基于squdc的平面三軸磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)

基于squdc的平面三軸磁強(qiáng)計(jì)設(shè)計(jì)

1噪聲抑制方案心磁圖儀是一種測量心臟磁強(qiáng)成像的醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備。與傳統(tǒng)的心電圖儀相比，心電圖儀不需要電極。這是完全獨(dú)立測量的。它具有無接觸、無輻射、無傷口、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。臨床研究表明，心磁圖儀對冠狀動(dòng)脈粥樣硬化、心肌缺血具有良好的特異性，具有良好的臨床應(yīng)用價(jià)值和市場前景。人體心臟磁場信號非常微弱,典型強(qiáng)度為數(shù)十個(gè)皮特斯拉(～10～10T),而環(huán)境磁場如地球磁場的強(qiáng)度為幾十個(gè)微特斯拉(～10～5T),因此環(huán)境噪聲抑制一直是心磁測量中的關(guān)鍵技術(shù)難題.目前,常用的噪聲抑制方案有使用磁屏蔽室、梯度計(jì)和先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)等.磁屏蔽室直接有效,但造價(jià)昂貴,極大地限制了心磁圖儀的發(fā)展和推廣.相比磁屏蔽室,梯度計(jì)和數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用更加靈活.在無屏蔽環(huán)境中,主要采用梯度計(jì)技術(shù),結(jié)合數(shù)字信號處理進(jìn)行噪聲抑制.梯度計(jì)包含大小相同、方向相反的兩個(gè)或多個(gè)線圈,它將磁場耦合成磁通,能夠大幅度地衰減遠(yuǎn)距離的磁場源信號,而對近距離的磁場源信號影響不大.一般情況下,環(huán)境磁場如地磁場、城市噪聲等都是遠(yuǎn)場源,被測的心臟磁場是近場源,所以理想梯度計(jì)能很好地抑制環(huán)境噪聲,獲取微弱的心磁信號.但是常用的硬件梯度計(jì)是手工繞制而成,由于繞制工藝、繞制經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)不對稱等原因不可避免地存在誤差面積,導(dǎo)致引入空間中各個(gè)方向的噪聲信號.為了進(jìn)一步地抑制噪聲,需要三軸磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償.具體實(shí)現(xiàn)方法是用三軸磁強(qiáng)計(jì)與硬件梯度計(jì)構(gòu)筑軟件梯度計(jì),即利用磁強(qiáng)計(jì)和梯度計(jì)輸出信號具有空間相關(guān)性,采用軟件算法如最小二乘法、自適應(yīng)濾波算法等,從硬件梯度計(jì)輸出信號中扣除噪聲信號,得到接近理想梯度計(jì)的輸出.目前三軸磁強(qiáng)計(jì)主要有線繞型和平面型兩種,二者都能取得好的補(bǔ)償效果.線繞型磁強(qiáng)計(jì)采用外置的感應(yīng)線圈與SQUID連結(jié),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,正交性難以保證;而平面型磁強(qiáng)計(jì)將輸入線圈集成到磁強(qiáng)計(jì)中,加工精度高,體積小,集成度高,具有明顯優(yōu)勢.本文利用低溫直流SQUID(LTcdcSQUID)設(shè)計(jì)制作了平面三軸磁強(qiáng)計(jì),并研究了平面三軸磁強(qiáng)計(jì)的噪聲水平、串?dāng)_和工作穩(wěn)定性,成功將其應(yīng)用于心磁測量,得到了高信噪比的心磁信號.2磁強(qiáng)計(jì)存儲(chǔ)的串?dāng)_問題本文使用集成了輸入線圈的SQUID芯片制作平面磁強(qiáng)計(jì),輸入線圈面積為500×500μm2.