醫用磁強計的制作方法【專利摘要】醫療磁強計(10)包含檢測像心臟那樣的對象身體的區域的時變磁場的一個或多個感應線圈(2)。每個線圈具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少0.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置。每個感應線圈(2)與各自檢測電路耦合，該檢測電路包含低阻抗放大器(3)、低通濾波器(5)、除去線路噪聲的陷波濾波器(6)、和求平均元件(7)。每個檢測電路產生用于分析對象身體的該區域的時變磁場的輸出信號(9)。【專利說明】醫用磁強計【
技術領域：
】[0001]本發明涉及像用作心臟磁強計那樣的醫用磁強計。【
背景技術：
】[0002]醫用磁強計可以用在許多醫療狀況下，以便能夠測量與人體有關或由人體產生的磁場。例如，磁場測量可以用于診斷和調查膀胱狀況、胎兒發育異常、早產、和心臟，以及用于腦圖測量。[0003]眾所周知，例如，心臟的磁場的測量可以，例如，為診斷目的提供有用信息。例如，心臟的磁場包含未包含在ECG(心電圖）中的信息因此，心磁圖掃描可以提供與傳統ECG不同和另外的診斷信息。[0004]現代心臟磁強計是使用具有在I-IOOfT/VHz之間的噪聲本底的超靈敏SQUID(超導量子干涉器件）傳感器構建的。這樣的器件表現良好，并且具有完善的診斷能力。[0005]但是，SQUID磁強計工作起來非常昂貴，因為它們需要低溫冷卻。它們的相關裝置和真空室也是幾個龐大裝備。這限制了可用在醫療環境中的SQUID磁強計的適用性，例如，由于成本和便攜性方面的考慮。[0006]磁強計的另一種已知形式是感應線圈磁強計。感應線圈磁強計超過SQUID磁強計的優點在于不需要低溫冷卻，它們相對較便宜并易于制造，它們可以得到范圍寬廣的應用，以及它們沒有DC靈敏度。[0007]但是，感應線圈磁強計不適用于心磁圖測量。這是因為心磁圖測量需要弱磁場(<nT)、低頻（〈100Hz)感測，可以達到這樣靈敏度的現有感應線圈磁強計太大，無法實際用作心臟探針。[0008]例如，當希望設計極靈敏感應線圈磁力時，傳統的做法盡量使線圈的電感最大。布魯克斯（Brooks)線圈（定義在，例如，如下文獻中：Grover，F.W.;Inductancecalculations,workingformulasandtables;1946:D.VanNostrand)是對于給定長度的導線使電感最大的感應線圈的眾所周知設計。布魯克斯線圈認識到并告訴人們，利用具有正方形的邊長等于圈心的半徑的正方形繞圈橫截面的線圈將獲得感應的最佳值。圖1例示了這種情況，并示出了布魯克斯線圈的配置：正方形繞圈橫截面具有直徑（邊長）a，以及圈心半徑也是a。但是，具有心磁圖測量所需的靈敏度的這種配置的線圈然后將具有太大，無法提供心磁圖測量所需的空間分辨率的直徑。[0009]因此，盡管它們具有超過SQUID傳感器的明顯優點，但該文獻目前告訴人們避免將感應線圈磁強計用于心磁圖測量，因為不相信在仍然實現醫療上可用的足夠空間分辨率的同時可以實現足夠靈敏的感應線圈磁強計。[0010]因此，本申請人:相信，仍然有為醫療用途，尤其為心磁成像設計和使用磁強計的改進余地。尤其，可以成像像心臟的磁場那樣人體的磁場的小型、便攜式和相對便宜設備將提供超過現有醫療和心臟磁強計設計的許多顯著優點。【
發明內容】[0011]按照本發明的第一方面，提供了一種醫用磁強計系統，包含：[0012]檢測時變磁場的一個或多個感應線圈，每個線圈具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少是〇.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置；以及[0013]與每個線圈耦合的檢測電路，其被配置成將通過時變磁場在線圈中生成的電流或電壓轉換成用于分析時變磁場的輸出信號。[0014]按照本發明的第二方面，提供了一種分析對象身體的區域的磁場的方法，該方法包含：[0015]使用一個或多個感應線圈檢測對象身體的區域的時變磁場，每個線圈具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少是0.