一种基于原子磁力计技术的心磁图仪.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 基金项目:北京市科技新星交叉合作课题()资助作者单位:首都医科大学附属北京安贞医院(北京)安贞医院未磁科技联合实验室(北京)北京航空航天大学(北京)北京未磁科技有限公司(北京)通信作者:宋现涛。:一种基于原子磁力计技术的心磁图仪屠琛琛,丁铭 蔡宾,刘琳琪 张欢 周墅杨舒雯 马钊 宋现涛,张宏家,摘 要 目的 提出一种基于原子磁力计技术的心磁图仪,为缺血性心脏病早期诊断提供全新工具。方法 基于原子磁力计技术的心磁图仪包含心磁信号测量模块、磁场屏蔽模块、心磁图仪机械结构模块、心磁信号数据处理模块以及人工智能辅助判读模块。其中,心磁信号测量模块基于原子磁力计技
2、术进行设计,为心磁测量的核心;磁场屏蔽模块采用被动磁屏蔽和主动磁补偿相结合;心磁图仪机械结构模块包括可移动检查床、支撑固定阵列式原子磁力计的无磁龙门以及其他外部结构;心磁信号数据处理模块采用微弱信号传输及处理技术;人工智能辅助判读模块采用具备时空自注意力机制的三维卷积神经网络。最后选取 例健康志愿者以及 例经冠脉造影证实存在冠脉重度狭窄的冠心病患者对心磁图仪的检测时间、图像处理时间、图像质量等进行验证。结果 健康志愿者和冠心病患者均获得清晰的心磁图,心磁图检测时间均为 ,图像处理时间分别为 和 。冠心病患者的心脏磁场分布图显示磁场角度为 ,伪电流密度图显示心脏磁场对应的电流流向在 峰顶点处最大
3、电流角度为,相较于健康志愿者均有大幅度的偏转。结论 基于原子磁力计技术的心磁图仪可快速、准确完成心磁图检测,对冠心病的早期诊断具有辅助价值。关键词 心磁图仪;原子磁力计;无创;无辐射;心血管病早期诊断:中图分类号 文献标志码 文章编号()本文著录格式 屠琛琛,丁铭,蔡宾,等 一种基于原子磁力计技术的心磁图仪北京生物医学工程,():,():,;,;,;,:(:)【】,;,;,【】;引言心磁图(,)是一种无损、无创、无辐射、无造影剂的心脏电磁功能检测技术。其原理是以高灵敏的多通道传感器阵列,于胸部上方记录心动周期中由心肌电活动产生的磁场(一般只有几十 量级,相当于地球磁场的百万分之一)并进行分析,
4、所获得的参数及图像可用于心血管病尤其是缺血性心脏病的辅助诊断。与临床最为常用的心电信号相比,心磁信号传输不会受到人体组织的干扰,因此 能够更加敏锐地捕获到心脏电活动产生的微弱磁场信号。同时由于磁场是矢量,可以同时采集心脏涡状电流和切向电流产生的磁场,相较于心电图具有更加丰富的信息,能够更加准确、灵敏地探测心肌细胞电活动异常。国内外也有许多团队利用 开展了相关研究,证实了其在心肌缺血、心律失常、心肌病等方面的临床应用价值。技术迄今已发展近 年,最早应用于临床的是超导式心磁图仪。世纪 年代,超导量子干涉仪技术由于其可以检测心脏电活动产生的微弱磁场,显著提升了心磁图仪的灵敏度。一直到 世纪 年代,单
5、通道的超导式心磁图仪问世,通过连续测量同一患者不同位置的心脏磁场组成 图像,随后出现了多通道的超导式心磁图仪,国内外各个团队开展了大量的临床研究以探索其临床应用价值。早期的超导式心磁图仪设备需要配备高标准的磁屏蔽房以排除外界磁场干扰,并需要不断提供液氦制冷以维持低温运行,因此设备造价高、维护费用高,同时由于通道数的限制需要移动多次以完成心磁检测,检测时间较长,限制了其广泛应用于临床。为了降低成本,增强易用性,目前已有的商用超导式心磁图仪普遍不搭配磁屏蔽房使用,导致了设备在采集心脏磁场的过程中容易被周边磁场所干扰,比如医院复杂环境下的电梯、大型设备等的干扰。相比于超导式心磁图仪,原子磁力计心磁图
6、仪不仅具有超高的磁场测量灵敏度,还能够实现常温运行,无需昂贵的液氦维护,并且自身配备了低成本轻量化磁屏蔽装置,从而在良好的磁屏蔽测试环境下保证相对较高检测质量的同时,还大幅降低了设备维护和使用成本,为心磁图仪的临床应用及大规模推广使用奠定了重要基础。美国 公司于 年推出了首台原子磁力计心磁图仪,实现了基于原子磁力计技术的无液氦心磁第 期 屠琛琛,等:一种基于原子磁力计技术的心磁图仪图仪系统,扫描总时长缩短至 ,并已用于缺血性心脏病的检查。国内基于原子磁力计的心磁图仪研究大多集中于高校和科研院所,尚未见成熟的临床应用,对于原子磁力计心磁图仪核心测量模块的灵敏度和串扰问题,以及在复杂医疗环境中磁场
