基于迈斯纳效应的二阶梯度计不平衡度调节方法.pdf

2 0 2 3年 第3 7卷 第4期测 试 技 术 学 报V o l.3 7 N o.4 2 0 2 3(总第1 6 0期)J O U R N A L O F T E S T A N D M E A S U R E M E N T T E C H N O L O G Y(S u m N o.1 6 0)文章编号:1 6 7 1-7 4 4 9(2 0 2 3)0 4-0 3 1 6-0 7 基于迈斯纳效应的二阶梯度计不平衡度调节方法汤苏晋1,封 燮2,王睿奇1,邢 彪1,段俊萍1,张斌珍1(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 0 3 0 0 5 1;2.苏州卡迪默克医疗器械有限公司,江苏 苏州 2 1 5 0 0 0)摘 要:基于超导量子干涉器的磁场梯度计可在无磁屏蔽的噪声环境中测得高信噪比信号,可检测p T量级的心脏磁场。通过推导超导环与二阶梯度计天线的互感耦合关系,建立三维静磁场仿真模型,模拟得出超导环对梯度计不平衡度的调节范围为-0.7 3 0.7 8。平衡后的梯度计可有效抑制0.0 3 1 H z 1 0 H z频率范围内环境噪声的谐波分量。梯度计在无磁屏蔽环境中测量得到4 2.6 4 d B高信噪比的心磁信号,验证了超导环平衡方法的可靠性。关键词:超导量子干涉器;二阶梯度计;迈斯纳效应;不平衡度中图分类号:TM 9 3 6.2 文献标识码:A d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 6 7 1-7 4 4 9.2 0 2 3.0 4.0 0 7A d j u s t m e n t M e t h o d o f I m b a l a n c e D e g r e e o f S e c o n d O r d e r G r a d i o m e t e r B a s e d o n M e i s s n e r E f f e c tT A N G S u j i n1,F E N G X i e2,WA N G R u i q i1,X I N G B i a o1,D UA N J u n p i n g1,Z HA N G B i n z h e n1(1.K e y L a b o r a t o r y o f I n s t r u m e n t a t i o n S c i e n c e&D y n a m i c M e a s u r e m e n t,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n 0 3 0 0 5 1,C h i n a;2.S u z h o u M a g n e t o c a r d i o g r a p h y C o.,L t d,S u z h o u 2 1 5 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e m a g n e t i c f i e l d g r a d i o m e t e r b a s e d o n t h e s u p e r c o n d u c t i n g q u a n t u m i n t e r f e r e n c e d e v i c e c a n m e a s u r e h i g h s i g n a l-t o-n o i s e r a t i o s i g n a l s i n n o i s y e n v i r o n m e n t s w i t h o u t m a g n e t i c s h i e l d i n g,a n d c a n d e t e c t t h e c a r d i a c m a g n e t i c f i e l d o f p T m a g n i t u d e.B y d e d u c i n g t h e m u t u a l i n d u c t a n c e c o u p l i n g r e l a t i o n-s h i p b e t w e e n t h e s u p e r c o n d u c t i n g r i n g a n d t h e s e c o n d-o r d e r g r a d i o m e t e r a n t e n n a,a t h r e e-d i m e n s i o n a l s t a t i c m a g n e t i c f i e l d s i m u l a t i o n m o d e l i s e s t a b l i s h e d.T h e s i m u l a t i o n s h o w s t h a t t h e a d j u s t m e n t r a n g e o f t h e s u p e r c o n d u c t i n g r i n g t o t h e i m b a l a n c e o f t h e g r a d i o m e t e r i s-0.7 3 0.7 8.T h e b a l a n c e d g r a d i o m e-t e r c a n e f f e c t i v e l y s u p p r e s s t h e h a r m o n i c c o m p o n e n t o f e n v i r o n m e n t a l n o i s e i n t h e f r e q u e n c y r a n g e o f 0.0 3 1 H z 1 0 H z.A h i g h s i g n a l-t o-n o i s e r a t i o