湯蘇晉,封 燮,王睿奇,陳銘遠(yuǎn),張斌珍*,段俊萍
(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,山西 太原 030051;2.蘇州卡迪默克醫(yī)療器械有限公司,江蘇 蘇州 215000)
作為超高靈敏度的磁傳感器,超導(dǎo)量子干涉器(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)可以探測(cè)10-15T/Hz1/2的微弱磁場(chǎng)[1],因此SQUID 被廣泛用于微弱生物磁信號(hào)的檢測(cè)。在心磁測(cè)量領(lǐng)域,多通道SQUID 的心磁圖儀(Magnetocardiography,MCG)系統(tǒng)以無輻射、非接觸和無創(chuàng)的方式檢測(cè)由心臟活動(dòng)產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)。心磁和心電信息都來源于心臟細(xì)胞間的離子電流。心電圖(Electrocardiogram,ECG)測(cè)得的心電信號(hào)受人體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電介質(zhì)的影響較大。與身體組織中的傳導(dǎo)電流相比,心磁信號(hào)傳播至體外形成空間分布,該信號(hào)受電導(dǎo)變化的影響小。MCG 通過分析心臟中離子電流的空間配置進(jìn)行等磁圖(Magnetic Field Maps,MFM)重構(gòu)、電流密度向量分布及偶極子模型的逆向求解[2-3],對(duì)早期心臟疾病的篩查有重要意義。各種臨床研究已經(jīng)表明,MCG 對(duì)靜息時(shí)心肌缺血的敏感性優(yōu)于ECG[4]。
磁場(chǎng)-電壓傳輸系數(shù)(VCAL/BCAL)表征SQUID 的傳輸能力。梯度計(jì)機(jī)械誤差、電感失配、SQUID 讀出電路的差異等因素均可能影響磁場(chǎng)-電壓傳輸系數(shù)。為了精準(zhǔn)測(cè)量心臟磁場(chǎng),正確標(biāo)定SQUID 的傳輸系數(shù)非常重要。文獻(xiàn)[5]提出通電線圈標(biāo)定法,該團(tuán)隊(duì)通過設(shè)置長(zhǎng)導(dǎo)線或圓形線圈對(duì)SQUID 梯度計(jì)產(chǎn)生磁場(chǎng),并根據(jù)Biot-Savart 定理計(jì)算SQUID 處產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小。但該方法受到線圈移動(dòng)距離和通量數(shù)值計(jì)算的限制僅適用于單通道SQUID 梯度計(jì)的標(biāo)定;文獻(xiàn)[6]提出絕對(duì)標(biāo)定與相對(duì)標(biāo)定結(jié)合的PCB 線圈標(biāo)定法。該團(tuán)隊(duì)利用梯度計(jì)的高度對(duì)稱性以選定通道的電壓響應(yīng)作為絕對(duì)標(biāo)定參考值,以其他通道標(biāo)定結(jié)果與參考值作對(duì)比得到相對(duì)標(biāo)定系數(shù)。但不透明的封閉杜瓦瓶增加了梯度計(jì)與標(biāo)定線圈的對(duì)齊難度,導(dǎo)致標(biāo)定結(jié)果發(fā)散;文獻(xiàn)[7]利用三維亥姆霍茲線圈產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的方法對(duì)多個(gè)SQUID同時(shí)標(biāo)定,該方法無需對(duì)杜瓦內(nèi)多通道梯度計(jì)精準(zhǔn)定位,標(biāo)定結(jié)果誤差小。但亥姆霍茲線圈線圈占用空間過多,不利于MCG 系統(tǒng)的集成。
本文研究一種針對(duì)九通道MCG 的標(biāo)定系統(tǒng)。與以往標(biāo)定方法相比,該系統(tǒng)集成度高。無磁杜瓦的限位環(huán)陣列與標(biāo)定圓盤激勵(lì)線圈的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)解決了激勵(lì)線圈與九個(gè)測(cè)試通道精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的問題。根據(jù)圓形線圈磁場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)提出測(cè)試通道與標(biāo)定線圈對(duì)齊方法,標(biāo)定結(jié)果表征各通道SQUID 的磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換能力。通過對(duì)九通道采樣點(diǎn)的差異性計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)值提出小于5%時(shí)MCG 系統(tǒng)整體傳輸性好這一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。最后借助同一志愿者的ECG、MCG 及MFM 對(duì)比不同差異性對(duì)心臟磁測(cè)的具體影響,進(jìn)一步驗(yàn)證差異性計(jì)算的可靠性。