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置；[0016]將通過對象身體的該區域的時變磁場在每個線圈中生成的電流或電壓轉換成輸出信號；以及[0017]使用來自一個或幾個線圈的一個或幾個輸出信號分析對象身體的該區域生成的磁場。[0018]按照本發明的第三方面，提供了一種用于檢測對象身體的區域的時變磁場的線圈，該線圈包含：[0019]具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少是0.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是〇.5或更小的配置的感應線圈。[0020]本發明提供了檢測和分析像對象身體的區域（例如，對象的心臟）的磁場那樣，醫療上有用的磁場的方法和裝置。但是，與現有醫療（例如，心臟）磁強計設計相反，本發明使用特定配置的一個或幾個感應線圈（即，兩端與放大器連接的線圈）來檢測對象（例如，對象的心臟）的磁場。如下面進一步所討論，本申請人:已經發現，具有本發明的特定配置的感應線圈可以用于提供可以是便攜式的、相對較便宜的、可用在室溫上的和無需磁屏蔽的，但仍然可以提供醫療上有用的足夠靈敏度、精度和分辨率的醫療磁強計。[0021]本發明的感應線圈的配置提供了許多優點。首先，通過將線圈的外徑限制成7cm或更小，提供了具有可以達到適合醫療磁強計（尤其適合心磁圖測量）的空間分辨率的總尺寸的線圈。[0022]有效地將線圈的長度與它的外徑之比設置為至少是0.5意味著與例如布魯克斯線圈配置相比，該線圈對于它的寬度來說相對較長（對于布魯克斯線圈，這個比率是0.25)。類似地，有效地將線圈的內徑與它的外徑之比設置成0.5或更小與例如布魯克斯線圈配置相比，對于給定外徑增加了繞圈的數量（對于布魯克斯線圈，這個比率是〇.5)。[0023]本申請人:首先發現感應線圈配置的這兩個要求的組合使本發明的線圈對沿著線圈的軸向的磁場分量相對更靈敏。這提供了兩個好處。首先，導致對于給定軸向磁分量來自線圈的輸出電壓較高。其次，有助于線圈的空間分辨率，因為當把線圈放在對象的身體上面（例如，在對象的胸部上面）時，線圈對通過線圈的中心垂直延伸的分量相對較靈敏，因此可以提供定向拾取。更進一步，本申請人:已經認識到，特別感興趣檢測的就是對象身體的區域（例如，對象的心臟）生成的磁場的垂直分量。[0024]因此，對于感興趣的磁場分量，本發明的線圈配置可以使線圈生成的輸出電壓增力口。此外，本申請人:已經發現，這可以不負面影響（的確甚至可以降低）信噪比地實現。[0025]的確，本申請人:已經發現，本發明的線圈設計對于與具有相同外徑的布魯克斯線圈相當的給定軸向磁分量可以使輸出電壓增加到3倍以及將信噪比降低2倍。[0026]盡管這些增益從它們的表面上可能看起來相對較小，但本申請人:已經發現，它們可以顯著地影響線圈對醫療磁強計，例如，對心磁圖測量的可用性（或相反）。例如，將信噪比降低2倍將給定分析所需的數據收集時間縮短4倍（例如，從2個小時縮短到30分鐘）。類似地，使線圈的輸出電壓增加到3倍對于相同信號輸出可以將所需的數據收集時間縮短9倍（這是因為當信號大小在數字化步長的數量級內時，數字化誤差隨較小信號而增大）。因此，用在本發明中的線圈配置提供的增益的總影響在數據收集（掃描）時間方面可以是36倍。這可以使擁有或沒有醫療上有用（和可用）磁強計大為不同。[0027]于是，本申請人:已經發現，本發明的線圈設計可以提供對于像心磁圖測量那樣的醫療磁強計量可以表現得足夠好，但沒有與布魯克斯線圈（或，的確，SQUID磁強計）相聯系的缺點的感應線圈磁強計。[0028]這里應該注意到，本申請人:不是通過遵循試圖優化線圈的電感以便優化信號檢測強度的傳統做法（導致布魯克斯線圈配置）實現這一點，而是設法在使信噪比最小的同時，以及在仍然在適合像心磁圖測量那樣的醫療磁強計量的總尺寸約束內的同時優化線圈生成的輸出電壓。這導致顯著偏離輸送最佳電感的設計的線圈配置，本申請人:還已經發現，他們的線圈設計將提供醫療上有用的磁強計，而滿足相同總尺寸的布魯克斯線圈（即，配置成對于給定線長使電感最大的線圈）則沒有。[0029]本發明的磁強計系統可以用作檢測對象（人（或動物）身體）產生的任何所希望磁場的系統和探針。尤其適用于希望以等于線圈直線的一半的2-3.5cm的空間分辨率探測和測量相對較小磁場的應用。優選的是用于檢測（和分析）像他們的膀胱、心臟、頭部或大腦、子宮或胎兒那樣的對象身體的區域（或產生）的時變磁場。