自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统及方法

1.本发明属于原子磁强计以及脑磁测量技术领域，具体涉及一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统及方法，旨在能够自动跟踪补偿外界低频干扰磁场的原子磁强计探头系统，从而将其应用于脑磁的测量，克服目前脑磁探测系统无法在动态条件下工作的缺陷。


背景技术：

2.随着量子科学与技术的发展，基于原子无自旋交换碰撞弛豫态(spin exchange relaxationfree regime:serf)的超高灵敏原子磁强计(原子磁强计)被提出并得到实验验证，它的测量灵敏度超过超导量子干涉磁强计，成为世界上灵敏度最高的磁场测量传感器。由于原子磁强计的超高灵敏特性，可以被应用于脑磁的测量，并且较超导量子干涉磁强计来说存在诸多优势。由于大脑产生的磁场远远小于地磁场，因此，为了对脑磁进行测量需要对地磁场进行屏蔽，除此之外地磁场中存在低频变化的成分也影响脑磁的测量。为此，一般使用磁屏蔽房进行地磁屏蔽，为了进一步减小屏蔽室的磁场，通过放置补偿线圈在屏蔽房内部进一步对剩余磁场进行补偿。即便如此，脑磁的信号强度还是低于剩余磁场4个数量级，并且如果要测量人体运动的脑磁信号，则在屏蔽房内部探头在不同屏蔽室空间感受到的背景磁场变化也远大于脑磁信号的幅度，为此，需要开发一种能补偿低频干扰磁场的方法使得即便在运动的状态下可以对脑磁信号进行抗噪声的探测。现有的原子磁强计脑磁探测系统仅仅使用补偿线圈进行脑磁探头干扰磁场的动态补偿，存在补偿能力差的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统及方法，通过超极化核自旋产生一个磁场，在特定的条件下，核自旋可以自动跟踪补偿外界低频干扰磁场，使得磁强计中的电子自旋只对高频的脑磁信号敏感，大幅提高原子磁强计进行脑磁测量的可用性。
4.为达到上述目的，本发明所述一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，括地磁屏蔽室、多个原子磁强计探头和数据读取和处理系统；
5.所述原子磁强计探头设置在地磁屏蔽室内，用于整个大脑脑磁的扫描探测，所述数据读取和处理系统位于地磁屏蔽室外，原子磁强计探头和数据读取和处理系统连接，数据读取和处理系统对多个原子磁强计探头所读取的信号进行处理，对整个大脑区域的生物磁信号进行成像；
6.所述原子磁强计探头包括mems碱金属气室，所述mems碱金属气室内充有碱金属原子a、惰性气体同位素原子b以及氮气c，所述mems碱金属气室两侧分别设置有第一全反射棱镜和第二全反射棱镜，mems碱金属气室外侧设置有主磁场线圈和磁场调制线圈，第二全反射棱镜下方设置有第二光电探测器；所述第一全反射棱镜正下方自上至下依次设置有λ/4波片、分光片、偏振片和第一光学透镜，所述分光片一侧设置有第一光电探测器；所述第一
光电探测器和第二光电探测器均与微弱光电流放大器的输入端连接；
7.数据读取和处理系统包括微弱光电流放大器、信号处理模块和抽运激光器，微弱光电流放大器的输出端与信号处理模块的输入端连接，所述抽运激光器与第一光学透镜连接；所述信号处理模块用于将微弱光电流放大器的输出信号转换为待测大脑的微弱大脑磁场信号。
8.进一步的，mems碱金属气室包括顶板、底板和侧壁，所述顶板和底板透光，mems碱金属气室侧壁为硅材料。
9.进一步的，碱金属原子a为rb原子，惰性气体同位素原子b为
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xe。
10.进一步的，数据读取和处理系统还包括加热激光器，所述加热激光器通过光纤与第二光学透镜连接，所述第二光学透镜设置在mems碱金属气室正下方。
11.进一步的，mems碱金属气室设置在保温隔热腔体内。
