CN113768505A - 一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于脑磁图探测技术领域，提供一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统和方法，系统包括磁屏蔽房、脑磁测量帽、原子磁力计探测传感器阵列、原子磁力计参考传感器阵列，被试者头戴所述脑磁测量帽置于所述磁屏蔽房内，所述原子磁力计探测传感器阵列设置在所述脑磁测量帽内，所述原子磁力计参考传感器阵列设置在被试者头部上方，该系统结构更加简易，轻便和灵活。此外，本申请提供的穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制方法无需对每个原子磁力计探测传感器进行梯度式排布配置，在保持原有柔性测量帽上探测传感器配置不变的基础上，即可实现保持脑磁信号强度不衰减且有效抑制屏蔽房环境噪声，提升脑磁信号信噪比。

Description

一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统及方法

技术领域

本申请涉及脑磁图探测技术领域，特别是涉及一种穿戴式脑磁图环境噪声抑制系统及方法。

背景技术

脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)是一种无创、实时探测大脑神经元电活动所产生磁场的神经影像学技术，在脑科学研究和神经外科临床诊断方面具有重要的作用和广泛的应用前景。当前商用MEG使用的弱磁传感器是超导量子干涉仪(SuperconductorQuantum Interference Devices，SQUID)。近年来，一种新型的量子弱磁传感器-无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计(Optically-pumped magnetometer，OPM)得到了快速发展，其无需工作在超低温环境就能实现和SQUID相当的探测灵敏度，并且具有轻便、可小型化、探测距离近、造价低等优势，通过阵列形式将小型原子磁力计排布在脑磁测量帽插槽内可实现穿戴式脑磁图仪。

人脑MEG信号极弱(约数百fT)，易受环境噪声干扰，为有效提高信噪比，需要采用合适的噪声抑制方法。SQUID内部具有梯度线圈，可实现梯度去噪，并且SQUID传感器所处液氦低温环境也有利于抑制环境热噪声。原子磁力计则不具备这个条件，其对环境噪声更为敏感。为有效抑制环境噪声的干扰，传统方法在原子磁力计中构建梯度计模式，一种是利用较大的气室和阵列式探测器进行梯度差分，但该方法探测单元与差分单元距离太近，差分会使脑磁信号大幅减弱；另一种是利用双气室进行梯度差分，为避免差分后脑磁信号大幅减弱，气室距离需大于2cm，从而使得原子磁力计探头尺寸偏长，用于穿戴式脑磁图仪稳定性不足。

目前，现有技术通过构建原子磁力计梯度计模式实现环境噪声抑制有以下缺点：其一，梯度计模式探测单元与差分单元距离比较近，做差分后，脑磁信号会有一定幅度衰减，并不能有效提升信噪比；其二，梯度计模式往往会增大原子磁力计探头尺寸，尺寸的增加会降低穿戴式脑磁图仪的稳定性和通道数量。

发明内容

基于此，本申请提供穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统及方法，解决基于小型原子磁力计的穿戴式脑磁图仪易受环境噪声干扰的问题，在保证小型原子磁力计硬件结构及脑磁信号幅度不变的基础上，实现环境噪声抑制，有效提升MEG信噪比。

为解决上述技术问题，本申请提供一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统，包括磁屏蔽房、脑磁测量帽、原子磁力计探测传感器阵列、原子磁力计参考传感器阵列，

被试者头戴所述脑磁测量帽置于所述磁屏蔽房内，所述原子磁力计探测传感器阵列设置在所述脑磁测量帽内，所述原子磁力计参考传感器阵列设置在被试者头部上方，

还包括设置在所述磁屏蔽房外的原子磁力计电子学系统、传感器控制采集与处理系统、刺激器控制系统，以及设置在所述磁屏蔽房内的视听觉刺激器模块，

所述原子磁力计探测传感器阵列和所述原子磁力计参考传感器阵列采集到的信号由所述原子磁力计电子学系统输出至所述传感器控制采集及处理系统，进行环境噪声去除及脑磁数据处理，

