Пристрій для компенсації електромагнітних завад при вимірюваннях біомагнітних сигналів

Реферат: Винахід належить до галузі надчутливої біомагнітометрії за наявності зовнішніх електромагнітних завад. Пропонується конструкція пристрою для пасивної компенсації завад на вході біомагнітного вимірювача, який включає компенсаційні елементи та засоби їх переміщення у складі вузлів кріплення, зміщення та фіксації. В основній реалізації застосовано три замкнуті провідні контури, орієнтовані ортогонально у просторі, які незалежно переміщують вверх-вниз відносно вимірювача чи його вхідної антени. Контури фіксують в положеннях при досягненні мінімуму амплітуди зовнішніх завад по відповідній проекції поля. Запропоновано варіанти з охолодженням вимірювача та/чи контурів, розміщенням контурів всередині кріостату та їх виготовлення з надпровідників. UA 102163 C2 (12) UA 102163 C2 UA 102163 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до галузі технічних засобів захисту високочутливої вимірювальної апаратури від дії зовнішніх перешкод і може бути застосований для захисту від електромагнітних завад, наприклад, магнітокардіографічних комплексів, які працюють у неекранованих приміщеннях. Як сенсори у біомагнітних системах використовують високочутливі магнітометри, наприклад, надпровідні квантові інтерференційні датчики (НКВІДи), магнітометри з оптичною накачкою чи магніторезистивні сенсори. Такі магнітометри характеризуються високою роздільною здатністю по магнітному полю в діапазоні піко-фемто Тл. В той же час корисний магнітний сигнал від біооб'єкту (наприклад, серце людини) зосереджений у низькочастотному діапазоні 0,1-100 Гц. За наявності промислових завад (радіостанції, мобільний зв'язок, електростатичні розряди, інші джерела електромагнітних полів та хвиль) може порушуватися стійкість функціонування зазначених вимірювачів. Рівень перешкод, при яких ще зберігається нормальна працездатність магнітометрів, не повинен перевищувати, як правило, 0,1 нТл. Високий рівень техногенних завад в умовах міста вимагає використання додаткового пасивного і активного захисту зони вимірювань від магнітних завад. При цьому максимальна величина індукції біомагнітного поля, наприклад магнітного поля (МП) серця людини, не перевищує 50 пікоТл, тому для якісної реєстрації і розпізнавання таких слабких сигналів мають бути використані технічні і програмні засоби, які дозволять знизити зовнішнє МП завад в зоні вимірювань на декілька порядків величини. При цьому людина знаходиться в природному магнітному фоні, тобто МП Землі, рівному приблизно 50 мкТл. Відомі наступні способи захисту від магнітних завад. 1) Магнітоекрановані кімнати (МЕК). До теперішнього часу для забезпечення працездатності біомагнітних систем досить широко використовують пасивні електромагнітні екрани у вигляді цілих екранованих кімнат, вартість яких може у декілька разів перевищувати вартість самих вимірювачів. Необхідність використання МЕК для біомагнітних вимірювань обґрунтована в патенті US 5,152,288 [А61В 5/04, А61В 5/05, G01R 33/00, G01R 33/035, Apparatus and method for measuring weak, location-dependent and time-dependent magnetic fields, Hoening E., Reichenberger H., Schneider S., 1992]. Проте МЕК - дорогий і технічно складний виріб, тому тільки великі наукові центри можуть дозволити собі її використання. Крім того, ступінь послаблення магнітних перешкод недостатній у разі наявності джерел, які розташовані досить близько і створюють в зоні вимірювань неоднорідне МП. Для послаблення магнітних завад такого типу було розроблено ряд технічних рішень, в основу яких покладено принцип активного послаблення шумів, який досить широко застосовують і в інших галузях техніки, наприклад US 5,844,996 [A61F 011/06, D. Enzmann, M.F. Anthony et al. Active electronic noise suppression system and method for reducing snoring noise, 1998]. 