KR100437601B1 - Biomagnetic measurement system using high sensitivity SQUIDmagnetometers - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생체자기를 측정하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 채널간 자기적 간섭을 없애고 생체자기신호의 신호대 잡음비를 높이기 위한 생체자기 측정장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 구동회로를 간단히 하기 위해 이중이완발진 스퀴드 방식을 사용하고, 채널간 자기적 간섭을 없애기 위해 외부 귀환방식을 사용한다. 또한, 생체자기신호의 신호대 잡음비를 높이기 위해 자력계 및 자력계들의 조합으로 된 소프트웨어 미분계를 기준채널로 사용하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a biomagnetic measuring apparatus, and more particularly, to a biomagnetic measuring apparatus for removing magnetic interference between channels and increasing a signal-to-noise ratio of a biomagnetic signal. The apparatus of the present invention uses a double-relaxed squid scheme to simplify the driving circuit and an external feedback scheme to eliminate magnetic interference between channels. In addition, in order to increase the signal-to-noise ratio of the biomagnetic signal, a software differential meter consisting of a magnetometer and a magnetometer is used as a reference channel.
Description
본 발명은 생체자기를 측정하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 채널간 자기적 간섭을 없애기 위해 외부귀환방식을 사용하고 생체자기신호의 신호대 잡음비를 높이기 위해 자력계를 이용하여 기준채널을 형성하는 생체자기 측정장치에 관한 것이다.The present invention is to measure a biomagnetic, more specifically, a biomagnetic measurement using an external feedback method to eliminate the magnetic interference between channels and forming a reference channel using a magnetometer to increase the signal-to-noise ratio of the biomagnetic signal Relates to a device.
초전도양자간섭소자(superconducting quantum interference device : SQUID, 이하 스퀴드라 함)는 초전도 성질을 이용하여 아주 미세한 자기장을 측정하는 기구이다. 따라서, 스퀴드는 생체자기를 측정하는 데 중요한 구성요소중의 하나이다. 최근에는 이러한 스퀴드를 이용하여 뇌 속의 신경활동에 의해 발생하는 뇌자도 신호를 얻어냄으로써 뇌의 기능적 분석을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.A superconducting quantum interference device (SQUID) is a device for measuring very fine magnetic fields using superconducting properties. Thus, squid is one of the important components for measuring biomagnetism. Recently, researches for the functional analysis of the brain have been actively conducted by obtaining signals from the brain due to neural activity in the brain using such a squid.
일반적인 생체자기 측정장치는 직류스퀴드를 사용하며, 교류인가전류와 자속변조방식을 사용하며, 스퀴드와 전단증폭기 사이에 임피던스 매칭회로를 사용한다. 스퀴드 구동을 위해 위상민감검출(phase sensitive detection)방법을 사용하고, 스퀴드의 자속을 일정하게 유지시키기 위해 내부귀환방식을 사용한다. 또한, 기준채널로 미분계를 사용해 왔다.The general biomagnetic measuring apparatus uses DC squid, AC applied current and magnetic flux modulation, and impedance matching circuit is used between squid and shear amplifier. Phase sensitive detection is used for squid driving, and internal feedback is used to keep the squid's magnetic flux constant. In addition, differential meters have been used as reference channels.
하지만, 이러한 종래의 생체자기 측정장치에서 사용되는 직류스퀴드에 필요한 임피던스 매칭회로는 장치의 부피를 증가시키고 교류인가전류와 자속변조방식, 및 위상민감검출방법은 스퀴드 구동회로를 복잡하게 하며, 내부귀환방식은 채널간 자기적 간섭을 발생시킨다. 또한, 기준채널로 미분계를 사용하므로 기준채널의 부피가 많이 차지함과 동시에 다양한 자장값 및 미분값을 측정할 수 없으므로 자기잡음을 효과적으로 줄이기 어려운 문제점이 있었다.However, the impedance matching circuit required for the DC squid used in the conventional biomagnetic measuring apparatus increases the volume of the device, and the AC applied current, the magnetic flux modulation method, and the phase sensitive detection method complicate the squid driving circuit, and internal feedback. The method generates magnetic interference between channels. In addition, since the differential channel is used as the reference channel, it is difficult to effectively reduce the magnetic noise since the reference channel occupies a large volume and various magnetic field values and differential values cannot be measured.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 구동회로를 간단히 하기 위해 직류 인가전류와 직류 전단증폭기를 사용하는 이중이완발진 스퀴드(double relaxation oscillation SQUID) 방식의 평면형 자력계를 사용하고, 채널간 자기적 간섭을 없애기 위해 외부 귀환방식을 사용한다. 또한, 생체자기신호의 신호대 잡음비를 높이기 위해 자력계 및 자력계들의 조합으로 된 소프트웨어 미분계를 기준채널로 사용하는 생체자기 측정장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to use a planar magnetometer of a double relaxation oscillation SQUID method using a DC applied current and a DC shear amplifier to simplify the driving circuit to solve the above problems, and External feedback is used to eliminate magnetic interference. Another object of the present invention is to provide a biomagnetic measuring apparatus using a software differential meter including a magnetometer and a magnetometer as a reference channel to increase a signal-to-noise ratio of a biomagnetic signal.