12.进一步的，保温隔热腔体内设置有真空中隔热片。
13.进一步的，地磁屏蔽室内设置有磁场补偿线圈。
14.基于上述的原子磁强计系统的生物磁测量方法，包括以下步骤：
15.s1：使地磁屏蔽室降低到10nt以内，调节抽运激光器波长至碱金属原子a的d1线吸收波长，加热mems碱金属气室，使碱金属原子a吸收抽运光的光学深度为1～3；
16.s2：调节抽运激光器的抽运激光功率，使得碱金属原子a的电子自旋极化率达到40％-60，待惰性气体同位素原子b至稳定状态时寻找自动补偿干扰磁场工作点，将此工作点作为系统的工作点；
17.s3：施加给磁场调制线圈一个交流电压，调制频率为ωm，则调制线圈将产生一个交流磁场信号，在此交流磁场的作用下，碱金属原子a的电子自旋受到磁场调制，产生一个抽运激光的吸收调制信号，所述吸收调制信号的频率和调制频率相同，大小受到交流磁场大小的影响；吸收调制信号最终被第二光电探测器所接收，读取经过电流转电压放大的第二光电探测器和第一光电探测器电流差分信号，通过信号处理模块中的锁相环电路提取微弱光电流放大器输出的一倍频信号，参考信号选择施加给调制线圈的交流磁场信号；
18.s4：将主磁场线圈产生的主磁场大小调节为电子自旋磁场和核自旋磁场之和，方向调节为核自旋磁场、电子自旋磁场反方向，此时原子磁强计探头工作在自动跟踪补偿外界干扰磁场的状态，开始进行测量。
19.进一步的，s2中，使碱金属原子a的电子自旋极化率达到40％-60％，的过程为：
20.测量不同抽运光功率下的电子自旋总弛豫率，测得一条电子自旋总弛豫率和抽运光功率的关系直线，拟合直线，得到0抽运光功率下的直线截距，此时的弛豫率为电子自旋总弛豫率中不包括抽运光的部分，记为r1，寻找电子自旋总弛豫率r2为2r1时的抽运光功率点，此时的抽运光功率为电子自旋极化率达到50％的点。
21.进一步的，s2中，寻找自动补偿干扰磁场工作点的过程为：先设定一个主磁场的大小，此时在垂直于主磁场、平行于调制磁场线圈所产生磁场的方向施加一个阶跃磁场，记录磁强计的阶跃响应输出稳态幅值和未施加阶跃磁场之前的稳态幅值之差dv，改变主磁场的大小，当dv为0时，即所施加的主磁场为自动跟踪补偿外界干扰磁场的点。
22.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
23.发明提出一种自动跟踪补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，通过超极
化核自旋产生一个磁场，同时施加外界恒定磁场，恒定磁场的大小使得核自旋感受到和自己产生的磁场大小相等，此时核自旋可以自动跟踪补偿外界低频干扰磁场，保护电子自旋免于外界低频干扰磁场的侵扰，使电子自旋只敏感快速变化的极弱生物磁场，核自旋的存在类似于一种高通滤波器，低频干扰磁场被有效地抑制，使得磁强计中的电子自旋只对高频的脑磁信号敏感，大幅提高原子磁强计进行脑磁测量的可用性，有效地解决当前脑磁测量中背景低频干扰磁场太大所导致的脑磁信号测量较差的问题，有望突破现有头部静态状态下的脑磁测量局限，使得脑磁可以在头部运动的状态下有效地进行测量。有望使得基于原子磁强计的脑磁探测系统在运动的条件下发挥优异性能，对运动神经元的生物磁场进行有效地测量，大幅提高原子自旋磁强计的可用性。
24.为了达到核自旋能自动跟踪补偿外界干扰磁场的条件，本发明提出一种原子自旋磁强计的集成装置，使得气室、加热、保温隔热、光路和探测系统集成度高，体积小。
25.进一步的，所述数据读取和处理系统还包括加热激光器，所述加热激光器通过光纤与第二光学透镜连接，所述第二光学透镜设置在mems碱金属气室正下方，通过控制加热激光器的光强来调节mems碱金属气室的温度，激光加热的优势在于不会产生电磁干扰，从而保证不会产生淹没微弱脑磁信号的背景噪声信号。
26.进一步的，mems碱金属气室设置在保温隔热腔体内，保温隔热腔体用于保持mems碱金属气室的温度，隔绝热量的耗散，降低系统的总功耗。