2) Активна компенсація перешкод за допомогою індукційних котушок. Спосіб ґрунтується на ідеї використання негативного зворотного зв'язку (НЗЗ): виміряну референтним датчиком магнітну заваду використовують для генерації МП, рівної з перешкодою амплітуди, але протилежного напряму. Це МП надалі використовують для віднімання (компенсації) шумової складової з вимірюваного сигналу. Наприклад, при біомагнітних вимірюваннях сигнал перешкоди після підсилення подають у вигляді струму в систему індукційних котушок для створення в зоні вимірювань МП, протилежного до магнітної перешкоди. Розміри системи котушок визначаються ступенем однорідності МП усередині системи і розмірами біооб'єкту. Ідея такої системи компенсації досить детально описана в патентах а) US 3,311,821, G01C 17/38; G01R 33/025; G01C 17/00; G01R 33/025, J.J.A. Brunei, Apparatus for automatically compensating the output of a magnetic field sensing device for the effects of interfering magnetic fields, March 28, 1967, б) US 5,122,744, G01R 33/022; G01R 33/025, Koch, Roger H. (Amawalk, NY); Gradiometer having a magnetometer which cancels background magnetic field from other magnetometers, Oct 9, 1990. 3) Системи електронного послаблення шуму. Найбільш широке застосування у біомагнітних вимірювальних системах отримали відомі технічні рішення, так звані Electronic Noise Suppression System (ENSS) [дивись, наприклад, А.N. Matlashov et. al. In Advances in Biomagnetism, Eds. S.J. Williamson, M. Hoke, G. Stroink, and M. Kotani, Plenum Press, New York and London, pp. 725-728, 1989]. ENSS включає декілька магнітометрів з досить низькою чутливістю (референтні канали), які мають окрему електроніку і розміщені серед градієнтометричних (сигнальних) каналів. У референтних каналах використовують магнітометри, які мають нижчу чутливість, ніж сигнальні канали. Як правило, референтні канали реєструють МП завад в 3-х ортогональних проекціях і 1 UA 102163 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 утворюють референтний векторний магнітометр (РВМ). Вихідні сигнали РВМ інвертують, масштабують і змішують з вихідними сигналами сигнальних каналів. Наприклад, якщо, Х-сигнал завади на виході РВМ менше (більше), ніж Х-сигнал завади на виході сигнального каналу, сигнал РВМ підсилюють (послаблюють) та віднімають від сигналу на виході сигнального каналу. У цьому зв'язку відомо ґрунтовний патент-аналог US 5,113,136 [Gradiometer apparatus with compensation coils for measuring magnetic fields, G01R 33/022, G01R 33/025, G01R 33/035, H. Hayashi, Yu. Igarashi, T. Hayashi et al, 1992, Fujitsu Ltd]. Винахід розкриває 17 реалізацій систем ENSS і охоплює практично всі можливі в магнітометрії варіанти рішень. У цих рішеннях вимірювач містить РВМ і багатоканальний магнітометр, причому РВМ використовують для реєстрації МП перешкод, які потім віднімають на виходах сигнальних каналів або на їх входах за допомогою петель НЗЗ, що використовують сигнали від РВМ. При цьому два із зазначених варіантів ENSS, захищені пунктами формули 16 та 19, реалізують компенсацію на вході сигнального каналу, у якості якого застосовано НКВІД-магнітометр. Перевага пристрою згідно US 5,113,136 полягає у тому, що він орієнтований саме для біомагнітних вимірювань МП від тіла людини. Як недолік вкажемо те, що для РВМ також застосовують НКВІД-магнітометр, що збільшує вартість та ускладнює біомагнітний вимірювач. Тому останнім часом запропоновано варіант системи ENSS згідно US 7,091,717 [SQUID sensor using auxiliary sensor, G01R 33/25, G01R 33/35, Seung Min Lee, Heon Joo Lee, Byung Du Oh, 2006, LG Electronics Inc.], який застосовує референтний магнітометр, НЗЗ та компенсацію на вході сигнального НКВІД-каналу. Перевага даного рішення в тому, що в сигнальному каналі може бути застосовано НКВІД, виготовлений з