netelmässä tämä on vapaasti valittavissa aina laitteen 30 kanavien kokonaislukumäärään N asti, toisin kuin tun-netuissa kompensaatiomenetelmissä, joissa on verrat- • » 11 » • tain rajoitettu lukumäärä erillisiä kompensaatio- kanavia. Kompensaatio, joka saavutetaan lisäämällä tai vähentämällä vertailuanturien signaaleja kasvattaa , 35 mittauksen kohinatasoa. Tällaista kohinalisää ei ole ; tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä, koska lineaa rikuvaus C on projektio.

112399 10

Todellisten mittauskanavien määrä vähenee menetelmässä 4), kun järjestelmän kaiken kaikkiaan N: stä anturista n valitaan pysyvästi kompensaatioantureiksi ja siirretään kauemmas todellisesta signaalilähteestä.

5 Keksinnön mukainen menetelmä on tässäkin suhteessa joustavampi, koska kompensoitavien häiriömoodien lukumäärä n voidaan valita ympäristön ja suojahuoneen hyvyyden asettaman tarpeen mukaisesti.

Edelleen, menetelmässä 4) kompensaation laatu 10 voi heiketä, mikäli jokin n:stä kompensoijasta ei toimi kunnolla. Keksinnön mukaisessa menetelmässä tätä ongelmaa ei ole, koska yksittäiset kanavat ovat yhdenvertaisia ja epäkuntoinen kanava voidaan yksinkertaisesti irrottaa takaisinkytkentäverkosta (ja hylätä 15 mittausaineistosta).

Tunnettuun menetelmään 5) verraten on etu, ettei millekään anturille tai aineistonkeruulaitteelle tarvita ylimääräistä dynaamista aluetta. Ristiinkytke-tyssä anturiverkossa syntyvät "suojavirrat" jaetaan 2 0 tasapainottamaan kukin N: stä anturista ulkoista häiriötä vastaan.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa • I · .* .· edellä luetellut puutteet ja haitat.

· | Keksinnön erityisenä tarkoituksena on esittää : ; : 25 kokonaan uudenlainen menetelmä ja laite taustahäiriön ·; · poistamiseksi monikanavaisesta mittauksesta.

Keksinnön mukaista lähestymistapaa voidaan .'I·. käyttää missä tahansa monikanavalaitemittauksessa, jo- * ‘ · ka on altis ympäristön häiriöille. Menetelmän eräs . 30 edullinen suoritusmuoto koskee soveltamista biomag- neettisiin mittauksiin kuten magnetoenkef alograf iaan ’*·' (MEG) ja magnetokardiografiaan (MKG) . Menetelmä on : kuitenkin yleisemminkin sovellettavissa, kunhan ympä- ristön häiriösignaalien ominaispiirteet eroavat riit-35 tävästi kiinnostavista signaaleista. Tämä ehto on yleensä toteutettavissa asianmukaisesti järjestetyllä anturiasennelmalla ja riittävän suurella kanavamääräl 112399 11 lä. Esimerkiksi neuromagneettisissa mittauksissa tämä saavutetaan kattamalla koko pään alue noin sadalla anturilla .

Seuraavassa keksintöä ja sen etuja seloste-5 taan yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin kuviin, j oissa kuva 1 esittää kaavamaisesti yksinkertaistettua monikanavaista anturiasetelmaa, kuva 2 esittää kaavamaisesti tiedon käsittelyä yk-10 sinkertaisessa ristiinkytketyssä monikanavalaitteessa ja kuva 3 esittää kahta mittakanavaa ja kompensoija-kanavaa, jonka negatiivinen takaisinkytkentäverkko on toteutettu operaatiovahvistimella.

15 Keksinnön mukainen menetelmä on helpoiten ku vailtavissa huomattavasti yksinkertaistetulla esimerkillä, joka on kuitenkin suoraviivaisesti yleistettävissä pätemään varsinaisissa käytännön toteutuksissa. Niinpä tarkastelemme laitetta, jossa on ainoastaan 20 kaksi anturia, jotka on selkeän kuvallisen esityksen vuoksi oletettu magnetometrisilmukoiksi kuten kuvassa ... 1. Olkoot nämä identtiset silmukat (1 ja 2) samassa » t ; ; tasossa, olkoon taustahäiriökenttä mielivaltaisen * · · y · suuntainen mutta tasainen, ja tulkoon kiinnostava sig- • « * '•V 25 naali virtadipolin kaltaisesta lähteestä (3), joka * ·”· synnyttää silmukat lävistävät magneettivuot φι ja fa.

: : Tässä tapauksessa ottovektori u koostuu pai- : kasta riippumattomaan taustakenttään liittyvästä mag neettivuosta φ0, joka läpäisee molemmat silmukat, sekä jV, 30 tutkittavan lähteen kentään liittyvistä magneettivois- ta φί ja φζ. Kun signaalit kanavista luetaan toisistaan riippumatta, jolloin systeemi siis on diagonaalinen, matriisi C on 2 x 2-yksikkömatriisi kerrottuna kanavi-:„j en yhteisellä kalibraatiokertoimella C0. Tällöin otto- , 35 vektori u ={φο+φι, Φ0+Φ2) johtaa antovektoriin U = Cu = · C0 {φο+φί, Φ0+Φ2) Jos nyt taustakenttä on hyvin voimakas tutkittavan lähteen kenttään verrattuna, nähdään, että 112399 12 molempien kanavien antosignaalia hallitsee taustahäi-riö, josta kiinnostava signaali ei erotu ellei sensorien dynamiikka ole hyvin suuri.