SQUID 基于磁通量子化效應(yīng)及約瑟夫森效應(yīng)工作[8-9],可檢測(cè)任意轉(zhuǎn)換成磁通的微弱物理量。典型的心磁信號(hào)量級(jí)在幾十pT(10-12T)左右,極易淹沒在復(fù)雜的環(huán)境噪聲中。除高靈敏度SQUID 傳感器外,心磁檢測(cè)還需要有效的抑噪方法以獲取高信噪比磁信號(hào)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可模塊化的繞線式SQUID 軸向梯度計(jì)(簡(jiǎn)稱SQUID 梯度計(jì))利用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)抑制環(huán)境噪聲,輸出梯度場(chǎng)信號(hào),為無磁屏蔽環(huán)境中的生物磁測(cè)提供了可行性[10-12]。但檢測(cè)線圈與輸入線圈電感失配會(huì)削弱梯度計(jì)磁通轉(zhuǎn)換能力,進(jìn)而降低對(duì)應(yīng)通道的傳輸能力。圖1 為SQUID梯度計(jì)原理圖,該結(jié)構(gòu)利用輸入線圈將二階梯度檢測(cè)線圈探測(cè)的磁信號(hào)耦合到SQUID 超導(dǎo)環(huán)路中。
圖1 繞線式SQUID 軸向梯度計(jì)原理圖
本文將0.05 mm 直徑的鈮線纏繞在復(fù)合碳纖維圓柱形支撐體上,與SQUID 耦合成二階梯度計(jì),梯度線圈直徑為20 mm。梯度天線電感Lp計(jì)算公式為:
式中:μ0=4π×10-7H/m,a為圓環(huán)半徑,c為鈮線半徑,Ad為單個(gè)圓環(huán)面積,ly為引線雙絞線長(zhǎng)度,lt為連接線圈的雙絞線長(zhǎng),長(zhǎng)度為130 mm。Lin為輸入線圈電感,當(dāng)Lp=Lin時(shí),梯度天線與輸入線圈電感匹配,此時(shí)耦合進(jìn)入SQUID 的磁通最大,梯度計(jì)磁通轉(zhuǎn)換能力最強(qiáng)[13]。
MCG 標(biāo)定系統(tǒng)需要對(duì)標(biāo)定線圈產(chǎn)生控制指令,對(duì)SQUID 電路提供高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。此外,MCG 需提供對(duì)各通道激勵(lì)響應(yīng)的信號(hào)處理、顯示及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能。
本團(tuán)隊(duì)搭建的MCG 標(biāo)定系統(tǒng)硬件如圖2 所示。該系統(tǒng)主要包括低溫模塊、控制模塊和PC 端三部分。低溫模塊內(nèi)無磁杜瓦的液氦環(huán)境為九通道SQUID 梯度計(jì)提供穩(wěn)定超導(dǎo)條件。標(biāo)定前通過液位傳感器判斷液氦存量,防止SQUID 梯度計(jì)模塊因溫度升高導(dǎo)致的“失超”。標(biāo)定時(shí),多路連接器通過引線將梯度計(jì)與液位計(jì)采集的實(shí)時(shí)信號(hào)輸出到外部接口。信號(hào)預(yù)處理單元中的控制器根據(jù)總控單元命令為液位傳感器和SQUID 初級(jí)電路單元產(chǎn)生控制信號(hào)。總控單元利用采集數(shù)據(jù)的ADC 模塊、提供測(cè)試指令的DAC 模塊及RS232 串口對(duì)讀出電路的信號(hào)輸出集中驅(qū)動(dòng)和信號(hào)調(diào)理。PC 端接收控制模塊的標(biāo)定數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù),以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析、記錄。
圖2 MCG 標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)Biot-Savart 定律,水平放置的單個(gè)圓形線圈在(x,y,l)處產(chǎn)生Z方向分量的磁場(chǎng)Bz大小如式(6)所示:
為描述圓形線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度空間分布情況,利用電磁軟件進(jìn)行仿真說明。建立以原點(diǎn)為圓心,直徑為130 mm,截面積為0.785 mm2的圓形線圈三維電磁場(chǎng)模型。對(duì)線圈施加2.5×10-5mA 逆時(shí)針方向的直流激勵(lì)。圖3 為圓形激勵(lì)線圈電磁場(chǎng)模型。
圖3 圓形激勵(lì)線圈電磁場(chǎng)模型
選定始于原點(diǎn)、沿Z軸正向、長(zhǎng)度為85 mm 的參考線表示激勵(lì)線圈在Z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz變化。仿真結(jié)果如圖4(a)所示,Bz幅值與參考點(diǎn)到原點(diǎn)距離成反比。Z軸上靠近原點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。
圖4 圓形激勵(lì)線圈磁場(chǎng)空間分布
選定平行于X-Y平面的參考線表示激勵(lì)線圈在X軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx的變化。該線段總長(zhǎng)120 mm,以(-60,0,20)為起點(diǎn),(60,0,20)為終點(diǎn),關(guān)于Y-Z平面對(duì)稱。仿真結(jié)果如圖4(b)所示,X軸上Bx的幅值與參考點(diǎn)距Z軸距離成正比,靠近線圈邊緣位置的磁場(chǎng)信號(hào)最強(qiáng)。
由于杜瓦不透明的多層隔熱結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)標(biāo)定法無法獲取SQUID 梯度計(jì)通道的具體位置。對(duì)單通道MCG 系統(tǒng)標(biāo)定時(shí),需要在杜瓦底部不斷移動(dòng)激勵(lì)線圈對(duì)準(zhǔn)梯度計(jì)[5]。當(dāng)SQUID 輸出信號(hào)幅值最大時(shí),MCG 通道位于激勵(lì)線圈正上方,根據(jù)檢測(cè)的磁場(chǎng)值及輸出電壓即可得到SQUID 的磁通-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。但反復(fù)移動(dòng)線圈定位通道位置的方法導(dǎo)致標(biāo)定誤差增加。
本文在杜瓦底部設(shè)置限位環(huán)陣列以解決無法獲取梯度計(jì)位置的問題。圖5 為杜瓦底部及標(biāo)定圓盤結(jié)構(gòu)示意圖。圖5(b)表示杜瓦內(nèi)部3×3 方形陣列的限位結(jié)構(gòu),單個(gè)限位孔直徑為21 mm,兩孔間距為40 mm,杜瓦頂部封裝蓋與底部限位結(jié)構(gòu)一致。裝配MCG 系統(tǒng)時(shí)外徑20 mm 的檢測(cè)通道從頂部垂直進(jìn)入,該結(jié)構(gòu)可限定通道底部SQUID 梯度計(jì)位置。標(biāo)定圓盤與杜瓦限位環(huán)結(jié)構(gòu)一致,每個(gè)激勵(lì)線圈與MCG 通道對(duì)應(yīng)。圖5(c)表示標(biāo)定圓盤內(nèi)1~10 號(hào)激勵(lì)線圈位置分布,杜瓦內(nèi)通道與激勵(lì)線圈排序一致。該結(jié)構(gòu)有效提高了系統(tǒng)的集成度與標(biāo)定效率。
圖5 杜瓦限位環(huán)陣列及標(biāo)定圓盤結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)2.1 中Bz的空間分布特點(diǎn),標(biāo)定時(shí)需將圓盤緊貼杜瓦放置,以保證梯度計(jì)檢測(cè)線圈接收的磁場(chǎng)信號(hào)最強(qiáng)。
對(duì)多通道MCG 系統(tǒng)標(biāo)定時(shí),首先利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)第10 號(hào)線圈施加矩形波信號(hào)。根據(jù)測(cè)試通道同心圓陣列結(jié)構(gòu)及Bx的空間分布特點(diǎn),通道五接收的磁信號(hào)最小,通道二、四、六、八次之,通道一、三、七、九接受的磁信號(hào)最大。微調(diào)圓盤角度使九通道接收磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值如圖6 所示,此時(shí)標(biāo)定圓盤與杜瓦同軸放置。關(guān)閉10 號(hào)線圈同時(shí)打開9 個(gè)小激勵(lì)線圈,旋轉(zhuǎn)標(biāo)定圓盤至各通道磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值相同且均為最大,此時(shí)激勵(lì)線圈與九個(gè)測(cè)試通道精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。