도 1은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 스퀴드 자력계의 등가회로도,1 is an equivalent circuit diagram of a squid magnetometer for explaining an embodiment of the present invention,
도 2는 집적화된 도 1스퀴드 자력계의 개략도,2 is a schematic diagram of the integrated FIG. 1 squid magnetometer,
도 3은 신호채널과 기준채널의 개념을 설명하기 위한 도면,3 is a view for explaining the concept of a signal channel and a reference channel;
도 4는 도 4는 다수의 자력계를 사용한 기준채널의 배치상태를 보여주는 도면.4 is a view showing an arrangement of reference channels using a plurality of magnetometers.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 신호스퀴드 2 : 기준접합1: Signal Squid 2: Reference junction
3 : 저항 4 : 인덕터3: resistance 4: inductor
5 : 입력코일 6, 14 : 검출코일5: Input coil 6, 14: Detection coil
7 : 2차측 귀환코일 8 : 자속변압기7: secondary return coil 8: magnetic flux transformer
9 : 1차측 귀환코일 10 : 전류9: primary return coil 10: current
11: 직류인가전류 12 : 직류전단증폭기11: DC applied current 12: DC shear amplifier
13 : 이중이완발진 스퀴드 15 : 기판13: double relaxation oscillation squid 15: substrate
16 : 인체 17 : 생체자장16: human body 17: biological magnetic field
18 : 외부잡음원 19 : 잡음자장18: External noise source 19: Noise magnetic field
20 : 신호채널 21 : 기준채널20: signal channel 21: reference channel
22 : 에폭시블럭 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 : 자력계22: epoxy block 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31: magnetometer
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생체자장측정장치는 이중이완발진 스퀴드 방식의 스퀴드가 자장검출코일과 단일의 기판에 집적화되어 있는 평면형 자력계를 사용하는 것을 특징으로 한다.The biomagnetic field measuring apparatus according to the present invention for achieving the above object is characterized by using a planar magnetometer in which a double-relaxed squid-type squid is integrated with a magnetic field detection coil and a single substrate.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 기술하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 스퀴드 자력계의 등가회로도이다.1 is an equivalent circuit diagram of a squid magnetometer for explaining an embodiment of the present invention.
도 1장치 오른쪽의 이완발진 스퀴드는 신호스퀴드(1)와 기준접합(2)이 직렬로 연결되어 있고, 이와 병렬로 저항(3)과 인덕터(4)가 연결된다. 또한, 기준접합(2)에 연결된 직류전단증폭기(12)는 스퀴드의 출력을 검출하도록 연결된다. 즉, 직류인가전류(11)가 가해지면, 이완발진이 일어나며 1 GHz내외의 고주파 전압펄스가 발생되는데, 이때 기준접합(2) 양단에서 직류전단증폭기(12)를 사용하여 스퀴드 출력전압을 검출하면 시간평균된 직류전압을 측정할 수 있다. 출력전압은 신호스퀴드(1)에 가해지는 자속신호에 따라 변하며 자속-전압 변환계수가 종래의 스퀴드에 비해 10배 이상 크다. 따라서, 스퀴드 구동회로를 간단히 할 수 있다.The loose oscillating squid on the right side of Fig. 1 has a signal squid 1 and a reference junction 2 connected in series, and a resistor 3 and an inductor 4 are connected in parallel. In addition, a DC shear amplifier 12 connected to the reference junction 2 is connected to detect the output of the squid. That is, when a DC applied current 11 is applied, a relaxation oscillation occurs and a high frequency voltage pulse of about 1 GHz is generated. At this time, when the squid output voltage is detected by using the DC shear amplifier 12 across the reference junction 2, Time-averaged DC voltage can be measured. The output voltage changes depending on the magnetic flux signal applied to the signal squid 1 and the magnetic flux-to-voltage conversion coefficient is 10 times larger than that of the conventional squid. Therefore, the squid driving circuit can be simplified.