因此，可以用于，以及優選地用于檢測與膀胱、懷孕、大腦、或心臟有關的磁場。在一個優選實施例中，該磁強計用于如下的一種或多種（以及為如下的一種或多種而配置）：心磁圖測量、腦磁圖測量、膀胱狀況(例如，膀胱過度活動癥）的分析和檢測、胎兒異常的分析和檢測、和早產的分析和檢測。[0030]在一個特別優選實施例中，該磁強計用作心臟磁強計以及用于檢測和分析對象心臟的磁場。[0031]因此，按照本發明的另一個方面，提供了一種分析對象心臟的磁場的心臟磁強計系統，其包含：[0032]檢測對象心臟的時變磁場的一個或多個感應線圈，每個線圈具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少〇.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置；以及[0033]與每個線圈耦合的檢測電路，其被配置成將通過對象心臟的時變磁場在線圈中生成的電流或電壓轉換成用于分析對象心臟生成的磁場的輸出信號。[0034]按照本發明的另一個方面，提供了一種分析對象心臟的磁場的方法，該方法包含：[0035]使用一個或多個感應線圈檢測對象心臟的時變磁場，每個線圈具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少〇.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置；[0036]將通過對象心臟的時變磁場在每個線圈中生成的電流或電壓轉換成輸出信號；以及[0037]使用來自一個或幾個線圈的一個或幾個輸出信號分析對象心臟生成的磁場。[0038]按照本發明的另一個方面，提供了一種用于檢測對象心臟的時變磁場的線圈，該線圈包含：[0039]具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少0.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是〇.5或更小的配置的感應線圈。[0040]如本領域的普通技術人員所懂得，本發明的這些方面可以和優選地適當包括本文所述的發明的任何一個或多個或所有優選和可選特征。[0041]本發明的磁強計系統可以包含單個線圈。在這種情況下，如在本領域中所知，在使用時在對象（例如，對象的胸部）上面移動該線圈以便從不同位置中獲取讀數。[0042]但是，在一個優選實施例中，該系統包含多個線圈，例如，以及優選地，7-19個線圈，更優選地，16-19個線圈。[0043]在該系統包含多個線圈的情況下，優選的是以二維陣列排列一些或所有線圈。該線圈陣列優選的是被配置成當適當放置在對象（例如，對象的胸部）上面時，該線圈陣列可以無需進一步在對象上面移動該陣列地從一組適當采樣位置中獲取讀數。該陣列要不然可以具有像規則或不規則陣列、長方形或圓形陣列（例如，由同心圓形成）等那樣的任何所希望配置。[0044]也可以具有線圈的三維排列。在這種情況下，優選的是具有一層在另一層上面的多層，例如，雙層陣列，每一層被排列成如上面針對二維陣列排列所討論的陣列。[0045]每個線圈優選地含有像空氣圈芯那樣的不可磁致激活圈芯（即，圍繞不可磁致激活圈芯繞著線圈繞圈）。這有助于在使用時降低噪聲。但是，如果需要的話，也可以使用像鐵氧體或其它磁性材料那樣的可磁致激活的線圈。[0046]每個線圈具有4-7cm的最大外徑。這有助于使用16到19個采樣位置（檢測通道）生成圖像的醫療上可應用診斷（如上所討論，以及如本領域的普通技術人員所懂得，每個采樣位置的數據可以，例如，使用線圈的陣列，或使用圍繞胸部移動以便收集數據的單個(或幾個）線圈收集）。在一個優選實施例中，使用7cm直徑的線圈。[0047]該或每個線圈優選地被配置成對IHz與60Hz之間的信號靈敏。因為這是心臟的相關磁信號的頻率范圍。該線圈優選地被優化成對30Hz左右的信號靈敏，因為30Hz是人心臟跳動的主要頻率成分。[0048]該或每個線圈優選地對l_150pT范圍中的磁場靈敏。該線圈無需在fT范圍中靈敏。本申請人:已經發現，與本領域中心臟磁強計需要在fT范圍中具有靈敏度的信念相反，事實上，PT靈敏性對于心臟（和其它醫療上有用）磁場測量足夠了。[0049]如上所討論，在本發明中仔細選擇線圈的外徑D、線圈的內徑Di、和線圈的長度1。[0050]在一個優選實施例中，線圈的內徑與它的外徑之比Di:D小于0.5:1。