圖6 九通道對(duì)10 號(hào)激勵(lì)線圈的響應(yīng)
定位后按通道順序依次對(duì)九個(gè)激勵(lì)線圈施加矩形波信號(hào),PC 端記錄各通道平均校準(zhǔn)系數(shù)NCAL。由于本系統(tǒng)使用16-bit 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,輸入電壓范圍為10 V,信號(hào)范圍ΔV=20 V。模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳輸系數(shù)KADC由式(7)得:
輸出電壓VCAL由式(8)得:
輸入的校準(zhǔn)磁場(chǎng)BCAL=200 pT,則磁通-電壓傳輸系數(shù)G由式(9)得:
由于通道內(nèi)二階梯度計(jì)存在機(jī)械不平衡度、電感失配及讀出電路的差異性,本文采用上述標(biāo)定方法驗(yàn)證各通道SQUID 梯度計(jì)的磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換能力。而整體MCG 系統(tǒng)的可用性通過采樣點(diǎn)最大幅值的差異性進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)2.2 所描述的MCG 工作流程,SQUID 梯度計(jì)將采集到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號(hào)(采樣點(diǎn)),在PC 端對(duì)比九組采樣點(diǎn)可得判斷MCG 系統(tǒng)的整體傳輸性能。
MCG 各通道差異性的驗(yàn)證步驟:分別記錄九通道采樣點(diǎn)最大值A(chǔ)MCGi,確定9 個(gè)AMCGi中最大值A(chǔ)max和最小值A(chǔ)min。經(jīng)式(10)計(jì)算得九通道差異性DEi。
由反復(fù)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)可知,DEi≥5%時(shí)九通道差異性過大,需對(duì)系統(tǒng)再次標(biāo)定,直至DEi<5%,MCG系統(tǒng)可正常工作。圖7 為第一次標(biāo)定后的九通道采樣點(diǎn)圖。
圖7 九通道采樣點(diǎn)圖
根據(jù)圖7 顯示的采樣點(diǎn)信息及式(10),計(jì)算得到第一次標(biāo)定后九通道差異性DE1為9.3%,大于經(jīng)驗(yàn)值5%。圖8 為標(biāo)定結(jié)果圖。根據(jù)圖8 中第一次標(biāo)定結(jié)果推測(cè)九通道MCG 差異性過大的部分原因是通道六SQUID 梯度計(jì)的傳輸系數(shù)小。將通道六ly由80 mm 截取至30 mm,經(jīng)1.1 中的式(1)~式(5)計(jì)算得Lp由409.8 nH 降低為384.8 nH。本文采用SQUID 的Lin=350 nH,更改后的Lp與Lin更匹配。調(diào)整Lp后需對(duì)MCG 系統(tǒng)二次標(biāo)定,結(jié)果如圖8 所示。兩次標(biāo)定結(jié)果顯示各通道每次標(biāo)定的平均校準(zhǔn)系數(shù)NCAL具有一致性。除通道六外,其余通道的NCAL均大于1 000。雖然通道六的NCAL2比NCAL1大,但仍小于其余通道。這表明除電感失配外,SQUID 傳輸能力還可能受梯度計(jì)初始機(jī)械不平衡、讀出電路差異等因素影響。表1 為式(7)~式(9)計(jì)算得到二次標(biāo)定的平均校準(zhǔn)系數(shù)NCAL2、通道傳輸系數(shù)G及采樣點(diǎn)信息,其中G在1.49 mV/pT~1.76 mV/pT 之間。經(jīng)式(10)計(jì)算得DE2=4.5%,小于經(jīng)驗(yàn)值5%,無需進(jìn)行再次標(biāo)定。
表1 九通道梯度計(jì)二次標(biāo)定系數(shù)及采樣點(diǎn)
圖8 標(biāo)定結(jié)果圖
為了評(píng)估差異性DEi對(duì)九通道MCG 系統(tǒng)測(cè)量心磁信號(hào)的影響,本文對(duì)同一志愿者在不同DEi采集的心電、心磁數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。
