基于原子磁力計的meg系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及腦磁成像領域，尤其涉及使用光栗原子磁力計搭建的腦磁圖(Magnetoencephalography, MEG)系統(tǒng)及方法。
技術背景
[0002]腦磁圖(Magnetoencephalography，MEG)是一種通過測量神經(jīng)電流在頭外產(chǎn)生的磁場來推斷頭內(nèi)腦活動的無損腦功能，腦成像和腦疾病診斷的技術。腦磁圖的時間分辨率小于一毫秒，定位皮層活動的空間分辨率在2-4毫米左右。利用測量的腦磁場分布，在合適的源模型下，可以唯一的確定皮層上因受到刺激而產(chǎn)生活動的神經(jīng)元位置。腦磁圖可用以研究包括腦的自發(fā)和誘發(fā)活動在內(nèi)的多種腦神經(jīng)活動過程，在臨床上用以對癲癇病灶的定位。腦磁圖的研究對于人類認識腦，開發(fā)腦，治愈腦疾病都有重要的意義。
[0003]現(xiàn)有的腦磁圖，以超導量子干涉儀(Superconducting Quantum InterferenceDevices, SQUID)為核心器件。SQUID的探測靈敏度理論上可以達到lfT(10 15T)，實際商用的腦磁圖的探測靈敏度為2-3fT。用于探測磁場強度為50-500fT的腦磁場時，其測量的靈敏度是足夠的。但是SQUID需要工作在超導條件下，而超導條件的維持需要使用液氦來維持低溫，這導致現(xiàn)有的腦磁圖的采購成本和運行成本都非常昂貴，大大阻礙了腦磁圖的實際推廣應用。
[0004]在過去的幾十年中，有一種新型的探測磁場的儀器被發(fā)展起來，即光栗原子磁力計(Optical PumpingAtomic Magnetometer)。這類原子磁力計以一個充滿堿金屬氣體的小腔為核心，首先利用圓偏振的光使得里面的堿金屬原子整體極化，然后照射線偏振光，極化的堿金屬在外磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這使得探測光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過探測光的偏振的信息即可測得所處位置的磁場的強度。目前，原子磁力計可達到的精度為6fT，同時體積非常小，探頭的體積僅為10mm3，已經(jīng)可以取代SQUID作為MEG的核心器件。更進一步，原子磁力計有望通過合適的測量的手段，同時測得三維磁場矢量的信息，大大強于現(xiàn)有的SQUID的能力，有望使得腦磁儀獲得更高的空間分辨率和源定位準確度。最重要的是，基于原子磁力計的MEG可以在常溫下進行測量，僅僅需要在小范圍內(nèi)進行小功率的加熱(對蒸汽小腔進行加熱)，這樣，對比于需要用液氦降溫的基于SQUID的腦磁圖，采購和運行的成本將大大下降，有利于腦磁圖的推廣使用。
[0005]雖然目前對于原子磁力計的基礎技術驗證工作已經(jīng)完成，但并沒有成型的腦磁圖的產(chǎn)品或者實際可行的腦磁系統(tǒng)出現(xiàn)，或者說現(xiàn)有的對腦磁圖的設計在真正實用時尚存在一些問題，本發(fā)明將就基于原子磁力計搭建腦磁圖系統(tǒng)提出技術實現(xiàn)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供基于原子磁力計的MEG系統(tǒng)及方法，可用于腦磁圖的實際推廣使用。
[0007]以下為具體實現(xiàn)方案:
[0008]基于原子磁力計的MEG系統(tǒng)，包括:
[0009]腦磁帽，設有用于搭載原子磁力計的接口 ；
[0010]原子磁力計，包括:蒸汽小腔，雙線繞線柱，調(diào)制線圈，陀螺儀，光纖和反射鏡，所述蒸汽小腔中包含堿金屬氣體，所述雙線繞線柱用于通過電流對所述蒸汽小腔進行加熱，所述陀螺儀用于獲得原子磁力計的方向信息，所述調(diào)制線圈用于測量三維磁場，所述原子磁力計中包含的光路為激發(fā)光路和測量光路，所述測量光路為經(jīng)由光纖的入射光路、出射光路以及用反射鏡改變光傳播方向后的光路；每個原子磁力計上均單獨設有保溫裝置；