27.进一步的，保温隔热腔体内设置有真空中隔热片，用于隔绝mems碱金属气室的热量向进行热传导，从而降低整个系统的功耗。
28.进一步的，地磁屏蔽室内设置有磁场补偿线圈，磁场补偿线圈用于进一步补偿地磁屏蔽室内部的剩余磁场，提高测量的准确性。
29.本发明所述的方法，通过施加使得核自旋感受到和自己产生的磁场大小相等的外界恒定磁场，达到核自旋能自动跟踪补偿外界干扰磁场的条件，保护电子自旋免于外界低频干扰磁场的侵扰，本发明有望使得基于原子磁强计的脑磁探测系统在运动的条件下发挥优异性能，对运动神经元的生物磁场进行有效地测量。
附图说明
30.图1是自动跟踪补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统实验装置示意图；
31.图2是原子磁强计探头结构简图；
32.图3是mems碱金属气室结构、充入原子种类以及原子自旋产生磁场示意图。
33.附图中：1、地磁屏蔽室，2、待测大脑，3、原子磁强计探头，4数据读取和处理系统，5、磁场补偿线圈，6、真空隔热系统玻璃窗口，7、第一全反射棱镜，8、第二全反射棱镜，9、mems碱金属气室，10、隔热片，11、保温隔热腔体，12、主磁场线圈，13、第二光电探测器，14、加热激光器，15、第一光学透镜，16、第二光学透镜，17、微弱光电流放大器，18、信号处理模块，19、磁场调制线圈，20、分光片，21、第一光电探测器，22、偏振片，23、λ/4波片，24、主磁场，25、电子自旋磁场，26、核自旋磁场，27、抽运激光器，28、光纤。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，
对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.本发明公开一种自动跟踪补偿外干扰磁场的生物磁原子磁强计；根据生物磁场的特点，首先极其微弱，磁场强度大约在1pt量级；其次，生物磁场所在的背景磁场往往比其本身大8个数量级，因此，如何提取微弱的生物磁场是生物磁测量的核心研究内容。在基于高导磁材料和补偿线圈的磁屏蔽基础上，如何进一步对低频变化磁场进行屏蔽是生物磁探测的核心。
37.参照图1，一种自动跟踪补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，包括地磁屏蔽室1、多个原子磁强计探头3、数据读取和处理系统4、磁场补偿线圈5。
38.地磁屏蔽室1内部两侧设置有磁场补偿线圈5，磁场补偿线圈5用于进一步补偿地磁屏蔽室内部的剩余磁场。原子磁强计探头3设置在地磁屏蔽室1内，并且待测大脑区域覆盖多个原子磁强计探头3，用于整个大脑脑磁的扫描探测。数据读取和处理系统4位于地磁屏蔽室1外，原子磁强计探头3和数据读取和处理系统4连接，数据读取和处理系统4对多个原子磁强计探头3所读取的信号进行处理，对整个大脑区域的生物磁信号进行成像。
39.如图2所示，所述原子磁强计探头3包含：第一光学透镜15、偏振片22、λ/4波片23、分光片20、第一光电探测器21、真空隔热系统玻璃窗口6、第一全反射棱镜7、第二全反射棱镜8、mems碱金属气室9、隔热片10、保温隔热腔体11、主磁场线圈12、磁场调制线圈19、第二光电探测器13和第二光学透镜16。其中，mems碱金属气室9中有核自旋磁场26、电子自旋磁场25和主磁场24。
40.数据读取和处理系统4包括微弱光电流放大器17、信号处理模块18、抽运激光器27和加热激光器14，微弱光电流放大器17的输出端与信号处理模块18的输入端连接。
41.保温隔热腔体11的一侧为真空隔热系统玻璃窗口6，mems碱金属气室9位于保温隔热腔体11内，且mems碱金属气室9的两侧相对设置第一全反射棱镜7和第二全反射棱镜8；主磁场线圈12贴在保温隔热腔体11外侧，为mems碱金属气室9中的原子提供直流主磁场，主磁场用于使得原子磁强计工作在磁场自补偿的状态，使得惰性气体核自旋原子感受到一个和自己所产生磁场大小相等，方向相反的磁场；磁场调制线圈19设置在mems碱金属气室9外侧，磁场调制线圈19用来产生垂直纸面的交流磁场，交流磁场用来调制碱金属原子的电子