Kun kytkentämatriisi C muutetaan ei-5 diagonaaliseen muotoon

f i -A

C = C„/2 . ,

v-i V

saadaan ylläolevaa ottovektoria vastaavaksi annoksi U = (C0/2) ( φ\-</>2, -<h+<h) · Nyt nähdään, että laite ei ole enää lainkaan herkkä suurelle taustasig-10 naalille. Sen vaste riippuu ainoastaan tutkittavasta lähteestä tulevasta signaalista. Tästä edusta maksettu hinta on se, että signaalin kaksi komponenttia tulevat toisistaan lineaarisesti riippuviksi (ovat toistensa vastalukuja). Kun kyseessä on suuri joukko sensoreita, 15 tämä ei ole ongelma, sillä kompensoitaessa n riippumatonta häiriökenttäjakautumaa W-kanavaisessa laitteessa vähenee riippumattomien signaalien lukumäärä N:stä N -n:ään. Kun N >> n, on riippumattoman informaation menetys suhteellisen vähäinen.

20 Ei-diagonaalisen kytkentämatriisin käyttö . merkitsee, että kunkin kanavan otto vaikuttaa kanavan » oman annon lisäksi muidenkin kanavien antoihin. Kon-: ventionaalisen monikanavalaitteen rinnakkaiset, toi- *, .· sistaan riippumattomat kanavat muutetaan näin toisiin- ’ 25 sa liittyvien kanavien verkoksi. Tätä on havainnollis- :Y: tettu kuvassa 2.

;' · ‘; Ylläoleva esimerkki voidaan yleistää koske maan laitetta, jossa on N magnetometrisilmukkaa, joi- t den kaikkien oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi olevan • * 30 saman kokoisia ja samassa tasossa. Tässä tapauksessa laite saadaan immuuniksi esimerkiksi tasaiselle taus-’ ; : takentälle käyttämällä N x N kytkentämatriisia [n-i -1 ·· -1 > -1 n- 1 ·· -1 ; C = Co/N . .

t -1 -1 ··· N-1 112399 13

Nyt kunkin kanavan anto muodostuu kanavan omasta otosta painotettuna kertoimella C0(N-1)/N ja muiden kanavien (N - 1) : stä otosta painotettuina kertoimilla - Co/N.

5 Tällaisessa järjestelyssä N- kanavaisen lait teen kompensaatio homogeenista kenttää vastaan saadaan aikaan kytkemällä kaikki kanavat toisiinsa, jolloin ristiinkytkentöjen kokonaismääräksi tulee N(N-l). Jo noin satakanavaisessa mittalaitteessa olisi tällaisten 10 kytkentöjen verkon toteuttaminen hyvin monimutkaista ja kallista. Kytkentäverkkoa voidaan oleellisesti yksinkertaistaa, kun ristiinkytkentä tehdään tässä keksinnössä kuvatulla tavalla.

Kun edellä olevan esimerkin kahta signaali-15 kanavaa käytetään takaisinkytkettyinä ns. vuolukitussa silmukassa, voidaan niiden ristiinkytkentä järjestää antamalla kummankin kanavan saada takaisinkytkentää myös naapuriltaan: ttJ^Gfa+UJKn + UJKu) \u2 = G2(u2 + UJK2X + U2/K22) · 20 Kuten tavallisessa negatiivisesti takaisin- , kytketyssä mittausjärjestelyssä oletetaan tässäkin, *' että suoran haaran vahvistus on oleellisesti ääretön *. eli Gi, G2 >> Kij; i, j = {l, 2}. Tällöin redusoituu ,·’ yllä oleva yhtälöpari otto- ja antosuureiden väliseksi : 25 matriisirelaatioksi u = -kU, missä matriisin k elemen- : : tit ovat 1/Kij,· i, j = {1, 2}. Nyt ulostulo saadaan yh- ; tälöstä U = -k^u. Edellä esiintyvän lineaarikuvauksen C määrittelee siis nyt matriisi -k'1.

·* . Vakiotaustakenttä saadaan tässä kahden kana-

* » I

30 van järjestelmässä näkymättömäksi valitsemalla ris- • · tiinkytkennät siten, että ( 1 -f) ‘ k1 = Ko/2 .

v-i V

* ,

Valitettavasti tämä matriisi on singulaarinen eli sillä ei ole käänteismatriisia, joten kanavaparia I » 1 ’ : 35 ei voi (ristiin) takaisinkytkeä tavalla, joka mahdol- 112399 14 listaisi vakiotaustakentästä aiheutuvan ulostulosignaalin eliminoinnin.

Tämä ongelma voidaan ratkaista tässä keksinnössä esitetyllä menetelmällä, jossa järjestelmään li-5 sätään näennäinen lisäkanava (virtuaalikanava). Tähän kanavaan ei liity omaa sensoria; se ainoastaan kerää signaaleja varsinaisilta mittauskanavilta ja edelleen jakelee niille takaisinkytkentäsignaaleja. Järjestelmän signaalivektoriin lisätään virtuaalikanavaa vas-10 taava komponentti. Jatkossa tätä virtuaalikanavaa nimitetään kompensoijakanavaksi . Sen ulostulo (Uc kuvassa 3) on itse asiassa verrannollinen ottovektorin projektioon häiriösignaaliavaruudessa ja se voidaan tallettaa yhdessä varsinaisten kanavien kompensoitujen 15 signaalien kanssa. Tässä menetelmässä valitaan ris- tiintakaisinkytkentämatriisiksi kahden mittauskanavan tapauksessa '0 1 f k = 1/Ko 110.

a o h

Signaalivektorin ensimmäinen komponentti on 20 valittu kompensoijakanavaa vastaavaksi komponentiksi.