將SQUID芯片粘貼在印制電路板上并壓焊導(dǎo)線,再通過低溫雙絞線與磁通調(diào)制式讀出電路相連.圖1是磁強(qiáng)計(jì)工作于鎖定狀態(tài)下的原理圖.輸入線圈將被測磁場與SQUID耦合,形成磁通,SQUID將磁通變化轉(zhuǎn)換為電壓變化,由讀出電路輸出,實(shí)現(xiàn)了被測磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的過程.輸出電壓通過反饋線圈在SQUID內(nèi)產(chǎn)生負(fù)反饋磁通,保持SQUID環(huán)內(nèi)磁通不變.在無磁屏蔽環(huán)境中,環(huán)境磁場的波動(dòng)較大,由于SQUID非常靈敏,磁強(qiáng)計(jì)會(huì)經(jīng)常溢出量程,所以為了使磁強(qiáng)計(jì)較長時(shí)間穩(wěn)定工作,在不影響分辨率的情況需要盡可能增大它的量程.設(shè)反饋線圈與SQUID的互感系數(shù)為Mfeedback,外界磁場在SQUID環(huán)中形成的磁通大小為Φe,鎖定輸出電壓Vlock.在鎖定狀態(tài)下,反饋線圈在SQUID環(huán)內(nèi)耦合的磁通大小等于SQUID環(huán)內(nèi)的外部磁通Φe,即有VlockRfeedbackMfeedback=Φe(1)Vlock=ΦeMfeedbackRfeedback(2)VlockRfeedbackΜfeedback=Φe(1)Vlock=ΦeΜfeedbackRfeedback(2)由式(2)知,當(dāng)反饋電阻Rfeedback一定時(shí),鎖定輸出電壓與互感系數(shù)Mfeedback成反比.即外部磁通保持不變時(shí),互感系數(shù)的越大,輸出電壓越小即磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)越小,則磁強(qiáng)計(jì)量程就越大.實(shí)驗(yàn)中,通過設(shè)計(jì)不同反饋線圈匝數(shù)、調(diào)整反饋線圈和SQUID間的距離來改變互感Mfeedback,比較了不同磁強(qiáng)計(jì)的磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)和磁場分辨率.在保證磁強(qiáng)計(jì)穩(wěn)定工作的條件下,將三個(gè)磁強(qiáng)計(jì)固定在立方體的三個(gè)相互垂直的表面上,制作了三軸磁強(qiáng)計(jì),如圖2所示.其中立方體的尺寸為12mm×12mm×18mm,采用環(huán)氧樹脂材料,在低溫下收縮小,且不會(huì)帶入額外的噪聲.三軸磁強(qiáng)計(jì)測量環(huán)境磁場的三維分量,通過調(diào)整三軸磁強(qiáng)計(jì)的空間位置來補(bǔ)償硬件梯度計(jì)的誤差面積引入的噪聲.由于平面三軸磁強(qiáng)計(jì)的體積小,三個(gè)磁強(qiáng)計(jì)的空間距離較近,不可避免地存在串?dāng)_.串?dāng)_不僅影響磁強(qiáng)計(jì)的正常工作,而且使磁強(qiáng)計(jì)輸出信號帶入額外的噪聲.圖3給出了磁強(qiáng)計(jì)間串?dāng)_的示意圖.定義每個(gè)通道中的反饋線圈與SQUID間的互感為自耦系數(shù),與其它通道SQUID間互感為互耦系數(shù).在磁屏蔽環(huán)境中,給磁強(qiáng)計(jì)輸入一個(gè)磁通量子Φ0的信號,讀出電路輸出的鎖定信號為VLock,那么自耦系數(shù)可表示為MX?VLockRfeedback=Φ0(3)ΜX?VLockRfeedback=Φ0(3)其中,MX為X軸的反饋線圈與SQUID的自耦系數(shù).