自旋进动方向，使得原子磁强计处于正确的检测状态下；
42.mems碱金属气室9内部充入碱金属原子a、惰性气体同位素原子b以及氮气c；真空中隔热片10贴合mems碱金属气室9，用于隔绝热传导；λ/4波片23、第一光学透镜15、第二光学透镜16、第一光电探测器21、第二光电探测器13、偏振片22、分光片20均位于保温隔热腔体11的真空隔热系统玻璃窗口6的一侧；第二光学透镜16位于mems碱金属气室9正下方，通过光纤28与加热激光器14连接，第一光学透镜15与真空隔热系统玻璃窗口6之间自下至上依次设置有偏振片22、分光片20和λ/4波片23，第一光电探测器21设置在分光片20的外侧。加热激光器14出射激光经过光纤28进入第二光学透镜16，经过第二光学透镜16准直之后加热mems碱金属气室9，通过控制光强来调节mems碱金属气室9的温度。
43.其中，mems碱金属气室9主体结构包括顶板、底板和侧壁，由玻璃和硅组成，通过玻璃-硅键合工艺完成原子的封装，mems碱金属气室9两端的顶板和底板透光，为玻璃材质，mems碱金属气室9侧壁为硅材料，硅材料空腔结构为圆柱或者立方体，如图3所示，腔体内部充入3种原子，分别为a(优选rb原子)，b(优选
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xe)和c(选择n2)，b的充入量优选为5-20torr，c的充入量优选为500-760torr；通光玻璃面的直径或者边长在2mm-5mm之间，两个玻璃面的距离在2mm-5mm之间。经过抽运激光极化的原子a产生电子自旋磁场25，经过极化电子自旋超极化的惰性气体核自旋b产生核自旋磁场26，主磁场线圈12产生的主磁场24大小为电子自旋磁场25和核自旋磁场26之和，方向和核自旋磁场26、电子自旋磁场25相反。电子自旋磁场25和核自旋磁场26的大小通过电子自旋和核自旋的耦合动力学过程得到，当耦合系统的动态响应时间最短时，此时主磁场24的大小b1为核自旋磁场26的大小，通过读取主磁场线圈24所施加的磁场b1即可得到核自旋磁场26的大小；调节主磁场线圈24的磁场大小，当达到磁场自补偿的状态时，此时主磁场线圈所施加磁场b2为核自旋磁场26和电子自旋磁场25之和，因此，电子自旋磁场25为b
2-b1。
44.可以通过控制加热激光器14的电流从而控制加热激光功率，经过第二光学透镜16之后平行入射mems碱金属气室9，加热激光器14的波长优选1550nm。硅材料吸收光之后转化为热能，使得mems碱金属气室9温度达到100℃-200℃之间；
45.保温隔热腔体11用于保持mems碱金属气室9的温度，隔绝热量的耗散，降低系统的总功耗，隔热腔体的一侧为真空隔热系统玻璃窗口6，在封装时，保证保温隔热腔体11内部真空度＜100pa，有效地降低热传导带来的热量损耗，真空中隔热片10贴合mems碱金属气室9一侧，用于隔绝mems碱金属气室9的热量向11进行热传导。
46.调节保温隔热腔体11内部mems碱金属气室9的温度，当a原子吸收抽运光的光学深度为1～3时，即调节到所需要的工作温度。将抽运激光器27的波长调谐至a原子d1线共振吸收峰上，抽运激光器27输出的激光通过光纤28导入原子磁强计探头，后经所述第一光学透镜15进行整形后平行光输出，进入偏振片22后变为线偏振光，之后经过分光片20有部分光被反射进入第一光电探测器21，部分光透射进入λ/4波片23变为平行圆偏振光，圆偏振光通过真空隔热系统玻璃窗口6入射至第一全反射棱镜7，经过90度折返进入mems碱金属气室9，再次通过第二全反射棱镜8折返之后进入第二光电探测器13转变为电流信号，即第二光电探测器13接收透射抽运激光的光强，第一光电探测器21接收入射激光采样光强，两路光强经过光电流转换后同时输入到微弱光电流放大器17后进行光电流差分，即使得输出的直流光电流信号为0，此后经过微弱电流放大后变为电压输出信号，经过信号处理电路18转换为