[0011 ] 法拉第旋光設備，位于入射到原子磁力計的入射光路上，用于調(diào)制探測光；
[0012]分光處理設備，位于從原子磁力計出射的出射光路上，用于對攜帶有信號的出射光進行處理；
[0013]所述原子磁力計，法拉第旋光設備和分光處理設備之間通過光纖相連接；
[0014]后續(xù)數(shù)據(jù)處理設備，用于根據(jù)獲得的三維矢量或者標量磁場的信息對腦磁發(fā)生源進行溯源和定位。
[0015]本發(fā)明以可測三維磁場的原子磁力計為基礎，設計了一個搭載磁力計陣列的腦磁帽。腦磁帽以不會產(chǎn)生電磁干擾的彈性材料制成(如纖維和硅膠等)能夠包住被試頭部，并且借助下頌處的彈性帶可以與被試頭部固定。腦磁帽有一定的伸縮特性，能夠適應不同頭型，并且使得被試感到舒適。
[0016]腦磁帽上密集排列磁力計的接口，可以方便地將磁力計插入。優(yōu)選地，接口的外形為方形，便于位置的確定和制造。
[0017]采用基準點定位方法確定腦磁帽上相應的原子磁力計的接口位置。
[0018]在每個(或者空間分布均勻且分散的多個)磁力計中加入陀螺儀，借助陀螺儀來獲得磁力計的指向，從而可以三維的磁場信息出發(fā)來進行腦磁源的定位。
[0019]腦磁帽上的原子磁力計僅僅包含有測量探頭的敏感元件以及部分必須的光路，而將激發(fā)用的激光、探測的激光、對激光進行分析處理的光路通過光纖來傳導，然后進行集中處理。具體的，本發(fā)明提出在入射的集成光路上加上用以調(diào)制探測光的法拉第旋光設備；并且對攜帶有信號的出射激光，我們采用集成化的分光處理設備，在一個比較大的光學元件并行地完成上百道光路的處理。
[0020]上述原子磁力計還包括磁場隔離層，該磁場隔離層由高磁導率材料制成。
[0021]在每個磁力計上均使用能滿足要求的保溫材料，即有足夠低的熱導率(在設計的時間內(nèi)能夠使蒸汽小腔的溫度保持足夠高的水平)，同時不會產(chǎn)生額外的電磁干擾的保溫材料，例如絕熱瓷層涂料。一方面，自然隔絕高溫，使得被試無灼燒感；另一方面，減小通電加熱的需求，使得測量更連續(xù)。
[0022]上述分光處理設備包括:光纖，分光棱鏡，光電二極管和鎖頻放大器，所述光纖用于傳導光信號，所述分光棱鏡用于照射到分光棱鏡上的光信號進行分光，所述光電二極管用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，所述鎖頻放大器用于提取調(diào)制信號。
[0023]在加載調(diào)制磁場以獲得待測磁場的三維信息的過程中，使用不同的調(diào)制的頻率，通過后期處理，可以有效地提取出當前位置的磁場的信息，將周圍的磁場的影響消除。優(yōu)選的，在使用不同頻率的調(diào)制磁場的時候只要讓鄰近的幾個磁力計有不同的頻率即可，距離比較遠的磁力計之間的影響無需再考慮。
[0024]采用上述MEG系統(tǒng)獲得腦磁圖的方法，包括以下步驟:
[0025]I)將腦磁帽戴到被試頭部，并根據(jù)實際測量需要選擇測量時使用的原子磁力計的位置，數(shù)量和密度，將原子磁力計插入相應的接口 ；
[0026]2)通過陀螺儀獲得各原子磁力計的方向信息，將這些方向信息作為參數(shù)，輸入后續(xù)數(shù)據(jù)處理設備中；
[0027]3)使用之前先將雙線繞線柱通電流將蒸汽小腔加熱到工作溫度；
[0028]4)切斷加熱電流，利用保溫裝置將各原子磁力計保持在工作溫度，并在激發(fā)光路中加入激發(fā)用的激光使得蒸汽小腔中的堿金屬原子激發(fā)而極化；
[0029]5)將經(jīng)過法拉第旋光設備調(diào)制的探測光通過光纖分多路傳導，分別加載到各原子磁力計的入射光路上進行測量，并利用分光處理設