Tästä seuraavan signaalien ristiinkytkentämatriisin :’· Mi r k1 = Kj 2 1 1 -1 • l1 -1 1, avulla on helppo tarkistaa, että haluttu tu-los on saavutettu. Häiriökenttää vastaava ottovektori 25 on nyt u = (0,1,1). D0 (kompensoijakanavalla ei siis .. . ole omaa ottoa) . Häiriökentän aiheuttama anto ei näy » i * *,,) varsinaisissa signaalikanavissa vaan ainoastaan kom- *;·’ pensoijakanavassa: U = -k-1 (0,1,1) φ0 = -K0{ 1,0,0) φ0 .

.‘ : : Kompensoij akanavaa käyttäen toteutetun ris- 30 tiinkytkentätavan edut käyvät ilmeisiksi, kun tarkas-\ teltavan systeemin kanavien lukumäärää kasvaa. N:n sa- ;:,t’ massa tasossa olevan magnetometrisilmukan tapauksessa ’· ”· saadaan tasaisen kentän (yhtä suuri magneettivuo kaik- 112399 15 kien magnetometrisilmukoiden läpi) aiheuttama ulostulo häviämään valitsemalla harva (N+1) x (N+1) takaisin-kytkentämatriisi "Oili ··· Γ 1 1 o o ··· o 1 0 1 o ··· o k - 1/Ä 1 0 0 1 ... o · V1 0 0 0 ··· 1, 5 Vaadittavien kanavien välisten ristiinkytken- töjen järjestämiseksi siis riittää, että jokainen varsinainen kanava on kytketty kompensoijakanavaan ja kompensoijakanava taas kuhunkin varsinaiseen kanavaan. Sen sijaan että satakanavaisessa laitteessa tarvittai-10 siin N(N - 1) = 9900 kytkentää kanavien välillä tarvitaankin nyt vain 2N = 200 kytkentää.

Kompensoijakanava voidaan toteuttaa yksinkertaisesti esimerkiksi käyttämällä yhteenlaskevaa operaatiovahvistinta (4) kuvan 3. mukaisesti. Jokaisen 15 varsinaisen kanavan anto on kytketty mainitun operaatiovahvistimen (4) ottoon, jonka vahvistimen ulostulo puolestaan on kytketty kunkin kanavan takaisinkytken- • ',·* tähaaraan siten, että tämä kanavien ristiinkytkennät : sisältävä takaisinkytkentä ja toisaalta kunkin kanavan : V: 20 oma negatiivinen takaisinkytkentä summataan toisessa operaatiovahvistimessa (5 ja 6) ja tämä summa syöte-tään mittauskanaviin (1 ja 2) negatiivisena takaisin-kytkentänä kunkin omaa takaisinkytkentäkelaa käyttäen. Tässä toteutustavassa takaisinkytkentämatriisi, ts. 25 kanavien ristiinkytkentävoimakkuudet, määrätään ope- i · t • .* raatiovahvistinten ottovastusten valinnalla. Ristiin-

• » I

kytkennät eteenpäin, eli siis takaisinkytkentämatrii- * . sin ensimmäisen vaakarivin nollasta poikkeavat ei- ,··, diagonaaliset alkiot, ovat verrannollisia vastusten R12 • i ’·’ 30 ja Ri3 käänteisarvoon, kun taas kytkennät takaisinpäin, M.* eli siis takaisinkytkentämatriisin ensimmäisen pysty- **,>: rivin nollasta poikkeavat ei-diagonaaliset alkiot, ie 112399 16 ovat verrannollisia vastusten J?2i and J?3i käänteisarvoon. Takaisinkytkennän kokonaisvoimakkuus (sensorien kalibraatio) määräytyy takaisinkytkentävastuksista Rf. Nämä vastukset ovat mieluiten samansuuruisia keskenään 5 mutta niiden ei tarvitse välttämättä olla. Käsilläole-valla menetelmällä taustahäiriön eliminointi onnistuu kanavien keskinäisistä kalibraatioeroista riippumatta.

Laitteessa, jonka takaisinkytkentä on toteutettu digitaalisesti voidaan ristiinkytkennätkin to-10 teuttaa samassa signaaliprosessorissa numeerisesti.

Magnetometrikanavan ulostulo muutetaan numeeriseen muotoon ja lasketaan sen jälkeen prosessorissa yhteen oikein painotettuna muiden kanavien ulostulojen kanssa .

15 Tässä keksinnössä esitetyn kompensaatiotavan oleellinen etu on se, että on mahdollista käyttää häi-riökompensaatioon informaatiota, joka on kerätty suurella määrällä magnetometrejä (N) eikä vain pienellä kompensaatiokanavajoukolla. Tämä käy ilmeiseksi, kun 20 tarkastellaan tällaisen järjestelmän taajuusriippuvia vasteita. Kun oletetaan, että ristiinkytkevien operaa-. tiovahvistinten (1 kuvassa 3) taajuuskaista määräytyy '· ·' vahvistuksesta kuten Gc = -ΐ/ίωτα ja että diagonaalisen : (ristiinkytkemättömän) takaisinkytkentäsilmukan siir- *.·. 25 tofunktio on G/K = -l/ίωτ, saadaan varsinaisten mitta- ' uskanavien ottoa us vastaavaksi annoksi : Ui = ±K/ (l+ϊωτ) us , ; j"; ja häiriösignaalia vastaavaksi annoksi U± = -K/ [1-ίωτ+Ν/ (ίωτα) ] u0 .