7、干扰抑制等关键科学问题均未解决。因此,急需突破以上关键问题,研制具有国产知识产权的原子磁力计心磁图仪,打破国外技术垄断,加快我国高端医疗器械装备国产化进程。针对心磁图仪临床应用的迫切需求以及目前国内外研究中尚未解决的问题,本文提出一种基于原子磁力计技术的心磁图仪,以期为心血管疾病辅助诊断提供全新工具。系统设计原子磁力计心磁图仪系统主要包括心磁信号测量、磁场屏蔽、心磁图仪机械结构、心磁信号数据处理以及人工智能辅助判读 个模块,如图 所示。其中,心磁信号测量模块位于患者胸部上方,主要功能为测量心脏磁场信号;磁屏蔽模块围绕患者检查空间,用于屏蔽磁场噪声,提供良好的测试环境;心磁图仪机械结构模块用于给
8、患者提供检查床、龙门等支撑结构;心磁信号数据处理模块以及人工智能辅助判读模块位于检查床一侧,用于心磁图仪的控制、数据处理及智能辅助判读。图 原子磁力计心磁图仪系统结构 心磁信号测量模块心磁信号测量模块主要由阵列式原子磁力计及多通道控制系统组成。通过多通道控制系统控制阵列式原子磁力计协同工作,实现对心脏磁场信号的测量。原子磁力计技术主要包括抗弛豫碱金属气室、电子自旋精密操控、高精度自旋进动信号检测、多物理场噪声抑制 个部分。()抗弛豫碱金属气室是原子磁力计的核心器部件,其性能直接决定了原子磁力计的核心性能。将铷 碱金属原子及缓冲气体氮气冲入玻璃气室中,并在玻璃气室内部镀抗弛豫涂层,制成抗弛豫碱金
9、属气室。()电子自旋精密操控采用窄线宽激光器照射碱金属气室实现,窄线宽激光器波长为 ,对应铷原子 线,线宽小于 ,实现碱金属原子的高效极化。()自旋进动信号检测同样采用窄线宽激光器实现,即检测窄线宽激光器通过被极化的碱金属原子后偏振角度的变化,实现自旋进动信号的精密检测。()多物理场噪声抑制是通过对外界光噪声、机械振动噪声、磁场梯度噪声等各种噪声源建立噪声与电子自旋系综相互作用模型,通过研究各种噪声对原子自旋磁场测量的影响机制,确定噪声来源及相对权重,从而实现对多物理场噪声的抑制。同时,通过同步多通道原子磁力计的控制信号,结合相位调制解调、高增益低噪声信号放大等技术,实现阵列式原子磁力计的无串
10、扰协同工作。系统采用 通道原子磁力计组成心磁信号测量模块,采用国际通用的原子磁力计测量方法,通道原子磁力计灵敏度测试结果均小于 。心磁图仪磁场屏蔽模块具有极低剩磁和磁噪声的测试环境是实现心磁信号灵敏检测,保证诊断准确率的重要前提。本研究主要从被动磁屏蔽及主动磁补偿两个方面对心磁图仪的磁场屏蔽模块进行设计及研制。在被动磁屏蔽技术方面,一方面,通过对低噪声磁屏蔽磁材料如、等软磁合金的成分和结构对性能的影响进行研究和测试,选取合适参数的材料,研制低导电、高导磁的软磁材料;同时针对低噪声磁屏蔽材料,采用程控消磁方法保障其使用过程中的屏蔽性能。另一方面,对磁屏蔽结构进行优化设计,采用高屏蔽因子 层坡莫合
11、金材料磁屏蔽层减小剩磁,实现心磁测量区域剩磁小于,磁噪声小于 。在心磁测量过程中,由于医疗环境中磁场环境北京生物医学工程 第 卷复杂,周围用电器件均会产生磁场干扰,从而使得磁屏蔽内部剩磁产生漂移。为了进一步降低磁屏蔽系统中的磁场,并且实时补偿外部环境带来的磁场干扰,设计由高精度三维补偿线圈、电流源与控制器组成的高性能三轴主动磁补偿系统。设计与屏蔽系统尺寸相当的鞍形线圈和亥姆霍兹线圈,获得较大的磁场均匀区。同时采用原子磁力计结合交叉调制三维磁场测量技术,获取外界磁场在原子磁力计处的剩磁大小,通过控制器补偿算法驱动三轴磁补偿线圈实现原位磁补偿。心磁图仪机械结构模块心磁图仪机械结构设计主要包括患者躺
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