도 1장치 왼쪽의 코일은 검출코일(6), 입력코일(5) 및 2차측 귀환코일(7)로 된 자속변압기(8)로 구성된다. 즉, 측정하고자 하는 자장신호가 검출코일(6)에 가해지면 자속변압기(8)에는 전류(10)가 발생되는데, 외부자속 귀환방식을 이용하여 1차측 귀환코일(9)을 통해 자속변압기(8)의 전류(10)를 일정하게 유지시킴으로서 이웃한 채널간의 자기적 간섭을 없앤다.도 2는 집적화된 도 1스퀴드 자력계의 개략도이다.도시된 바와 같이, 본 발명의 스퀴드 자력계는 단일의 기판(15)상에 자장신호를 검출하는 자장검출코일(14)과 자장검출코일(14)로부터 검출된 자장신호에 의해 생체자기를 측정하는 이중이완발진 스퀴드 방식의 스퀴드(13)가 집적화되는 평면형 자력계를 사용함으로써 생체자기 측정의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.The coil on the left side of the apparatus consists of a magnetic flux transformer 8 consisting of a detection coil 6, an input coil 5 and a secondary side return coil 7. That is, when the magnetic field signal to be measured is applied to the detection coil 6, the current 10 is generated in the magnetic flux transformer 8, and the magnetic flux transformer 8 is formed through the primary feedback coil 9 using an external magnetic flux feedback method. By keeping the current 10 constant, the magnetic interference between adjacent channels is eliminated. FIG. 2 is a schematic diagram of the integrated FIG. 1 squid magnetometer. As shown, the squid magnetometer of the present invention is a single substrate (15). A planar magnetometer is used in which a magnetic field detecting coil 14 for detecting a magnetic field signal and a double relaxed squid type squid 13 for measuring a living body magnetic field are measured by the magnetic field signal detected from the magnetic field detecting coil 14. As a result, the reliability of the biomagnetic measurement can be improved.
이러한 집적화된 평면형 자력계를 이용한 실제의 실험결과치를 보면, 신호스퀴드(1)의 인덕턴스를 104 pH, 입력코일(5)의 인덕턴스를 37 pH로 하고, 검출코일(6)의 선폭이 0.5 mm이고 외변의 크기가 16 mm×10 mm이고, 인덕턴스가 40 nH로 하여, 평면형 자력계를 제작하여 외부자속 귀환방식으로 동작시켰을 때 100 Hz에서 3 fT/√Hz의 우수한 잡음특성을 얻는다.The actual experimental result using the integrated planar magnetometer shows that the inductance of the signal squid 1 is 104 pH, the inductance of the input coil 5 is 37 pH, and the line width of the detection coil 6 is 0.5 mm and the outer edge is With a size of 16 mm × 10 mm and an inductance of 40 nH, a planar magnetometer is fabricated and an excellent noise characteristic of 3 fT / √Hz at 100 Hz is obtained.
이러한 자력계로 구성된 기준채널과 신호채널의 개념을 도 3을 참조하여 설명한다.The concept of the reference channel and the signal channel composed of such a magnetometer will be described with reference to FIG. 3.