високотемпературних надпровідників, тобто азотного рівня охолодження. Недолік загальний для всіх систем активної компенсації - потрібні референтний магнітометр та НЗЗ. Проте принциповою перевагою зазначеного рішення є те, що референтний магнітометр може бути виконано не на основі НКВІДів, тобто ненадпровідним, і навіть взагалі без охолодження. Сенс такої заміни полягає в тому, що від нього не вимагається високої роздільної здатності при високому рівні магнітних перешкод. Це значно здешевлює та спрощує систему активної компенсації, тому запропонована в US 7,091,717 система ENSS була вибрана за прототип. Якщо розвивати ідею прототипу, то чи не може і сигнальний канал бути не на основі НКВІДмагнітометрів? Рівень техніки свідчить, що такі вимірювачі є, на основі магнітометрів з оптичною накачкою, дивись, наприклад, US 7,656,154 [Magnetic field measurement system and optical pumping magnetometer, G01R 33/035, G01V 3/00, G01R 33/02, R. Kawabata, A. Kandori, 2010, Hitachi High-Tech Corp.]. Проте, недоліком також є застосування активної компенсації з використанням системи індукційних котушок Гельмгольця, що потребує референтного магнітометра, який, аналогічно вибраному прототипу, не потребує охолодження чи використання надпровідності. Таким чином, активні системи компенсації перешкод мають ряд істотних недоліків, які обумовлені наступними чинниками: 1) зовнішні перешкоди можуть значно перевищувати корисні сигнали, що ставить високі вимоги до динамічного діапазону електронних ланцюгів зворотного зв'язку і може обмежувати їх функціональні можливості. 2) зовнішніх перешкоди можуть бути досить ВЧ, в цьому випадку ефективність компенсації перешкод залежать від швидкодії електронних ланцюгів зворотного зв'язку компенсаторів. 3) такі системи компенсації включають додаткові електронні ланцюги з блоками живлення і управління, що призводить до дорожчання усього вимірювача біомагнітних сигналів і підвищення складності його налагодження. Ідея пропонованого технічного рішення полягає в наступному - замість використання референтних магнітометрів для реєстрації МП завад по трьох ортогональних напрямах X, У, Z, в пропонованому пристрої використовують не менше ніж три кільця з електропровідних матеріалів (включаючи надпровідники), які розташовані теж ортогонально та близько до вхідної антени біомагнітного вимірювача. Новизна пропонованого винаходу полягає в усуненні недоліків і обмежень, характерних для пристрою-прототипу, за допомогою досить простих технічних рішень: 1) пропонують пристрій компенсації магнітних перешкод, в якому немає ніяких активних електронних ланцюгів зворотного зв'язку. 2) пропонований пристрій не має обмежень по швидкодії і динамічному діапазону. В основу винаходу поставлена задача: вдосконалення конструкції пристрою для пасивної компенсації електромагнітних завад при вимірюваннях біомагнітних сигналів в умовах наявності зовнішніх електромагнітних завад та 2 UA 102163 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відсутності засобів магнітного і/або електромагнітного екранування чи активної компенсації завад, з метою її спрощення та здешевлення, здійснення регульованої компенсації електромагнітних завад без обов'язкового охолодження пристрою до кріогенних температур, а також застосування як біомагнітних вимірювачів інших типів магнітометрів замість надпровідникових НКВІД-магнітометрів. Поставлена задача досягається шляхом: - виконання пристрою принаймні з одного компенсаційного елементу та засобів переміщення зазначеного(их) елементу(ів), - виконання компенсаційних елементів у вигляді короткозамкнених контурів довільної форми, - виготовлення компенсаційних елементів з матеріалів з високою електропровідністю (мідь, алюміній і т.