;· ·, 3 0 Nähdään, että varsinaisen kanavan vastetta ’ ! ottoon kompensointi ei muuta, kun taas matalataajuisen 1 * —1 häiriön (ω << τ , xc ) aikaansaama vaste vaimenee ; efektiivisellä suojaustekijällä S = u0/CJi = N/ (Κωτα) , : joka on verrannollinen kanavamäärään N. Näin ollen 35 häiriökompensoituun anturiverkkoon sisältyvien kanavi- en lukumäärän kasvattaminen lisää kompensaation tehok- * ’· kuutta.

112399 17

Kompensaatiosysteemi toimii yllä olevan mukaisesti huonoimmin taajuudella ω = (N/(rt))1/2 , jolloin suoj austekij ä on Smin = (1 + 4Ντ/τ€)1/2. Tämä minimi on työnnetty mittaustaajuusalueen (ω-1/τ) ulkopuolelle 5 tekijällä {Nz/zc)1/2, ja minimissäänkin suojaustekijä on suuruusluokkaa (41\?t/Tc)1/2. Tästäkin näkökulmasta katsottuna on olennaista, että kompensointiin osallistuu suuri määrä kanavia.

Edelliset päätelmät kompensoidun järjestelmän 10 toiminasta pätevät myöskin silloin, kun kanavat eivät ole identtisiä - analyyttiset kaavat vain tulevat monimutkaisemmiksi .

Yllä kuvatun kompensaatiojärjestelmän yleistäminen mielivaltaiselle anturien järjestykselle ja 15 mille tahansa ulkoiselle häiriökentälle on suoraviivaista. Kytkennät, jotka edellä olivat ykkösen suuruisia, muutetaan sopiviin arvoihin välillä -1 ja +1 niin, että esimerkiksi magnetometrien ollessa kyseessä arvot vastaavat magnetometrisilmukoiden projektiota 20 häiriökentän suunnassa. Toisin kuin edellä, täytyy yleisessä tapauksessa myös ottaa huomioon useita häi- . riökentälle ominaisia muotoja eli olettaa häiriökent- » · ; ·' tien virittämän matemaattisen signaaliavaruuden uloit- ί · teisuuden olevan ykköstä suuremman. Jos kaikki anturit 25 eivät ole saman tason suuntaisia, tarvitaan jo mieli-’ valtaisen tasaisen häiriökentän kompensoimiseksi kol- ; : : men erillisen häiriökomponentin kompensointi (n=3) .

: Todellisessa käytössä, jonka käytännön syistä täytyy tapahtua magneettisesti suojatussa huoneessa, 30 ei kuitenkaan ole tarpeen suojata laitteistoa kaikkia ideaalisia häiriökenttämuotoja vastaan, kuten tasaista K kenttää, kentän viittä ensimmästä derivaattaa paikan suhteen, jne. (katso esim. US 5 657 756, J. Vrba ym. , : : "Method and systems for obtaining higher order gradi- 35 ometer measurements with lower order gradiometers"). Olennaista on suojaus niitä häiriökenttiä vastaan, ' : joita havaitaan syntyvän magnetoivista häiriölähteis- 112399 18 tä, joita kyseisen suojahuoneen ympärillä tyypillisesti esiintyy. Jos huone on suhteellisen etäällä voimakkaista häiriölähteistä (kadut, rautatiet, hissit), huoneen vaste koostuu kolmesta riippumattomasta häi-5 riökenttäjakaumasta, jotka vastaavat suurin piirtein kolmea huoneen ulkopuolella olevan homogeenisen kentän komponenttia. Nämä kenttäjakaumat eivät ole käytännöllisesti katsoen koskaan tasaisia huoneen sisäpuolella.

Kompensoijakanavien määrä valitaan sen mu-10 kaan, kuinka monta häiriökomponettia tarvitsee kompensoida. Jos suojahuoneen magnetoiva kenttä on olennaisesti yhdessä suunnassa, saattaa riittää käyttää jopa vain yhtä kompensoijakanavaa. Toisaalta jos huoneen seinät tai magnetometrit värähtelevät, tai jos huoneen 15 sisällä on häiriölähteitä, kuten koehenkilön sydän tai jokin sähkölaite, kompensoidaan nämä häiriöt lisäämällä yksi kompensoijakanava jokaista häiriömoodia kohden.

Tapa, jolla ristiinkytkentäkertoimet määrite-20 tään tietyssä ympäristössä, on tärkeä osa tätä keksintöä. Tämä tapahtuu käyttämällä anturistoa itseään il-.. , man ristiinkytkentöjä. Mitään ennakkotietoja häiriön • ·* luonteesta ei tarvita. Kompensointi säädetään toimi- f· '· maan kyseisen monikavanaisen mittalaitteen omassa ym- 25 päristössä seuraavalla tavalla.