所述视听觉刺激器模块，用于产生各类感官刺激，所述视听觉刺激器模块由所述磁屏蔽房外的刺激器控制系统控制并和采集到的脑磁数据进行时序同步。

优选的，所述原子磁力计参考传感器阵列包括三个原子磁力计参考传感器，所述三个参考传感器正交布置，分别用于探测XYZ三个正交方向环境噪声。

优选的，所述原子磁力计参考传感器阵列固定在参考传感器阵列支架上，并设置在被试者头部上方10-20cm，使其只能探测到环境磁场。

优选的，所述脑磁测量帽采用柔性测量帽，可根据任意被试者头型调整测量帽大小并紧贴被试者头皮。

优选的，所述磁屏蔽房内部还包括匀场梯度线圈组，所述匀场梯度线圈组用于补偿所述磁屏蔽房内部中心区域剩磁至1nT。

优选的，所述穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制在磁屏蔽房中进行，被试者头部佩戴脑磁测量帽，接受视听觉刺激器模块产生的各类感官相关刺激，并由刺激器控制系统所控制，设置在被试者头部上部的所述原子磁力计参考传感器阵列和设置在所述脑磁测量帽内的原子磁力计探测传感器阵列探测的信号经过所述磁屏蔽房外的磁力计电子学系统，输出到传感器控制采集与处理系统，进行环境噪声去除及脑磁数据处理。

优选的，所述原子磁力计参考传感器阵列由三通道原子磁力计正交布置在被试者头部上方10-20cm，分别探测XYZ三个正交方向环境噪声，具体环境噪声抑制方法为：

去除环境噪声后的探测传感器阵列信号矩阵Dr可表示为：

D_r＝D-b·R

D＝{D₁，D₂，D₃...D_i...D_N}

R＝{R_x，R_y，R_z}

其中，D为去噪前探测传感器阵列信号矩阵，D₁，D₂，D₃...D_i...D_N分别表示N通道探测传感器数据；R为参考传感器阵列所测环境噪声，R_x，R_y，R_z表示三个正交方向的环境噪声；b为N×3的权重系数矩阵，取决于三个参考传感器阵列和探测传感器阵列之间的相对距离以及所测磁场方向，

权重系数矩阵b计算可采用最小二乘法，表示如下：

b＝R⁺·D

其中，R⁺为参考传感器信号矩阵的伪逆。

本申请的有益效果：

本申请提供的基于小型原子磁力计的穿戴式脑磁图仪系统配置技术方案，相比传统SQUID脑磁图仪，该系统技术方案结构更加简易，轻便和灵活。此外，该穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制方法无需对每个原子磁力计探测传感器进行梯度式排布配置，在保持原有柔性测量帽上探测传感器配置不变的基础上，即可实现保持脑磁信号强度不衰减且有效抑制屏蔽房环境噪声，提升脑磁信号信噪比。

附图说明

图1为本申请实施例提供的穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统的结构图；

图2为本申请实施例提供的穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统的头部结构放大图；

图3为本申请实施例提供的穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制方法的原理图；

图4为本申请实施例提供的实验1原始脑磁信号数据功率密度谱图；

图5为本申请实施例提供的实验1去噪脑磁信号数据功率密度谱图；

图6为本申请实施例提供的实验2原始脑磁数据功率密度谱图；

图7为本申请实施例提供的实验2去噪脑磁数据功率密度谱图；

图8为本申请实施例提供的实验2原始脑磁数据时域图；

图9为本申请实施例提供的实验2去噪脑磁数据时域图。

附图中各标号的含义为：

1、磁屏蔽房；2、脑磁测量帽；3、原子磁力计探测传感器阵列；

4、原子磁力计参考传感器阵列；5、参考传感器阵列固定支架；

6、匀场梯度线圈组；7、原子磁力计电子学系统；8、传感器控制采集与处理系统；

9、视听觉刺激器模块；10、刺激器控制系统控制。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

实施例1：

本申请提供一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统，包括磁屏蔽房1，被试者头戴脑磁测量帽2置于所述磁屏蔽房1内，所述脑磁测量帽2内设置插槽阵列，所述插槽阵列内设置原子磁力计探测传感器阵列3，被试者头上方设置原子磁力计参考传感器阵列4，

所述原子磁力计探测传感器阵列3和所述原子磁力计参考传感器阵列4探测到的信号经过所述磁屏蔽房1外的原子磁力计电子学系统7，输出到传感器控制采集与处理系统8，进行环境噪声去除及脑磁数据的相关处理。

所述磁屏蔽房1内还包括视听觉刺激器模块9，用于产生各类感官刺激，所述视听觉刺激器模块9由所述磁屏蔽房1外的刺激器控制系统10控制并由其输出一路同步触发信号至传感器控制采集及处理系统8，用于和上述采集到的脑磁数据进行时序同步。