п.); - виконання компенсаційних елементів так, що вони не мають гальванічного зв'язку, а лише індуктивний зв'язок з вимірювачем; - розміщення компенсаційних елементів у просторі так, що кожній проекції поля або градієнту поля відповідає принаймні один елемент; - виконання засобів переміщення у складі елементів кріплення, зміщення та фіксації компенсаційних елементів, - виконання засобів переміщення для багатократного зміщення і фіксації компенсаційних елементів при зміні шумової обстановки в місці знаходження вимірювача, - виконання засобів зміщення для незалежного переміщення окремих компенсаційних елементів, - виконання засобів фіксації для утримання компенсаційних елементів в положеннях, при яких досягають мінімум амплітуди завад на вході вимірювача, - охолодження вимірювача, наприклад, за допомогою кріогенної рідини чи будь-яким іншим способом, і розміщенням його всередині засобу охолодження, та розміщенням компенсаційних елементів зовні засобу охолодження, наприклад, кріостата чи іншого засобу, - розміщення по меншій мірі одного компенсаційного елементу всередині засобу охолодження вимірювача, наприклад, кріостату чи іншого засобу, - виконання по меншій мірі одного компенсаційного елементу з надпровідних матеріалів. Технічний результат полягає у тому, що мала кількість пасивних елементів конструкції пропонованого пристрою обумовлює його: 1) високу ефективність; 2) дешевизну; 3) простоту налагодження; 4) можливість застосування до різних типів біомагнітних вимірювачів, наприклад НКВІДмагнітосетрів, магнітометрів з оптичною накачкою, на основі магніторезистивних сенсорів чи іншого типу. Фіг. 1 - Взаємне розміщення біомагнітного вимірювача та компенсаційних елементів: 1 (2, 3) - елемент для послаблення завад по вісі Z (X, Y), 4 - тяга засобу переміщення, 5 - вимірювач. Фіг. 2 - Схема розташування компенсаційних елементів та охолоджуваного вимірювача: 1-3 та 5 - аналогічно Фіг. 1, 6 - кріогенна рідина, 7 - магнітопрозорий кріостат. Фіг. 3 - Схема розташування охолоджуваних компенсаційних елементів та кріогенного вимірювача біомагнітних сигналів: 1-3 і 5-7 - аналогічно Фіг. 2, 8 - надпровідникова антена. Фіг. 4 - Механізм переміщення та фіксації компенсаційних кілець: 9 - ручка обертання силового гвинта, 10 - цанговий фіксатор положення компенсаційного елемента, 11 - силовий гвинт, 12 - муфта, 4 - тяга, на якій закріплено компенсаційний елемент. Принцип пасивної компенсації наступний: електромагнітна чи змінна магнітна перешкода за рахунок явища електромагнітної індукції генерує в компенсаційному елементі вихрові струми. Ці струми породжують навколо цього елемента МП, напрям якого протилежний напряму МП перешкоди. Компенсаційне МП, яке є векторною сумою МП від усіх 3-х елементів, потрапляє на вхід вимірювача, де добавляється до з МП перешкоди. Амплітуда та напрям вектору сумарного компенсаційного МП змінюються залежно від положення компенсаційнихелементів відносно вимірювача. Схема взаємного розташування 3-х компенсаційних елементів 1-3 та вимірювача біомагнітних полів 5, яка ілюструє принцип винаходу, наведена на фіг. 1. Компенсаційні елементи виконані; у вигляді коротко замкнених металевих кілець, виготовлених з міді. В основній реалізації кільця виготовляють з тонкого дроту діаметром 50 мкм та кріплять їх на тягах 4 приводу переміщення, які виготовляють із немагнітних матеріалів, типу склопластику чи текстоліту. 