도 3에서 인체(16)로부터 발생되는 생체자장(17)만을 선택적으로 측정하기 위해 신호채널(20)을 인체에 가까이 배치시키고 기준채널(21)은 인체로부터 일정한 거리만큼 떨어지게 배치한다. 따라서, 신호채널(20)은 인체(16)로부터의 생체자장(17)과 외부잡음원(18)으로부터의 잡음자장(19)을 측정하며, 기준채널(21)은 외부잡음원(18)으로부터 잡음자장(19)을 측정한다. 따라서, 신호채널(20)의 자장측정값에서 기준채널(21)의 자장측정값을 빼면 생체자장(17)만을 측정할 수 있으므로 신호대 잡음비를 높일 수 있다.In FIG. 3, in order to selectively measure only the biological magnetic field 17 generated from the human body 16, the signal channel 20 is disposed close to the human body, and the reference channel 21 is disposed away from the human body by a predetermined distance. Accordingly, the signal channel 20 measures the biological magnetic field 17 from the human body 16 and the noise magnetic field 19 from the external noise source 18, and the reference channel 21 measures the noise magnetic field from the external noise source 18. Measure (19). Therefore, by subtracting the magnetic field measurement value of the reference channel 21 from the magnetic field measurement value of the signal channel 20, only the biological field 17 can be measured, thereby increasing the signal-to-noise ratio.
도 4는 다수의 자력계를 사용한 기준채널의 배치상태를 보여주고 있다.4 shows an arrangement of reference channels using a plurality of magnetometers.
기준채널(21)은 하나의 에폭시블럭(22)에 x, y, z방향으로 자력계(23, 24, 25)를 배치한다. 여기서는 3개의 에폭시블럭에 9개의 자력계를 배치한다. 기준채널(21)은 x, y, z방향의 자장값, 즉, Bx, By, Bz성분을 직접검출하는 자력계와 Bx, By, Bz성분을 측정하는 자력계들을 조합하여 dBx/dx, dBx/dy 또는 dBy/dx, dBy/dy, dBz/dx, dBz/dy성분을 측정하도록 소프트웨어 방법으로 5개의 미분계를 구성하여 사용한다. 미분계는 자장의 기울기를 측정하는 것으로, 일정거리만큼 떨어지게 배치된 두 지점에서의 자장값의 차이를 두 지점사이의 거리로 나눈 값을 미분값으로 정의 하는데, 예를들면, dBx/dx는 x성분의 두개의 자력계(23, 26)들의 값을 이들 사이의 거리로 나눈 값으로 정의하며 다른 임의의 미분값들에 대해서도 같은 원리가 적용된다. 따라서, 기준채널(21)로 이러한 미분계를 사용하므로 신호대 잡음비를 개선할 수 있다.The reference channel 21 arranges the magnetometers 23, 24, and 25 in one of the epoxy blocks 22 in the x, y, and z directions. Here, nine magnetometers are placed on three epoxy blocks. The reference channel 21 is a combination of a magnetometer directly detecting the magnetic field values in the x, y, and z directions, that is, B x , B y , and B z components, and a magnetometer measuring the B x , B y , and B z components. Five differential meters can be configured using software methods to measure x / dx, dB x / dy or dB y / dx, dB y / dy, dB z / dx and dB z / dy. Derivatives measure the gradient of a magnetic field, which is defined as the derivative of the difference between the magnetic fields at two points spaced apart by the distance between them, for example, dB x / dx The values of the two magnetometers 23, 26 of the x component are defined as the value divided by the distance between them, and the same principle applies to any other derivatives. Therefore, the signal-to-noise ratio can be improved by using such a differential meter as the reference channel 21.
따라서, 본 발명은 직류인가전류와 직류전단증폭기를 사용하는 이중이완발진 스퀴드 방식의 평면형 자력계를 사용함으로써 구동회로를 간단하게 구성할 수 있을뿐 아니라, 생체자기측정의 신뢰성을 높일 수 있으며 우수한 잡음특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.또한, 외부귀환방식을 사용함으로써 채널간 자기적 간섭을 없앨 수 있으며, 자력계 및 자력계들의 조합으로 된 소프트웨어 미분계를 기준채널로 사용하여 생체자기신호의 신호대 잡음비를 높일 수 있는 효과가 있다.Therefore, the present invention can not only easily configure the driving circuit by using the planar magnetometer of the double relaxation oscillation method using a DC applied current and a DC shear amplifier, but also increase the reliability of the biomagnetic measurement and provide excellent noise characteristics. In addition, by using the external feedback method, the magnetic interference between channels can be eliminated, and the signal-to-noise ratio of the biomagnetic signal can be increased by using a software differential meter composed of a magnetometer and magnetometer as a reference channel. It can be effective.
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