J'*: Häiriösignaalia rekisteröidään tyypillisesti : muutama minuutti tyhjässä suojatussa huoneessa, jonka ovi on suljettu, ja rekisteröinti analysoidaan käyttäen tilastollista menetelmää, kuten pääarvokehitelmä-; 30 analyysiä (PCA, katso esimerkiksi S. Haykin, "Neural

Networks", Macmillan College Publishing Company, sivut 363-394, 1994) tai riippumattomien komponettien ana- lyysiä (ICA, katso esim. A. Hyvärinen ja E. Oja, "A fast fixed-point algorithm for independent component 35 analysis", Neural Computation, vol. 9, sivut 1483- 1492, 1997). Tämän tyhjän huoneen mittauksen antamat : pääkomponentit määrittelevät ortogonaalit kantavekto- 112399 19 rit häiriösignaaliavaruudelle. Ennen kuin ristiinkyt-kennät otetaan käyttöön, voidaan käyttämällä numeerista signaaliavaruuden projektiota (Signal space projection, SSP, WO 94/12100, R. Ilmoniemi) kokeilla, kuinka 5 monta komponenttia tarvitaan, jotta haluttu häiriövai-mennus saavutetaan.

Yleensä suojahuoneen läheisyydessä on yksi muita voimakkaampi häiriölähde, joka aiheuttaa pääasiassa tietyn suuntaisen kentän. Näin ollen suurin huo-10 neesta mitattu häiriökomponetti voi olla kertaluokkaa seuraavaksi voimakkainta kompensointia vaativaa komponenttia voimakkaampi. Tällaisessa tapauksessa voi olla käytännöllistä kompensoida joitakin näiden signaalien lineaarikombinaatioita, jolloin kompensaatiokanavia 15 kuormitetaan tasapuolisemmin ja saavutetaan laajempi dynaaminen alue. Kaksi riippumatonta kentän komponenttia voidaan yhdistää esimerkiksi lineaarikombinaa-tioiksi (Ci + c2) / V2 ja (Ci - c2)/V2 , jolloin niiden riippumattomuus säilyy.

20 Suurissa, 100-kanavaisissa järjestelmissä täytyy kytkentäkertoimien säädön käytännössä olla tie- , tokoneohjattua. Jos ristiinkytkentäkertoimia ei voida • · · ·* ·’ suoraan lukea järjestelmästä, täytyy niiden arvo pys- • · · .M : tyä muuten tarkistamaan. Tämä on tarpeen sekä häiriö- V.: 25 vaimennuksen onnistumisen että talletettujen signaa- V: lien oikean tulkinnan ja analysoinnin kannalta. Kun :V: ristiinkytkennät on asetettu, voidaan todellinen kyt- > » ;’j’. kentämatriisi tarkistaa sarake sarakkeelta syöttämällä apusignaalia jokaiselle kanavalle yksitellen (mukaan-30 lukien kompensoij akanavat) . Tämä vastaa ottovektorei-ta, joissa vain yksi elementti poikkeaa nollasta. Ta-;* valliseen, kompensoimattomaan magnetometrijärjestel- : määnkin sisältyy tarvittava apusignaalien syöttölait- teisto anturien viritystä varten. Normaalisti apusig-35 naalin syöttämiseen käytetään kanavan takaisinkytken-täkelaa. Koska kompensoidussa järjestelmässä kanavat '· on ristiinkytketty, yhdenkin kanavan oton syöttäminen 112399 20 tuottaa signaalia muillekin kanaville. Signaalivekto-ri, joka syntyy syöttämällä i:nnen kanavan ottoa, on suoraan verrannollinen ristiinkytkentämatriisin irnteen pystyvektoriin.

5 Jos ylläolevalla menettelyllä mitattu todel linen ristiinkytkentämatriisi K eroaa halutusta matriisista k, siihen tehdään korjauksia Aij = {ki j-[K1] ij) / [K'1] ij alkioittain. Edellä j = {n+1, n+N} arvoilla i = {l, n} ja j = {l, n} arvoilla i = {n+1, 10 n+N}, ja merkintä [K -1]!: tarkoittaa K:n käänteismat- riisin alkiota ij.

Tätä korjausmenettelyä voidaan toistaa kunnes kompensaatio on riittävän hyvä. Nyrkkisääntönä voidaan todeta, että häiriön kompensointi efektiivisellä suo-15 jaustekijällä S edellyttää, että kanavien väliset ris-tiinkytkennät on toteutettu suhteellisella tarkkuudella S"1.

Asetetut ristiinkytkennät voidaan myös tarkastaa nopeasti satunnaisten muutosten varalta. Käy-20 tännössä riittävä tarkistus on n x n osamatriisin määrittäminen syöttämällä vain kompensoijakanavia ja mittaamalla vain niiden annot. Tämän osamatriisin tulee • ·' olla lävistäjämatriisi .AT1 I, kun kytkentävektorit ui • » • 1 · : on normitettu kuten yllä ja kompensoitavat häiriövek- • · :.V 25 torit ovat ortonormaaleja lineaarikombinaatioita tyh- ': * *: jän huoneen mittauksesta saaduista pääarvokehitelmän komponenteista. Satunnainen muutos missä tahansa ta- • · h:’. kaisinkytkennässä johtaa nollasta poikkeavaan ei- diagonaalialkioon n x n osamatriisissa.

3 0 Jotta monikanavaisen mittalaitteen antamien signaalien analysointi olisi harhatonta, tarkistus ·;* voidaan tehdä rutiininomaisesti ennen jokaista mitta- •‘^1 usta tai jokaisen mittauksen jälkeen.

Häiriökomponentin vaimentamiseen käytetyt i · » 35 kytkentäkertoimet voidaan valita monella eri tavalla: ei ole välttämätöntä sisällyttää kaikkia kanavia kom-’· ’· pensaatioverkkoon. Eteenpäinkytkennät (vastukset J?12, 112399 21 #13 kuvassa 3) voidaan jättää pois miltä tahansa kanavien osajoukolta. Näin voidaan estää selvästi tavallista kohinaisempia kanavia levittämästä kohinaansa koko kompensaatioverkkoon.