最终的待测大脑2的微弱大脑磁场信号。
47.主磁场线圈12和磁场调制线圈19产生两组正交磁场，磁场调制线圈19为mems碱金属气室9提供交流磁场，其方向垂直于主磁场方向并且垂直纸面，从而对电子自旋a的方向进行调制，最终达到检测垂直纸面方向脑磁等生物磁场的效果。主磁场线圈12提供直流偏置磁场，磁场方向沿着抽运光方向。交流磁场用来调制碱金属原子的电子自旋进动方向(主要为了使得抽运激光器27所产生的抽运光、电子自旋a所构成的原子磁强计能对磁场进行正确、精密的测量)，具体的原理和实施方式见步骤s3，交流磁场幅度在100-2000nt，a原子的电子自旋受到磁场调制，则透射抽运光的光强也受到调制，读取光电探测器经过放大之后的信号，通过信号处理电路中的锁相环电路提取微弱电流放大器之后的一倍频信号，参考信号选择施加给磁场调制线圈的交流磁场信号。正确地施加直流主磁场可以使得系统工作在自动跟踪补偿磁场的状态，具体的实施方式请见步骤s2，则系统工作在正常状态，可以对干扰低频磁场进行抵抗，而对于高频脑磁信号进行正常的敏感测量；直流磁场大小在-2000nt-2000nt之间,所施加偏置磁场的大小对于实现自动跟踪补偿外界干扰磁场的功能至关重要。
48.本发明的原理如下：
49.设mems碱金属气室9中原子a的密度为na，原子b的密度为nb，原子a通过自旋交换碰撞相互作用对原子b进行超极化，处于稳定状态下，假设超极化的原子b产生的被原子a感受到的核自旋磁场26为bn，而原子a产生的等效的被原子b感受到的电子自旋磁场25为be，上述两种磁场都在抽运光方向。同时在抽运光方向通过主磁场线圈12施加主磁场24为-(bn be)，则原子b感受到一个和自己产生磁场大小相等，方向相反的磁场，在此状态下，核自旋可以自动跟踪补偿外界干扰磁场，比如在垂直纸面方向由于地磁场变化而导致的屏蔽筒内部的变化磁场。
50.假设外界输入干扰磁场为by，设垂直纸面方向为y方向，同时假定抽运激光方向为z方向。在此状态下，原子b的核自旋将稳定在一个新的方向，并且产生一个y方向的投影磁场，投影磁场的大小和by相等且方向相反，即核自旋对外界的by进行了补偿。电子自旋将无法感受到by的影响。由于核自旋的动态范围可以调节，即可以对其补偿磁场的带宽进行调节，因此，可以调节核自旋的带宽，使得核自旋对低于一定频率的干扰磁场进行补偿，而对于高于这个频率的磁场不具备补偿能力。对于电子自旋来说，对高频率成分的磁场刚好可以敏感，因此，可以利用此方法来补偿低频的干扰磁场，对于脑磁等频率较高的成分进行正常测量，即所谓的自动跟踪补偿外界干扰磁场的方法。
51.一种自动跟踪补偿外干扰磁场的生物磁测量方法，该方法包括如下步骤：
52.s1：调节磁场补偿线圈5的电流使得待测大脑2所处区域及附近的磁场充分地降低到10nt以内，调节抽运激光器27的波长至碱金属原子a的d1线吸收波长，此时激光器和原子的相互作用最强，输出信号最强。调节加热激光器14的功率使得mems碱金属气室9内部的a原子吸收抽运光的光学深度为1～3时，即调节到所需要的工作温度；
53.s2：调节所述抽运激光器27的抽运激光功率，使得碱金属a的电子自旋极化率达到40％-60％(优选碱金属a的电子自旋极化率达到50％的点)，测量不同抽运光功率下的电子自旋总弛豫率，测得一条电子自旋总弛豫率和抽运光功率的关系直线，拟合直线，得到0抽运光功率下的直线截距，此时的弛豫率为电子自旋总弛豫率中不包括抽运光的部分，记为
r1，寻找电子自旋总弛豫率r2为2r1时的抽运光功率点，此时的抽运光功率为电子自旋极化率达到50％的点。