如果給Y軸的反饋線圈輸入電流,該線圈與X軸的SQUID也會(huì)有感應(yīng),記X軸的輸出電壓為V.X軸磁強(qiáng)計(jì)在一個(gè)Φ0輸出電壓為VLock,可得互耦系數(shù)關(guān)系式VinRinMYX=VVLockΦ0(4)VinRinΜYX=VVLockΦ0(4)其中,MYX為Y軸磁強(qiáng)計(jì)的反饋線圈與X軸磁強(qiáng)計(jì)的SQUID的互耦系數(shù),其它的耦合系數(shù)依次類推.通過標(biāo)定耦合系數(shù),可定量分析串?dāng)_情況.3反饋圈與sqnus間的互感分析圖4(a)為磁強(qiáng)計(jì)的噪聲功率譜測量結(jié)果,兩條曲線分別是磁強(qiáng)計(jì)在屏蔽室內(nèi)外典型的磁通噪聲功率譜.在屏蔽室外,由于低頻震動(dòng)噪聲和電器噪聲等干擾,磁強(qiáng)計(jì)在10Hz～100Hz頻段內(nèi)有些毛刺,但白噪聲水平相當(dāng).為了研究增大反饋線圈與SQUID的互感系數(shù)是否對磁強(qiáng)計(jì)的噪聲產(chǎn)生影響,設(shè)計(jì)了不同匝數(shù)反饋線圈的磁強(qiáng)計(jì),并測量其磁通噪聲功率譜,如圖4(b)所示.圖4(b)中1匝反饋線圈的磁強(qiáng)計(jì)的磁通電壓轉(zhuǎn)換率4V/Φ0,12匝線圈的磁強(qiáng)計(jì)的磁通電壓轉(zhuǎn)換率0.45V/Φ0,但是兩者的磁通白噪聲水平相同.可見增加反饋線圈匝數(shù)增大了反饋線圈與SQUID間的互感,降低了磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù),但是磁強(qiáng)計(jì)的噪聲水平不變.我們測量了一組平面三軸磁強(qiáng)計(jì)的電壓噪聲、磁通噪聲、磁場噪聲,測量結(jié)果見表1.磁強(qiáng)計(jì)的磁場分辨率約為0.1pT/√Hz,完全滿足心磁測量要求.圖5給出了平面三軸磁強(qiáng)計(jì)的串?dāng)_測量結(jié)果.圖5(a)比較了縮短反饋線圈與SQUID間距離前后的自耦系數(shù).改進(jìn)前的反饋線圈置于磁強(qiáng)計(jì)的印制電路板背面,反饋線圈與SQUID相距較遠(yuǎn),互感不夠;改進(jìn)后,在電路板上開孔,將反饋線圈之間置于其中,緊貼在SQUID背面,縮短了反饋線圈與SQUID間的距離.從圖5(a)中可以看到,通過縮短距離,反饋線圈與SQUID的互感提高了10倍左右.由式(2)知,磁強(qiáng)計(jì)的量程相應(yīng)提高了10倍.同時(shí)由于自耦系數(shù)的提高,互耦系數(shù)與自耦系數(shù)的比值也減小了.圖5(b)給出了改進(jìn)后,磁強(qiáng)計(jì)的反饋線圈與其它軸SQUID互感與本軸SQUID互感的比值在0.1%以下,說明平面三軸磁強(qiáng)計(jì)的串?dāng)_很小,可以近似忽略.圖6給出了三軸平面磁強(qiáng)計(jì)在無屏蔽環(huán)境中長時(shí)間工作的波形圖.將改進(jìn)后的平面三軸磁強(qiáng)計(jì)集成到無屏蔽心磁圖儀系統(tǒng)中.圖7(a)是心磁圖儀采集的健康志愿者的原始信號,包含3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)參考通道和4個(gè)梯度計(jì)信號通道的輸出信號.經(jīng)過軟件梯度計(jì)算法、平均處理,得到了高信噪比信號,對心磁圖儀系統(tǒng)進(jìn)行電壓-磁場轉(zhuǎn)換系數(shù)標(biāo)定,得到圖7(b)所示的心磁信號.4通過反饋圈和電子梯度計(jì)測試,增加了反饋圈,保證了反饋圈我們設(shè)計(jì)制作了應(yīng)用于無屏蔽心磁圖儀的平面三軸磁強(qiáng)計(jì),其噪聲水平完全