5 Toinen tapa hyödyntää tätä vapautta liittyy tunnetussa tekniikassa (menetelmä 4) kuvattujen, pelkästään kompensaatioon tarkoitettujen referenssi-kanavien käyttämiseen. Vaikka tässä kuvattu menetelmä ei edellytä referenssikanavia, on sellaisten käyttö 10 mahdollista ja joissakin tapauksissa myös hyödyllistä. Tässä menetelmässä referenssikanavia käsitellään samoin kuin varsinaisia mittaavia kanavia. Jos kiinnostavan signaalin jakauma muistuttaa selvästi häiriösig-naalin jakaumaa (signaalivektorilla on siis huomattava 15 projektio häiriöavaruuteen), voi olla hyödyllistä käyttää häiriön mittaamiseen pelkästään referenssi-kanavia, jotka eivät ne kiinnostavia signaaleita, sillä referenssikanavat on tyypillisesti sijoitettu kauemmaksi kiinnostavien signaalien lähteestä. Toisaalta 20 jos referenssikanavat näkevät paikallisia häiriöitä (esimerkiksi kohinainen referenssikanava tai referens-sikanava-asennelman tärinä), voidaan referenssikanavat I I t » · · .* jättää pois häiriöitä mittaavien kanavien joukosta,

• I

·,; i jotta ne eivät virheellisesti syöttäisi paikallista » t 25 häiriöitä varsinaisiin kanaviin. Tällaista ristiinkyt- ;··· kentäkertoimien valinnan vapautta käsitellään vaati- ; ·*. muksissa 11 ja 12.

i , ;·. Todellinen ristiinkytkentämatriisi, joka voi daan tarkistaa edelläkuvatulla mittauksella, kuvaa 30 kompensoidun monikanavamittalaitteen tilan täysin. Se I » » sisältää kaiken tarpeellisen informaation järjestel-·’ mästä niin, että haluttaessa voidaan alkuperäiset, ; kompensoimattomat signaalit muodostaa talletetuista ; signaaleista. Siksi signaalien analysointi ei vaikeu- 35 du, vaikka todelliset ristiinkytkennät eroaisivatkin ideaalisista.

112399 22

Yhteenvetona todettakoon, että keksintö mahdollistaa biomagneettiset mittaukset herkillä magneto-metriantureilla tavallisesti käytettyjen gradiometrien asemesta. Tämä suoritusmuoto on kuvattu yksityiskoh-5 taisesti keksinnön havainnollistamiseksi, mutta samaa ristiinkytkentämenetelmää voidaan käyttää minkä tahansa N-kanavaisen anturijärjestelmän suojaamiseksi häiriöiltä, jotka esiintyvät pienidimensioisessa (n < N) signaalialiavaruudessa.

Claims (51)

112399 23 PATENTTIVAATIMUKS ET

1. Menetelmä taustahäiriön eliminoimiseksi monikanavaisesta mittaussignaalista, tunnettu siitä, että ainakin kaksi signaalikanavaa on ristiin- 5 kytketty ennen mainittujen kanavien antoa olevaan asteeseen siten, että taustahäiriö kanavien annossa minimoituu .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10. vähintään kahden mainitun signaalikanavan annon ja ennen signaalikanavan antoa olevan asteen välillä on kompensoijakanava, ja että - mainittujen signaalikanavien annot on kytketty kompensoijakanavaan, ja että 15. kompensoijakanava on kytketty ennen mainitun signaalikanavan antoa olevaan asteeseen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittujen signaalikanavien antojen kytkentöjen voimakkuudet kompensoijakanavaan 20 säädetään kalibrointimenettelyn mukaisesti.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen mene- 1 * ; .· telmä, tunnettu siitä, että kompensoi j akanavan j annon kytkennän voimakkuus ennen mainitun signaali- : .* kanavan antoa olevaan asteeseen säädetään kalibrointi- ·; 25 menettelyn mukaisesti.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen mene- ,· >, telmä, tunnettu siitä, että kalibrointimenettely käsittää vaiheet: ,,, - mitataan taustahäiriö monikanavaisesti, 30. määritetään häiriömoodit mainitusta mittauksesta ja - määritetään kytkennät häiriön perusteella.

6. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 - ' , 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maini- 35 tut kytkentöjen voimakkuudet määritetään mittaamalla häiriö ilman mainittua ristiinkytkentää. 112399 24

7. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 - 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kytkentöjen voimakkuudet määritetään mittaamalla häiriö ilman mittauskohdetta.

8. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 - 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kytkentöjen voimakkuudet määritetään tilastollisella analyysillä .

9. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 - 10. mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kyt kentöjen voimakkuudet määritetään pääarvokehitelmäana-lyysillä.

10. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 - 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kyt-15 kentöjen voimakkuudet määritetään riippumattomien komponenttien analyysillä.

11. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kytkentöjen voimakkuudet todennetaan syöttämällä yk-20 sittäistä signaalikanavaa kerrallaan erityisellä laitteella .

12. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 2 • : - 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kompensoijakanavien lukumäärä on yhtä suuri kuin pois-.·. 25 tettavien häiriömoodien lukumäärä.

. 13. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 >·ι.| - 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että M mainittu kanavan anto irroitetaan ristiinkytkennästä, * a I *’ jos joku ennalta määrätyistä parametreistä on ennalta 30 asetettujen rajojen ulkopuolella, i V

14. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 Iti - 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että , mainitun signaalikanavan anto tallennetaan ajan funk- tiona.

15. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 2 : 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ;/! kompensoijakanavan anto tallennetaan ajan funktiona. 112399 25

16. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 2 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että signaalikanavan antoa verrataan kompensoijakanavan antoon ja siten parannetaan mainitun signaalikanavan an-5 toa.

17. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 - 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattava signaali on biomagneettinen signaali neuro-tai kardiografisesta lähteestä.

18. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 17 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu signaali mitataan SQUID-magnetometrillä.

19. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 1 - 18 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä mitataan 15 monikanavaisella magnetometrillä biomagneettisia signaaleita, jossa on erillisten kanavien joukko häiriöiden kumoamiseksi, tunnettu siitä, että anturi-kanavien välillä olevien ristiinkytkevien elementtien ottosignaali on asianmukaisesti painotettu summa va- 20 päästi valittavasta mutta mielivaltaisesta kaikkien kanavien osajoukosta minkä tahansa vallitsevan häiriö-moodin kumoamiseksi.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen menetel- • · mä, tunnettu siitä, että mainitut painokertoimet • * · * 25 kuhunkin ristiinkytkentäelementin ottoon vaikuttavalle >ii-: kanavalle valitaan ihanteellisiksi kunkin kanavan ko- . . hinatason tilastollisen analyysin perusteella.

’ ; 21. Monikanavainen signaalien mittauslaite, jossa on useita mittaavia kanavia, joissa on anturit, 30 tunnettu siitä, että laite käsittää välineet vä-.* hintään kahden signaalikanavan annon ristiinkytkemi- seksi ennen mainittujen kanavien antoa olevaan asteeseen taustahäiriön minimoimiseksi mittauksesta.

22. Patenttivaatimuksen 21 mukainen mittaus- » 35 laite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää • i > i 1 » » > ( 112399 26 - vähintään kahden signaalikanavan annon ja ennen kanavan antoa olevan asteen välillä olevan kompensoi -j akanavan j a - kytkentäelementin signaalikanavien antojen kyt-5 kemiseksi kompensoijakanavaan sekä - kytkentäelementin kompensoijakanavan kytkemiseksi ennen mainitun signaalikanavan antoa olevaan asteeseen.

23. Patenttivaatimuksen 22 mukainen mittaus-10 laite, tunnettu siitä, että mainittu kytkentäele- mentti käsittää välineen signaalikanavan annon ja kompensoi j akanavan välisen kytkennän voimakkuuden säätämiseksi kalibrointimenettelyn mukaisesti.

24. Patenttivaatimuksen 22 tai 23 mukainen 15 mittauslaite, tunnettu siitä, että mainittu kyt- kentäelementti käsittää välineen kompensoijakanavan ja signaalikanavan antoa olevan asteen välisen kytkennän voimakkuuden säätämiseksi kalibrointimenettelyn mukaisesti .

25. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 - 24 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää välineet : · : - taustahäiriön mittaamiseksi monikanavaisesti ja • - häiriömoodien määrittämiseksi mittauksesta sekä 25. kytkentöjen voimakkuuksien määrittämisen häiriön perusteella.

26. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 ,’d - 25 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että ' mittauslaite käsittää välineet kytkentöjen voimakkuuk- 30 sien määrittämiseksi mittaamalla häiriö ilman mainit-tua risti inkytkentää.

,: 27. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 - 26 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää välineet kytkentöjen voimakkuuk- 35 sien määrittämiseksi mittaamalla häiriö ilman mittaus-kohdetta. 112399 27

28. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 - 27 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää välineet kytkentöjen voimakkuuksien määrittämiseksi tilastollisella analyysillä.

29. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 - 28 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää välineet kytkentöjen voimakkuuksien määrittämiseksi pääarvokehitelmäanalyysillä.

30. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 10 - 29 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää välineet kytkentöjen voimakkuuksien määrittämiseksi riippumattomien komponenttien analyysillä.

31. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 15 - 30 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää välineet kytkentöjen voimakkuuksien todentamiseksi syöttämällä yksittäistä signaali-kanavaa kerrallaan erityisellä laitteella.

32. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 22 20 - 31 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää yhtä monta kompensoijakanavaa kuin poistettavia häiriömoodeja.

33. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 ; - 32 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että t 25 mittauslaite käsittää välineet signaalikanavan annon irroittamiseksi ristiinkytkennästä, jos joku mainitun signaalikanavan parametreistä on ennalta asetettujen ; rajojen ulkopuolella.

’ 34. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 30 - 33 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että ! ’,· mittauslaite käsittää välineet mainitun signaalikana- ' van annon tallentamiseksi ajan funktiona.

, 35. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 22 ! - 34 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että ; 35 mittauslaite käsittää välineet kompensoijakanavan an- \· non tallentamiseksi ajan funktiona. 28 1 12399

36. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 22 - 35 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää välineet signaalikanavan annon vertaamiseksi kompensoijakanavan antoon ja siten sig- 5 naalikanavan annon parantamiseksi.

37. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 - 36 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mitattava signaali on biomagneettinen signaali neuro-tai kardiografisesta lähteestä.

38. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 21 - 37 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että mittauslaite käsittää SQUID-magnetometrin.