c a r d i a c m a g n e t i c s i g n a l o f 4 2.6 4 d B w a s m e a s u r e d b y g r a d i o m e t e r i n a n e n v i r o n m e n t w i t h o u t m a g n e t i c s h i e l d,w h i c h v e r i f i e d t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s u p e r c o n-d u c t i n g r i n g b a l a n c e m e t h o d.K e y w o r d s:s u p e r c o n d u c t i n g q u a n t u m i n t e r f e r e n c e d e v i c e;s e c o n d o r d e r g r a d i o m e t e r;M e i s s n e r e f f e c t;i m b a l a n c e0 引 言据统计,我国心血管病患者人数高达3 3亿。自2 0 2 1年以来,急性心肌梗死死亡率呈快速上升趋势1。传统的多导联心电图(E l e c t r o c a r d i o g r a m,E C G)对心肌梗死的漏诊率达到了4 0%2。相较于收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 8 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 5 5 5 5);山西省回国留学人员科研资助项目(2 0 2 2-1 4 3)作者简介:汤苏晋(1 9 9 7-),男,硕士生,主要从事生物微弱磁场检测研究。E-m a i l:6 4 4 8 1 3 8 7 9 q q.c o m。E C G在体表间接检测的心电信号,心磁信号不受身体传导组织影响,蕴含更完整的心脏离子电流空间构型 信 息3。心 磁 图 仪(M a g n e t o c a r d i o g r a p h y,M C G)利用1 0-1 5 T/H z1/2灵敏度的超导量子干涉器(S u p e r c o n d u c t i n g Q u a n t u m I n t e r f e r e n c e D e v i c e,S Q U I D)对心磁信号进行非接触、非侵入检测4。心磁信号的强度为几十p T(1 0-1 2 T),极易被数百n T(1 0-9 T)的环境噪声淹没。高磁导率坡莫合金制成的磁屏蔽室可有效抑制环境噪声,但磁屏蔽室造价昂贵,可移动性差,不利于心磁信号的临床检测。M C G系统利用梯度计可实现在无磁屏蔽环境中测量高信噪比的心磁信号5-6。不平衡度是衡量梯度计线圈一致性的参数。手工绕制铌线、支撑体机械公差等因素均导致各线圈的有效面积存在误差,梯度计输出信号包含环境噪声的寄生磁通分量。在匀强磁场变化量为2 0 0 n T的情况下,1%的不平衡度可将心磁信号完全淹没7-8。调节梯度计不平衡度对于测量高信噪比心磁信号具有重要意义。学术上常用超导状态的金属薄膜调节梯度计不平衡度。根据超导迈斯纳效应,金属薄膜周围的磁场发生畸变,导致通过梯度计线圈的磁通量变化,可有效降低不平衡度9。K u b o t a等1 0利用径向移动的铌制薄膜调节一阶梯度计不平衡度,通过在常温至液氦温区下反复调节铌膜位置,降低梯度计输出噪声。但温度循环导致梯度计天线结构改变,该平衡方法稳定性差。M i n o v等1 1利用互相正交的3个超导环调节二阶梯度计不平衡度。通过机械传动结构在液氦中控制超导环移动,梯度计无需经历温度循环,天线结构保持稳定。但3个超导环需要依次移动,平衡迭代时间过长,该方法不利于调节多通道MC G梯度计的不平衡度。针对上述问题,本文研究一种调节二阶梯度计不平衡度的超导环。首先,对平衡原理分析,建立超导环与梯度计线圈的互感耦合关系,确定平衡条件。其次,利用有限元软件建立的三维静磁场模型对耦合系数仿真分析,确定超导环的零点点位与平衡点位。最后,通过平衡调节实验与心磁测量实验验证超导环平衡方法的可行性。1 不平衡度调节的原理分析1.1 二阶梯度计构型 二阶梯度计由天线模块与S QU I D模块组成1 2,图 1 为二阶梯度计的结构。图 1 二阶梯度计结构示意图F i g.1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e s e c o n d o r d e r g r a d i o m e t e r天线模块中4个线圈以差动式结构反向串连,固定于支撑体上。定义线圈1的电流方向为正向,通过天线的磁通总量为=r=4r=1r=1-2-3+4,(1)式中:r为穿过各线圈的磁通量,r=BrSr,(2)式中:Br为穿过线圈的磁感应强度;Sr为线圈的有效面积。完全平衡的梯度计中,各线圈有效面积相等,在均匀磁场的输出磁通为零。支撑体机械加工等误差导致各线圈的有效面积存在差异性,天线输出寄生磁通g。将不平衡度g定义为g=gr。(3)S QU I D模块由S QU I D传感器和输入线圈组成,输入线圈将天线测量的磁信号耦合到S QU I D超导环路中。1.2 基于迈斯纳效应的超导平衡原理分析设计一种大小、形状与梯度计线圈一致的超导环,将超导环安装至线圈1与线圈2之间,使其在基线范围移动。基于迈斯纳效应,超导环使线圈周围磁场发生畸变1 3。将超导环引入天线的磁通定义为补偿磁通p。当满足式(4)时,补偿磁通与寄生磁通大小相等,方向相反,此时梯度计为平衡状态。p+g=0。(4)可将p定义为与式(3)对称的形式p=pr,(5)式中:p为超导环引入梯度计的补偿系数。由式(3)式(5)联立可知,梯度计达到衡平状态时,p=-g。(6)根据文献1 1 可知713(总第1 6 0期)基于迈斯纳效应的二阶梯度计不平衡度调节方法