所述原子磁力计参考传感器阵列4由三通道原子磁力计参考传感器正交摆放构成，分别用于探测XYZ三个正交方向环境噪声。所述原子磁力计参考传感器阵列4固定在原子磁力计参考传感器支架5上，距离被试者头部上方10-20cm区域。使所述原子磁力计参考传感器阵列4只能探测到环境磁场噪声，从而有效进行环境噪声抑制。

磁屏蔽房1用于屏蔽环境剩磁至10nT以内，使传感器处于正常工作状态。

所述环境噪声抑制系统还包括设置在所述磁屏蔽房1内的匀场梯度线圈组6，所述匀场梯度线组圈6用于进一步补偿磁屏蔽房1内部剩磁至1nT，使被试者在测量过程中头部可自然运动。

脑磁测量帽2采用柔性测量帽，根据被试者任意头型调整大小，并且很好的贴近被试者头皮，在所述脑磁测量帽2表面根据原子磁力计的尺寸布置插槽，实验中将原子磁力计探测传感器阵列3插入脑磁测量帽2表面的插槽中。

本申请提供的基于小型原子磁力计的穿戴式脑磁图仪系统配置技术方案，相比传统SQUID脑磁图仪，该系统技术方案结构更加简易，轻便和灵活。此外，该穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制方法无需对每个原子磁力计探测传感器进行梯度式排布配置，在保持原有柔性测量帽上探测传感器配置不变的基础上，即可实现保持脑磁信号强度不衰减且有效抑制屏蔽房环境噪声，提升脑磁信号信噪比。

实施例2：

一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制方法，又可称为虚拟合成梯度去噪方法，包括：穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制在磁屏蔽房1中进行，被试头部佩戴脑磁测量帽2，接受视听觉刺激器模块9产生的听觉、视觉或触觉等相关刺激，并由刺激模块控制系统10所控制，原子磁力计参考传感器阵列4设置在被试者头部上方，原子磁力计参考传感器阵列4和设置在所述脑磁测量帽2内的原子磁力计探测传感器阵列3的信号经过所述磁屏蔽房1外的原子磁力计电子学系统7，输出到传感器控制采集与处理系统8，进行环境噪声去除及脑磁数据处理。

所述原子磁力计参考传感器阵列4由三通道原子磁力计正交布置，分别探测XYZ三个正交方向环境噪声，环境噪声抑制的具体方法为：

去除环境噪声后的探测传感器阵列信号矩阵D_r可表示为：

D_r＝D-b·R

D＝{D₁，D₂，D₃...D_i...D_N}

R＝{R_x，R_y，R_z}

其中，D为去噪前探测传感器阵列信号矩阵，D₁，D₂，D₃...D_i...D_N分别表示N通道探测传感器数据；R为参考传感器阵列所测环境噪声，R_x，R_y，R_z表示三个正交方向的环境噪声；b为N×3的权重系数矩阵，取决于三个参考传感器阵列和探测传感器阵列之间的相对距离以及所测磁场方向，

权重系数矩阵b计算可采用最小二乘法，表示如下：

b＝R⁺·D

其中，R⁺为参考传感器信号矩阵的伪逆。

本申请经过两类实验进行验证可行性，一类实验是在屏蔽室内直接使用本申请提出的虚拟合成梯度去噪方法对屏蔽室内部环境噪声进行抑制；另一类实验是通过在屏蔽房添加模拟白噪声，利用本申请提出的虚拟合成梯度去噪方法对环境中模拟白噪声进行噪声抑制。

实验1：

通过设计光刺激任务来验证本申请所提出的虚拟合成梯度去噪方法，三个原子磁力计参考传感器位于参考传感器支架5正交摆放，调整原子磁力计参考传感器阵列4的位置，在头部上方15厘米左右。设计光刺激任务用于检测α节律脑磁信号，在被试者头部枕区布置原子磁力计探测传感器阵列3，使用磁屏蔽房1内部光照进行光刺激，被试者坐在磁屏蔽房1中通过扬声器声音指示做交替闭眼和睁眼实验。

利用本申请提出的虚拟合成梯度去噪方法，结果如图3和4所示，从结果中可以看出，去噪以后，原子磁力计探测传感器阵列采集到的屏蔽房环境噪声得到了大幅度抑制，同时8Hz-13Hz处的α节律脑磁信号幅度并未有衰减。

