[发明专利]零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法与系统

说明书

本发明的一个技术方案是提供了一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法。本发明的另一个技术方案是提供了一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量系统。本发明使用能够工作在大磁场范围的TMR传感器作为系统的辅助输入，在检测区域内磁场被抵消到较小范围内，再将系统的输入切换为高灵敏度磁场传感器，以此保证零场OPM传感器能正常工作；本发明提供了一种三轴高精确度磁场抵消系统，在其中搭建了能够抵消环境中任意方向外磁场的线圈系统；本发明提供的配合传感器工作的磁场抵消方法及系统具有高准确度，能够准确抵消对应方向上的外磁场，并且本发明提供的抵消方法及系统的输出具有长时间输出稳定性，保证传感器在磁场抵消区域能长时间连续工作。

技术领域

本发明涉及一种基于磁阻(下文简称“MR”)传感器辅助反馈的零场光泵原子磁力仪(下文简称“OPM”)弱磁场测量方法以及测量系统。

背景技术

以脑磁信号检测为代表的生物弱磁信号测量在疾病诊断和神经科学研究等领域有着广泛的应用。据相关文献报道人脑进行正常生命活动过程中，产生的磁场信号强度仅有几百fT(10^-15T)，因此需要采用极灵敏的弱磁探测传感器才能测量到此微弱信号。目前用于人脑磁场信号测量的传感器主要有超导量子干涉器件(下文简称“SQUID”)和OPM。相较于SQUID，OPM传感器成本更低，便携性更好，是当前正在快速发展的一类生物弱磁信号传感器。为了提高OPM传感器的灵敏性，需要让其工作在无自旋交互弛豫状态(SERF)，SERF磁力仪需要工作在零磁场环境。较大的剩余磁场会导致传感器灵敏度降低甚至不能正常工作，普遍存在的地磁场和以工频50Hz为代表的电磁干扰会影响传感器的正常工作，因而需要采用特定的技术手段获取零磁场环境。

为了获得零磁场环境，方法之一是使用高磁导率的金属材料屏蔽外界磁场，另外，也可采用主动屏蔽的方法，用线圈来产生磁场来抵消外界磁场。Jing Wang等人在对OPM传感器进行测量过程中，使用4层圆柱形金属材料制作的磁屏蔽桶对外磁场进行屏蔽，噪声谱的数据表明磁屏蔽桶对20Hz的噪声和其高次谐波噪声有较为明显的抑制作用。Jian-JunLi等人使用磁屏蔽材料制作5层结构的磁屏蔽桶，将桶内的剩场大小降低至1nT左右，但是由于屏蔽桶尺寸有限，受试者无法进入桶内，因此只能使用梯度线圈对桶内的OPM传感器施加模拟信号。SMorales等人在实验室环境中，分别使用直径为1.5m的圆柱形五层屏蔽桶和两层被动式磁屏蔽室对OPM传感器进行测试，在这两种情况下测得剩余磁场大小均在20至30nT，屏蔽效果不理想。Philip J.Broser等人使用造价昂贵的磁屏蔽室，在其中使用多通道OPM磁传感器对受试者的手掌部肌肉磁场信号进行测量，作者提出在后续希望使用低成本的且尺寸能够包裹手掌和手臂的磁屏蔽盒进行实验，以此来降低成像实验的成本。ElenaBoto等人在磁屏蔽室中，利用OPM传感器阵列测量人脑磁场信号，在屏蔽室中的传感器输出幅值波动小于5pT，且噪声信号的主要频率出现在33Hz和50Hz。

Chin-Hsuan Lin等人在实验室内使用OPM传感器对受试者睁眼和闭眼产生的脑磁信号进行测试，作者在实验室中利用两组相互平行的线圈板，在空间中构建了大小为40cm*40cm*40cm的磁场均匀区，并在传感器内部增加了三轴磁场抵消线圈，最大能够抵消磁场。Amir Borna等人利用长度269cm、外直径140cm的圆柱形多层磁屏蔽桶，将被测试对象和OPM传感器阵列包裹在腔体内实现对外磁场的屏蔽，屏蔽桶内的剩场大小约1nT，屏蔽桶内侧固定有磁场抵消线圈，以减小桶内的剩余磁场，此方法需要受试者平躺于圆桶内，可能会产生幽闭恐惧症等心理影响。

应用于生物弱磁场检测系统的外界磁场抵消方法需要解决以下问题：

(1)在较大剩场条件下，零磁场OPM传感器无法正常工作。零场OPM传感器需工作在无自旋交互弛豫状态，要求工作环境近似为零磁场环境，较大的剩余磁场会导致传感器灵敏度降低甚至不能正常工作。而且为了减少低频噪声的影响，零场OPM通常采用交流调制方式，在交流调制下，OPM的输出信号和外加磁场是非单调的，因此，如果使用OPM传感器自己的输出做反馈，系统有可能进入正反馈状态，不能达到反馈抵消磁场的状态。