54.待抽运核自旋b至稳定状态时进行自动补偿干扰磁场工作点的寻找，自补偿工作点的寻找思路为施加干扰磁场，当系统对直流磁场不响应的时候即达到了核自旋自动跟踪补偿外界干扰磁场的状态，达到自补偿状态跟主磁场24的大小相关，为此，先设定一个主磁场24的大小，此时在垂直于主磁场、平行于调制磁场线圈19所产生磁场的方向施加一个阶跃磁场，此阶跃磁场可以被认为是干扰的直流磁场，记录磁强计的阶跃响应输出稳态幅值和未施加阶跃磁场之前的稳态幅值之差dv，改变主磁场24的大小，当dv为0时，即所施加的主磁场24为自动跟踪补偿外界干扰磁场的点，即为系统的工作点。
55.s3：通过信号源施加给磁场调制线圈19一个交流电压，调制频率为ωm，则调制线圈19将产生一个交流磁场信号，在此交流磁场的作用下，原子a的电子自旋受到磁场调制，在抽运光方向电子自旋极化率将以ωm以及2ωm的频率受到调制。由于抽运光被吸收的量和抽运光方向的电子自旋极化率成正比，利用交流磁场调制原子自旋时会使得原子自旋的极化率在抽运光方向按照正弦变化，包含和调制频率相同的频率成分以及2倍于调制信号频率的信号成分，因此将产生一个抽运激光的吸收调制信号，此信号的频率同时包含ωm以及2ωm成分，大小受到交流磁场大小的影响，吸收调制信号最终被第二光电探测器13所接收，进行进一步的信号处理。第二光电探测器13所接收到的吸收调制信号和第一光电探测器22所接收到的光强信号进行差分，其中第一光电探测器21所接收到的采样光强信号为光学透镜15之后通过分光片20采样到的抽运激光器27所发出的激光，其中采样光强信号大小和第二光电探测器13所接收到的吸收调制信号的直流成分大小相等，即所谓光电流的差分。差分后的光吸收调制信号只包含频率为ωm和2ωm的交流流成分。光电流放大器17读取经过电流转电压放大的第二光电探测器13和第一光电探测器22电流差分信号，通过信号处理模块18中的锁相环电路提取微弱光电流放大器17输出的一倍频信号同相位x部分幅值v
x
(一倍频信号频率和ωm相同)，进入锁相环的参考信号选择施加给调制线圈19的交流磁场信号，频率为ωm。调节锁相环的相位，使得v
x
最大。通过改变输入到调制线圈的电压调节调制磁场的幅度，使得在同样的输入的待测磁场下，输出的v
x
最大，即完成了调制磁场幅值的优化，磁强计工作在最优的调制磁场幅值点；
56.s4：将主磁场线圈12产生的主磁场24大小调节为电子自旋磁场25和核自旋磁场26之和，方向调节为核自旋磁场26、电子自旋磁场25反方向，通过原子磁强计探头3对待测大脑2的脑磁信号进行测量，其中原子磁强计探头3的真空隔热腔体11将直接和大脑接触，原子磁强计探头3工作在自动跟踪补偿外界干扰磁场的状态，对低频的变化干扰磁场不敏感，而对于脑磁等较高频率的微弱生物磁场敏感，即实现一种自动跟踪补偿外界干扰低频磁场的原子磁强计系统，脑磁的微弱磁场信号测量结果将通过信号处理模块18给出，输入到电脑进行脑磁影像信号的还原。
57.下面来说明对干扰磁场的补偿能力，假设在y方向施加干扰磁场bycos(ωt)，则电子自旋、核自旋都会对这个干扰磁场进行响应，并且电子自旋-核自旋存在耦合，而探测系统只检测电子自旋，因此核自旋对此交流磁场的响应也存在于最终的输出中。核自旋感受到的磁场大小为bn，因此，定义特征频率ωn，ω
n＝
γ
nbn
，其中γn为核自旋的旋磁比。在核自旋磁场自补偿的状态，等效输入系统的磁场b
eff
为：
[0058][0059]
其中，c为一个常数因子，主要和电子自旋的弛豫率以及电子自旋产生的磁场相关，从以上公式可以看出，在干扰磁场的频率趋向于0时，输入的干扰磁场被衰减了ω/ωn,，即常值干扰磁场的输入下，频率趋向于0，等效磁场输入为0，即对常值磁场实现了抑制。对于高频磁场来说，抑制能力会变差，可以保持对高频磁场测量的灵敏度。
[0060]
假设y方向调制线圈的调制磁场为bmcos(ωmt)，由于调制磁场的作用，稳定状态时，z方向电子自旋的极化率也会被调制，并且调制频率包含ωm和2ωm两种成分，进而抽运光的光强也会被调制，因为抽运光吸收的光强和z方向a的电子自旋极化率p成正比，通过信号处理模块18，主要为锁相环电路。以bmcos(ωmt)调制信号为参考信号，解调抽运激光的吸收信号，解调后，ωm一倍频信号的幅值v和输入调制磁场bycos(ωt)的关系为：