3 UA 102163 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Компенсаційні кільця 1-3 розміщені в 3-х взаємно ортогональних площинах, що дає можливість компенсувати магнітну перешкоду незалежно від її напрямку. Всі кільця розташовані безпосередньо біля вимірювача 5, щоб індуковане ними МП практично без послаблення проникало на вхід вимірювача, тобто всередину його чутливого елементу чи вхідної антени, якщо така є. Пристрій також включає окремі засоби переміщення (Фіг. 4) для незалежного переміщення кожного компенсаційного кільця відносно вимірювача. Механізми складаються з елементів кріплення, зміщення вверх-вниз та фіксації кілець в положеннях, які забезпечують мінімум амплітуди МП завад на вході вимірювача. Частини механізму дають змогу проводити багатократне регулювання та фіксацію кілець при зміні шумової обстановки в місці знаходження вимірювача. На Фіг. 4 наведена конструкція засобу переміщення, виконаного у вигляді механізму, який приводять у дію вручну. Механізм складається з гвинта 11, вставленого в отвір різьбової муфти 12. Обертання гвинта 11 здійснюють ручкою 9, гвинт приводить в рух тягу 4, на якій закріплено компенсаційний елемент. Швидкість руху тяги визначається кроком різьби і становить 5 оборотів на 1 мм. Після завершення процедури налагодження положення компенсаційного кільця фіксують за допомогою цангового фіксатора 10. В основній реалізації при виконанні процедури компенсації елементи почергово зміщують вверх-вниз і контролюють рівень перешкоди на виході вимірювача за відсутності корисного сигналу. При певному положенні кожного з 3-х елементів компенсуюче поле стане приблизно рівне за амплітудою та протилежне за напрямом до МП перешкоди. В результаті амплітуда МП завади на вході вимірювача та амплітуда сигналу на його виході досягнуть мінімуму. В іншій реалізації пристрій (див. Фіг. 2) застосовують для компенсації МП перешкод на вході високочутливого кріогенного вимірювача 5, який охолоджують для зниження рівня його власного шуму. Для цього вимірювач вміщують у кріостат 7, який заповнюють кріогенною рідиною 6, наприклад скрапленим гелієм чи азотом. Кріостат 7 для біомагнітного вимірювача виконують проникним для НЧ МП - магнітопрозорим, тому виготовляють з діелектриків, наприклад немагнітних склопластиків. При цьому компенсаційні кільця 1-3 кріплять на поверхні кріостату чи близько біля неї, що забезпечує їх температуру рівну температурі довкілля, тобто кімнатній температурі. Згідно винаходу всі компенсаційні кільця мають лише індуктивний зв'язок з антеною вимірювача, коли під дією наведених у них струмів у вимірювач вводиться МП, яке компенсує МП завад. У ще іншій реалізації пристрій виконують так, що по меншій мірі одне з компенсаційних кілець 1-3 розміщують усередині засобу охолодження вимірювача, що забезпечує близькість їх температур до температури вимірювача або холодагента. На Фіг. 3 представлено варіант з кріогенним вимірювачем, наприклад, НКВІД-магнітометром 5, а всі кільця 1-3 розташовані всередині кріостату поблизу вхідної антени 8 вимірювача. Перевагою такого варіанту є збільшення струму в кільцях внаслідок зменшення їх опору при охолодженні, та збільшення амплітуди компенсуючого МП внаслідок зменшення відстані до антени вимірювача. Недолік значно важче реалізувати переміщення та фіксацію кілець всередині кріостату. У ще одній реалізації по меншій мірі один компенсаційний елемент виконують з надпровідних матеріалів. Тоді опір кільця може зменшитися до нуля у разі, коли температура всередині кріостату нижча від температури переходу надпровідника в надпровідний стан. Перевага такого варіанту реалізації - відсутність затухання індукованих струмів з ростом частоти, що дозволяв застосовувати компенсацію для широкого діапазону частот. Обмеження даної реалізації - вона має сенс лише для кріогенного вимірювача, вміщеного у кріостат. В іншій реалізації застосовують не менш ніж один додатковий компенсаційний елемент, який розміщують у просторі так, щоб він відповідав певній просторовій компоненті градієнта поля. Кількість додаткових елементів залежить від кількості зазначених компонент, які реєструє вимірювач, чи від кількості компонент градієнтів перешкод, які потрібно компенсувати. В іншій реалізації пристрій застосовують для компенсації МП перешкод на вході багатоканального вимірювача. При цьому оптимальне положення компенсаційних