進(jìn)行心臟磁測(cè)時(shí)將五號(hào)通道初始定位于解剖學(xué)頸靜脈灶處,九個(gè)測(cè)試通道相對(duì)志愿者移動(dòng)四個(gè)位點(diǎn),得到36 個(gè)測(cè)量點(diǎn)位的心磁數(shù)據(jù)。為避免志愿者本身心臟電生理特征在不同時(shí)刻變化導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差,在兩次采集心磁信號(hào)的同時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)心電圖作為對(duì)照組。
經(jīng)系統(tǒng)周期同步化、抑噪、多次平均等預(yù)處理步驟得到平均后的心磁、心電數(shù)據(jù)如圖9 所示。測(cè)試過程中志愿者的心動(dòng)周期存在差異性,所以將同一時(shí)段獲得的心電數(shù)據(jù)作為心磁信號(hào)周期同步化處理的參考標(biāo)準(zhǔn)。同一志愿者得到的平均心電、心磁周期均為0.608 s。
圖9 不同DEi 對(duì)平均心電圖、心磁圖的影響對(duì)比
根據(jù)圖9(a)與圖9(c)顯示,由于ECG 測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,不同DEi下ECG 各波段峰值、間期時(shí)間均保持一致,結(jié)果說明志愿者在兩次測(cè)試期間心臟電生理信息無明顯變化。對(duì)比圖9(b)與圖9(d)可知,圖9(b)中MCG 信號(hào)的Q 波信息嚴(yán)重缺失,各波段的平均幅值均小于圖9(d)。DE1=9.3%時(shí)T波峰值為3.79 pT,遠(yuǎn)小于DE2=4.5%測(cè)得的T 波峰值12.15 pT。該結(jié)果表明九通道差異性DEi越小,測(cè)得同一心磁信號(hào)的平均幅值越大,反映受試者的心臟電生理信息越深刻。
等磁圖MFM 重構(gòu)方法在平均心磁圖的基礎(chǔ)上將磁場(chǎng)信息按照強(qiáng)度大小等分并賦予不同色調(diào),同一顏色表示測(cè)試平面內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的位置,顏色越深強(qiáng)度值越大。相鄰場(chǎng)強(qiáng)根據(jù)就近原則利用漸變色處理后即可宏觀體現(xiàn)被測(cè)磁源特征。本團(tuán)隊(duì)采取三次樣條插值法實(shí)現(xiàn)對(duì)兩次差異性下心磁信號(hào)的高分辨率成像。
圖10 選取了不同DEi下0.276 s 處R 波的MFM 成像結(jié)果。DE1=9.3%時(shí)磁場(chǎng)正極中心為19.84 pT,負(fù)極為-8.92 pT,二者差的絕對(duì)值為28.76 pT。正極邊緣色階緊貼X軸分布,說明部分磁場(chǎng)信息缺失;DE2=4.5%時(shí)通道一致性好,磁場(chǎng)正極為57.54 pT,負(fù)極為-26.68 pT,二者差的絕對(duì)值為84.22 pT。對(duì)比分析DE1的MFM 圖上R 波絕對(duì)值為DE2的三分之一。綜上,通道差異性DE1過大導(dǎo)致MCG 系統(tǒng)對(duì)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)多次平均后未能反映場(chǎng)源真實(shí)情況,進(jìn)一步驗(yàn)證了通道差異性計(jì)算的可靠性。
圖10 偶極子磁場(chǎng)分布圖
本文利用無磁杜瓦的限位環(huán)陣列與標(biāo)定圓盤激勵(lì)線圈的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)計(jì)出適用于九通道MCG 的標(biāo)定系統(tǒng)。根據(jù)圓形通電線圈空間磁場(chǎng)分布特點(diǎn)提出SQUID 梯度計(jì)與標(biāo)定線圈快速對(duì)齊方法,最終實(shí)現(xiàn)了1.49 mV/pT~1.76 mV/pT 范圍的標(biāo)定,該標(biāo)定結(jié)果對(duì)應(yīng)的九通道差異性為4.5%。通過測(cè)量、反演同一志愿者不同在MCG 差異性DEi下測(cè)得的心磁信息,得到結(jié)論:DE1下反演的MFM 圖上R 波絕對(duì)值為DE2的三分之一,DE1過大導(dǎo)致MCG 系統(tǒng)未能反映心磁信號(hào)的真實(shí)幅值。結(jié)論表明差通道異性計(jì)算方法準(zhǔn)確可靠,為判斷標(biāo)定后的MCG 系統(tǒng)可否用于臨床檢測(cè)提供了重要依據(jù)。