39. Menetelmä monikanavaisten, kiinnostavasta signaalista ja siihen superponoituneesta mahdollisesti 15 sitä mahdollisesti paljon suuremmista taustahäiriöistä koostuvien signaalien keräämiseksi, tunnettu siitä, että monikanavaisessa mittalaitteessa on yksi tai useampia kytkentäelementtejä, jotka ristiinkytkevät kaikki tai osan signaalikanavista toisiinsa ennen kun-20 kin signaalikanavan annossa tapahtuvaa signaalin arvon lukemista siten, että kanavien lähtöjen taustahäiriötä vastaava osuus saadaan nollatuksi kun taas taustahäi- • · riöön liittyvä tieto mitataan ja talletetetaan mainit- * · tujen kytkentäelementtien avulla. i ·

40. Patenttivaatimuksen 39 mukainen menetel- ‘ ' mä, tunnettu siitä, että kanavien ja mainittujen *,V elementtien välisten kytkentöjen voimakkuudet määrite- !.· : tään monikanavalaitteella itsellään tehdystä tausta- häiriön mittauksesta.

41. Patenttivaatimuksen 40 mukainen menetel- • · • « .···, mä, tunnettu siitä, että laitteen kanavien välis- • t ·" ten ristiinkytkentöjen voimakkuudet selvitetään sovel- I ** tamalla pääarvokehitelmämenetelmää tai riippumattomien » * * komponenttien analyysiä tai mitä tahansa muuta tilas- 35 töllistä analyysimenetelmää mainitun taustahäiriömit- ;* · tauksen tulokseen. * · 112399 29

42. Patenttivaatimuksen 39 mukainen menetelmää, tunnettu siitä, että elementit, jotka mit-taavat ja tallentavat taustahäiriökomponentit ja ris-tiinkytkevät signaalikanavat ennen niiden antojen lu- 5 kernistä ovat analogisen elektroniikkapiirin komponentteja, jotka mainitut komponentit saavat ottonsa risti inky t kerni Itään kanavilta ja vaikuttavat näiden risti inkytkemiensä kanavien antoihin.

43. Patenttivaatimuksen 39 mukainen menetel-10 mää, tunnettu siitä, että elementit, jotka mit- taavat ja tallentavat taustahäiriökomponentit ja ris-tiinkytkevät signaalikanavat ennen niiden antojen lukemista ovat digitaalisen signaaliprosessorin rekistereitä, jotka mainitut rekisterit saavat ottonsa ris-15 tiinkytkemiltään kanavilta ja vaikuttavat näiden ris-tiinkytkemiensä kanavien antoihin.

44. Patenttivaatimusten 42 tai 43 mukainen menetelmää, tunnettu siitä, että kanavien toiminta perustuu negatiivisen takaisinkytkennän periaattee- 20 seen ja mainitut kanavien väliset ristikytkennät to teutetaan jakauttamalla negatiivistä takaisinkytkentää kanavien kesken siten, että mainittu jakautettu ta-*. kaisinkytkentä välittyy mainittujen ristiinkytkentä- elementtien kautta. ·[ 25

45. Patenttivaatimuksen 42 tai 43 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ristiinkytkennän aiheuttava takaisinkytkentä lasketaan yhteen tavan-‘ omaisen negatiivisen takaisinkytkennän kanssa ja toi- ‘ mitetaan perille tavanomaista negatiivista takaisin- 30 kytkentäyhteyttä käyttäen, tai mainittu ristiinkytken- : ‘ .* nän aiheuttava takaisinkytkentä toimitetaan perille ? t *t I erillistä takaisinkytkentäyhteyttä käyttäen.

46. Patenttivaatimuksen 39 mukainen menetel-;;; mä,t u n n e t t u siitä, että kanavia ja ristiinkytken- 35 täelementtej ä voidaan yksilöllisesti syöttää apusig- : naalilla mainittujen ristiinkytkentöjen voimakkuuksien todentamista ja uudelleen säätämistä varten. 30 1 12399

47. Patenttivaatimuksen 42 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ristiinkytkentäelement-tien tilatiedot kerätään ajan funktiona samanaikaisesti kanavien antoarvojen kanssa ja talletetaan muisti- 5 laitteeseen antoarvojen kanssa.

48. Patenttivaatimuksen 41 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ristiinkytkennän aikaansaamiseksi aktivoitavien elementtien lukumäärä voidaan valita mainitun tilastollisen analyysin perusteella.

49. Patenttivaatimuksen 41 mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että ristiinkytkennän aikaansaamiseksi aktivoitavat elementit voidaan valita vastaamaan mainitussa tilastollisessa analyysissä löydettyjen pääarvokehitelmän komponenttien mielivaltaista 15 lineaarikombinaatiota.

50. Jonkin aikaisemman patenttivaatimuksen 39 - 42 mukainen menetelmä, jossa menetelmässä biomag neettiset signaalit mitataan monikanavamagnetometril-lä, jossa on joukko erillisiä kanavia häiriöiden ku- 20 moamista varten, tunnettu siitä, että anturi- kanavien välisen ristiinkytkennän aikaansaamiseksi tarvittavat elementit saavat ottonsa asianmukaisesti painotettuna lineaarikombinaationa vapaasti valitta-.1 vasta mutta mielivaltaisesta kaikkien kanavien alijou- 25 kosta. t t

51. Patenttivaatimuksessa 49 mukainen mene- * t ’· ·' telmä, tunnettu siitä, että kunkin ristiinkytken- V · täelementin ottoon vaikuttavan kanavan mainitut paino kertoimet valitaan ihanteellisella tavalla kunkin ka-30 navan kohinatason tilastollisen analyysin perusteella. « · 1 » · • · » · » · • ( · » » · 1 > » t » 31 112399