实验2：

本组实验是通过沿着屏蔽房的内壁安装的三对正交线圈，利用信号发生器产生一个空间模拟白噪声。被试者坐在屏蔽房的内部，头部尽量位于屏蔽房中心位置，使其处于线圈匀场区间内，三个原子磁力计参考传感器位于支架正交摆放，调整原子磁力计参考传感器的位置，在头部上方15厘米左右。同样进行光刺激任务实验，被试睁眼5s，闭眼10s，交替10组。

原始及去噪后脑磁数据功率密度谱图如图6和图7所示，从图中可以看出，利用本申请提出的虚拟合成梯度去噪方法，模拟白噪声可以得到大幅度抑制。原始及去噪后脑磁数据时域图如图8和图9所示，实验结果表明，引入模拟白噪声后，去噪前原始α节律脑磁信号全部淹没在白噪声中，而通过本申请提出的虚拟合成梯度去噪法处理后，可以在我们所感兴趣的频段(8Hz-13Hz)看到明显周期规律的α节律脑磁信号。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统，其特征在于，包括磁屏蔽房、脑磁测量帽、原子磁力计探测传感器阵列、原子磁力计参考传感器阵列，

被试者头戴所述脑磁测量帽置于所述磁屏蔽房内，所述原子磁力计探测传感器阵列设置在所述脑磁测量帽内，所述原子磁力计参考传感器阵列设置在被试者头部上方，

还包括设置在所述磁屏蔽房外的原子磁力计电子学系统、传感器控制采集与处理系统、刺激器控制系统，以及设置在所述磁屏蔽房内的视听觉刺激器模块，

所述原子磁力计探测传感器阵列和所述原子磁力计参考传感器阵列采集到的信号由所述原子磁力计电子学系统输出至所述传感器控制采集及处理系统，进行环境噪声去除及脑磁数据处理，

所述视听觉刺激器模块，用于产生各类感官刺激，所述视听觉刺激器模块由所述磁屏蔽房外的刺激器控制系统控制并和采集到的脑磁数据进行时序同步。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统，其特征在于，所述原子磁力计参考传感器阵列包括三个原子磁力计参考传感器，所述三个参考传感器正交布置，分别用于探测XYZ三个正交方向环境噪声。

3.根据权利要求2所述的一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统，其特征在于，所述原子磁力计参考传感器阵列固定在参考传感器阵列支架上，并设置在被试者头部上方10-20cm，使其只能探测到环境磁场。

4.根据权利要求1所述的一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统，其特征在于，所述脑磁测量帽采用柔性测量帽，可根据任意被试者头型调整测量帽大小并紧贴被试者头皮。

5.根据权利要求1所述的一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制系统，其特征在于，所述磁屏蔽房内部还包括匀场梯度线圈组，所述匀场梯度线圈组用于补偿所述磁屏蔽房内部中心区域剩磁至1nT。

6.一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制方法，其特征在于，所述穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制在磁屏蔽房中进行，被试者头部佩戴脑磁测量帽，接受视听觉刺激器模块产生的各类感官相关刺激，并由刺激器控制系统所控制，设置在被试者头部上部的所述原子磁力计参考传感器阵列和设置在所述脑磁测量帽内的原子磁力计探测传感器阵列探测的信号经过所述磁屏蔽房外的磁力计电子学系统，输出到传感器控制采集与处理系统，进行环境噪声去除及脑磁数据处理。

7.根据权利要求6所述的一种穿戴式脑磁图仪环境噪声抑制方法，其特征在于，所述原子磁力计参考传感器阵列由三通道原子磁力计正交布置在被试者头部上方10-20cm，分别探测XYZ三个正交方向环境噪声，具体环境噪声抑制方法为：

去除环境噪声后的探测传感器阵列信号矩阵D_r可表示为：

D_r＝D-b·R

D＝{D₁，D₂，D₃...D_i...D_N}

R＝{R_x，R_y，R_z}

其中，D为去噪前探测传感器阵列信号矩阵，D₁，D₂，D₃...D_i...D_N分别表示N通道探测传感器数据；R为参考传感器阵列所测环境噪声，R_x，R_y，R_z表示三个正交方向的环境噪声；b为N×3的权重系数矩阵，取决于三个参考传感器阵列和探测传感器阵列之间的相对距离以及所测磁场方向，

权重系数矩阵b计算可采用最小二乘法，表示如下：

b＝R⁺·D

其中，R⁺为参考传感器信号矩阵的伪逆。

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