[0061][0062]
其中，p
ze
为a原子电子自旋在z方向的极化率大小，一般为0.5，γe为电子自旋的旋磁比，r
tot
为a原子电子自旋的总弛豫率，包括自旋破坏碰撞弛豫、自旋交换碰撞弛豫以及光抽运率k1为一个系数，他表示由于调制作用，导致的输出等效电子自旋极化率的衰减，一般为0.8左右，k2为电子自旋极化率转变为光吸收的系数，和光电探测器的转换效率、光电探测器放大器的电流-电压放大倍数等相关，为输出信号和输入干扰低频磁场的相位差值。通过将一倍频信号的幅值v进行解调，其中参考信号为bmcos(ωmt)，可以得到锁相放大器同相位项(x)的读数v1为：
[0063][0064]
通过以上公式可以看出，信号处理模块18中锁相放大器同相位项的输出即系统的输出信号和输入by成正比，即可以对需要测量的微弱脑磁信号(y方向磁场)进行测量。
[0065]
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
[0066]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，其特征在于，包括地磁屏蔽室(1)、多个原子磁强计探头(3)和数据读取和处理系统(4)；所述原子磁强计探头(3)设置在地磁屏蔽室(1)内，用于整个大脑脑磁的扫描探测，所述数据读取和处理系统(4)位于地磁屏蔽室(1)外，原子磁强计探头(3)和数据读取和处理系统(4)连接，数据读取和处理系统(4)对多个原子磁强计探头(3)所读取的信号进行处理，对整个大脑区域的生物磁信号进行成像；所述原子磁强计探头(3)包括mems碱金属气室(9)，所述mems碱金属气室(9)内充有碱金属原子a、惰性气体同位素原子b以及氮气c，所述mems碱金属气室(9)两侧分别设置有第一全反射棱镜(7)和第二全反射棱镜(8)，mems碱金属气室(9)外侧设置有主磁场线圈(12)和磁场调制线圈(19)，第二全反射棱镜(8)下方设置有第二光电探测器(13)；所述第一全反射棱镜(7)正下方自上至下依次设置有λ/4波片(23)、分光片(20)、偏振片(22)和第一光学透镜(15)，所述分光片(20)一侧设置有第一光电探测器(21)；所述第一光电探测器(21)和第二光电探测器(13)均与微弱光电流放大器(17)的输入端连接；数据读取和处理系统(4)包括微弱光电流放大器(17)、信号处理模块(18)和抽运激光器(27)，微弱光电流放大器(17)的输出端与信号处理模块(18)的输入端连接，所述抽运激光器(27)与第一光学透镜(15)连接；所述信号处理模块(18)用于将微弱光电流放大器(17)的输出信号转换为待测大脑(2)的微弱大脑磁场信号。2.根据权利要求1所述的一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，其特征在于，所述mems碱金属气室(9)包括顶板、底板和侧壁，所述顶板和底板透光，mems碱金属气室(9)侧壁为硅材料。3.根据权利要求1或2所述的一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，其特征在于，碱金属原子a为rb原子，惰性气体同位素原子b为
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xe。4.根据权利要求1所述的一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，其特征在于，所述数据读取和处理系统(4)还包括加热激光器(14)，所述加热激光器(14)通过光纤与第二光学透镜(16)连接，所述第二光学透镜(16)设置在mems碱金属气室(9)正下方。5.