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心磁图仪是测量人体心脏磁场信号并成像的新型医疗诊断设备,具有无接触、无辐射、完全无创、灵敏度高、早期诊断能力好等优点,对冠心病、心肌梗塞、心肌缺血等疾病具有很好的特异性。我们研制的基于低温超导量子干涉器(SQUID)的心磁图仪弥补了国内空白,有效地促进了国内心磁研究。
环境磁场一般比成人心脏磁场大5个量级,如何获得高信噪比的心磁信号是心磁测量的核心技术。本文研究了无磁屏蔽条件下的心磁测量技术——梯度计技术。硬件梯度计由于制作工艺、流程等原因存在不平衡性,这种不平衡性引入的环境磁场噪声比心磁信号大3个量级,需要额外的三轴磁强计构筑合成梯度计来进行补偿。
本文重点研究合成梯度计中使用的平面三轴磁强计。制作并改进了基于实验室设计的dc SQUID的平面磁强计,在无磁屏蔽环境中的磁场分辨率为0.5 pT/Hz左右,量程约为500 nT,可基本满足无屏蔽心磁测量的需求。通过提高反馈线圈与SQUID之间的耦合系数,如增加反馈线圈的电感、缩短反馈线圈与SQUID间的距离,将二者的耦合系数提高了10倍,磁强计的动态工作范围相应增大了10倍,并且对磁强计的噪声水平没有明显影响。研究了三轴平面磁强计之间的串扰,通过将读出电路中调制信号的时钟同步,使三轴磁强计能在环境磁场中长时间稳定工作;提高同轴的反馈线圈与SQUID之间的耦合系数后,不同轴向间磁强计的相对串扰减小了约10倍。
基于合成梯度计技术,搭建了无磁屏蔽条件下的4通道心磁图仪,包括4个通道的硬件梯度计和3轴磁强计。经标定,硬件梯度计的磁场电压转换系数约为0.67mV/pT,线性度高,基本不随磁场大小变化;不同硬件梯度计间的磁场电压转换系数的离散性小。在无磁屏蔽环境中,心磁图仪能分辨频率变化为1Hz到100 Hz、大小为l pT的磁场信号。使用无磁屏蔽心磁图仪进行了真人实验,得到了信噪比为26dB的心磁信号。