елементів визначають по мінімуму амплітуди МП перешкод у декількох чи більшості каналів, по мінімуму середньої амплітуди МП перешкод у всіх каналах, чи яким-небудь іншим чином. Але принциповою відмінністю пропонованого пристрою є те, що він є спільний для всіх каналів, на, відміну від інших, наприклад, систем ENSS, які виконують окремо для кожного каналу. У ще одному варіанті реалізації пристрій і для компенсації поєднують з іншими засобами послаблення завад, наприклад, з ENSS, електромагнітним екрануванням чи будь-якими іншими засобами. Це особливо актуально, коли вимірювачем є чутливий магнітометр, який має високу роздільну здатність до МП, але в той, же час і низьку перешкодозахищеність, особливо в 4 UA 102163 C2 5 10 неекранованих приміщеннях за наявності високого рівня промислових завад. У цьому випадку лише пропонованої пасивної компенсації недостатньо, тому її потрібно поєднувати з іншими вищезазначеними засобами. Пропонований пристрій промислово придатний і може бути легко виготовлений, оскільки він виготовляється із промислово освоєних матеріалів (мідна, ніобієва чи інша металева проволока, капролон, текстоліт, різні склопластики) і на основі стандартних технологічних процесів. Галузь його застосування - надчутлива біомагнітометрія, у тому числі магнітокардіографія, сасептометрія чи інша галузь, наукові біомедичні дослідження, низькотемпературна фізика та техніка. Конкретна реалізація пристрою описана детально лише з метою ілюстрації. Зрозуміло, що на практиці люди, досвідчені в надчутливій біомагнітометрії та/чи кріогенній техніці можуть внести деякі зміни й модифікації в конструкцію пропонованого пристрою. Проте, ми вважаємо, що зазначені зміни і модифікації у разі, якщо вони зроблені без суттєвих відхилень від даного винаходу, підпадають під його дію. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 1. Пристрій для компенсації електромагнітних завад при вимірюваннях біомагнітних сигналів за допомогою вимірювача біомагнітних сигналів за наявності електромагнітних завад, призначений для реєстрації не менше ніж однієї компоненти магнітного сигналу, а саме проекції вектору магнітного поля і/або його просторового градієнта першого або вищого порядку, пристрій включає один чи більше компенсаційних елементів (КЕ) та засоби переміщення КЕ, який відрізняється тим, що КЕ виконано у вигляді короткозамкнених контурів довільної форми та виготовлено із матеріалів з високою електропровідністю, КЕ виконано так, що вони мають лише індуктивний зв'язок із зазначеним вимірювачем, КЕ розміщено поблизу вимірювача у просторі так, що кожній компоненті магнітного сигналу відповідає принаймні один КЕ, засоби переміщення включають елементи кріплення, зміщення та фіксації КЕ, засоби переміщення виконано з можливістю багатократного зміщення і фіксації КЕ при зміні амплітуди та/чи напрямку електромагнітних завад на вході вимірювача, зазначені засоби переміщення виконано здатними незалежно переміщувати окремі КЕ, зазначені елементи фіксації виконано здатними утримувати КЕ в положеннях, при яких досягають мінімуму амплітуди електромагнітних завад на вході вимірювача. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що вимірювач біомагнітних сигналів виконаний з можливістю охолоджування за допомогою кріогенної рідини чи будь-яким іншим способом, і розміщено всередині кріостату чи іншого засобу охолодження, а КЕ та засоби переміщення розміщено зовні кріостату чи іншого засобу охолодження. 3. Пристрій за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що по меншій мірі один КЕ розміщено усередині кріостату чи іншого засобу охолодження. 4. Пристрій за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що по меншій мірі один КЕ виконаний з надпровідних матеріалів. 5 UA 102163 C2 6 UA 102163 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7