根据权利要求1所述的一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，其特征在于，所述mems碱金属气室(9)设置在保温隔热腔体(11)内。6.根据权利要求5所述的一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，其特征在于，所述保温隔热腔体(11)内设置有真空中隔热片(10)。7.根据权利要求1所述的一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统，其特征在于，所述地磁屏蔽室(1)内设置有磁场补偿线圈(5)。8.基于权利要求1所述的原子磁强计系统的生物磁测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：使地磁屏蔽室(1)降低到10nt以内，调节抽运激光器(27)的波长至碱金属原子a的d1线吸收波长，加热mems碱金属气室(9)，使碱金属原子a吸收抽运光的光学深度为1～3；s2：调节抽运激光器(27)的抽运激光功率，使得碱金属原子a的电子自旋极化率达到40％-60，待惰性气体同位素原子b至稳定状态时寻找自动补偿干扰磁场工作点，将此工作点作为系统的工作点；s3：施加给磁场调制线圈(19)一个交流电压，调制频率为ω
m
，则调制线圈(19)将产生一
个交流磁场信号，在此交流磁场的作用下，碱金属原子a的电子自旋受到磁场调制，产生一个抽运激光的吸收调制信号，所述吸收调制信号的频率和调制频率相同，大小受到交流磁场大小的影响；吸收调制信号最终被第二光电探测器(13)所接收，读取经过电流转电压放大的第二光电探测器(13)和第一光电探测器(22)电流差分信号，通过信号处理模块(18)中的锁相环电路提取微弱光电流放大器(17)输出的一倍频信号，参考信号选择施加给调制线圈(19)的交流磁场信号；s4：将主磁场线圈(12)产生的主磁场(24)大小调节为电子自旋磁场(25)和核自旋磁场(26)之和，方向调节为核自旋磁场(26)、电子自旋磁场(25)反方向，此时原子磁强计探头工作在自动跟踪补偿外界干扰磁场的状态，开始进行测量。9.根据权利要求8所述的生物磁测量方法，其特征在于，所述s2中，使碱金属原子a的电子自旋极化率达到40％-60，的过程为：测量不同抽运光功率下的电子自旋总弛豫率，测得一条电子自旋总弛豫率和抽运光功率的关系直线，拟合直线，得到0抽运光功率下的直线截距，此时的弛豫率为电子自旋总弛豫率中不包括抽运光的部分，记为r1，寻找电子自旋总弛豫率r2为2r1时的抽运光功率点，此时的抽运光功率为电子自旋极化率达到50％的点。10.根据权利要求8所述生物磁测量方法，其特征在于，所述s2中，寻找自动补偿干扰磁场工作点的过程为：先设定一个主磁场(24)的大小，此时在垂直于主磁场、平行于调制磁场线圈(19)所产生磁场的方向施加一个阶跃磁场，记录磁强计的阶跃响应输出稳态幅值和未施加阶跃磁场之前的稳态幅值之差dv，改变主磁场(24)的大小，当dv为0时，即所施加的主磁场(24)为自动跟踪补偿外界干扰磁场的点。

技术总结
本发明公开了一种自动补偿外干扰磁场的生物磁测量原子磁强计系统及方法，所述系统通过超极化核自旋产生磁场，同时施加外界恒定磁场，恒定磁场的大小使得核自旋感受到和自己产生的磁场大小相等，此时核自旋可以自动跟踪补偿外界低频干扰磁场，保护电子自旋免于外界低频干扰磁场的侵扰，使电子自旋只敏感快速变化的极弱生物磁场，使得磁强计中的电子自旋只对高频的脑磁信号敏感，大幅提高原子磁强计进行脑磁测量的可用性，有效地解决当前脑磁测量中背景低频干扰磁场太大所导致的脑磁信号测量较差的问题，有望突破现有头部静态状态下的脑磁测量局限，使得脑磁可以在头部运动的状态下有效地进行测量。有效地进行测量。有效地进行测量。


技术研发人员：陈瑶 蒋庄德 赵立波 马银涛 于明智 王延斌 郭举 林启敬
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25