在一個特別優選實施例中，線圈的內徑與它的外徑之比Di:D還大于等于0.3:1。因此，線圈的內徑與它的外徑之比Di:D優選的是在0.3:1到0.5:1的范圍內，更優選的是0.3:1到〈0.5:1。最優選的是，大致是0.425:1。已經發現這些線圈配置對于感興趣的測量給出最低噪聲因數。[0051]線圈的長度與它的外徑之比I:D應該是0.5:1或更小。優選的是不大于一（1:1)，更優選的是在〇.5:1到0.8:1的范圍內，最優選的是大致是0.69:1。已經發現這些配置優化測量磁場的軸向分量（沿著線圈的軸向的分量）的線圈結構。[0052]因此，在一個特別優選實施例中，該或每個線圈具有如下配置：[0053]4cm^D^7cm【權利要求】1.一種醫用磁強計系統，包含：檢測時變磁場的一個或多個感應線圈，每個線圈具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少是0.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置；以及與每個線圈耦合的檢測電路，其被配置成將通過時變磁場在線圈中生成的電流或電壓轉換成用于分析時變磁場的輸出信號。2.如權利要求1所述的磁強計系統，包含以二維陣列排列的多個感應線圈。3.如前面權利要求的任何一項所述的磁強計系統，其中每個線圈的內徑與它的外徑之比在0.3:1到0.5:1的范圍內，以及每個線圈的長度與它的外徑之比在0.5:1到0.8:1的范圍內。4.如前面權利要求的任何一項所述的磁強計系統，其中每個線圈的內徑與它的外徑之比大致是0.425:1，以及每個線圈的長度與它的外徑之比大致是0.69:1。5.如前面權利要求的任何一項所述的磁強計系統，其中每個線圈的繞圈的數量是1000到8000個，以及每個線圈的繞圈密度在0.5到1的范圍內。6.如前面權利要求的任何一項所述的磁強計系統，其中每個檢測電路包含與線圈的兩端連接的低阻抗放大器。7.如權利要求6所述的磁強計系統，其中一個或幾個線圈和一個或幾個檢測電路的一個或幾個各自低阻抗放大器被一起安排在傳感器頭部中，然后通過一條或幾條導線將該傳感器頭部與一個或幾個檢測電路的其余部件連接，以便使該傳感器頭部在使用時與該檢測電路的其余部分隔開。8.如前面權利要求的任何一項所述的磁強計系統，其中該系統使用多個感應線圈，該線圈的一個或多個要被用于檢測背景磁場，而不是感興趣的磁場。9.一種分析對象心臟的磁場的心臟磁強計系統，包含如前面權利要求的任何一項所述的磁強計系統。10.-種用于檢測對象身體的區域的時變磁場的線圈，該線圈包含：感應線圈，其具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少是0.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置。11.一種分析對象身體的一個區域的磁場的方法，該方法包含：使用一個或多個感應線圈檢測對象身體的一個區域的時變磁場，每個線圈具有4到7cm的最大外徑，以及使線圈的長度與它的外徑之比至少是0.5、和線圈的內徑與它的外徑之比是0.5或更小的配置；使用與該一個或幾個線圈耦合的一個或幾個檢測電路將通過對象身體的該區域的時變磁場在每個線圈中生成的電流或電壓轉換成該線圈的各自輸出信號；以及使用來自一個或幾個線圈的一個或幾個輸出信號分析對象身體的該區域生成的磁場。12.如權利要求11所述的方法，包含在無磁屏蔽環境中使用感應線圈檢測對象身體的區域的磁場。13.如權利要求11或12所述的方法，包含使用背景噪聲相減來處理背景磁場的存在。14.如權利要求11到13的任何一項所述的方法，包含：使用多個感應線圈的陣列檢測對象身體的區域的時變磁場；以及進一步包含：使用該陣列的一個或多個線圈檢測背景磁場，以及使用該陣列的其它線圈檢測感興趣的磁場。15.如權利要求11到14的任何一項所述的方法，進一步包含在提供輸出信號加以分析之前，從每個線圈的輸出信號中除去線路頻率噪聲。16.如權利要求11到15的任何一項所述的方法，其中被分析磁場的對象身體的該區域包含如下之一：膀胱、心臟、頭部、大腦、子宮或胎兒。17.-種分析對象心臟的磁場的方法，該方法包含：使用如權利要求11到16的任何一項所述的方法分析對象心臟的時變磁場。18.如權利要求1到10的任何一項所述的磁強計系統用于分析對象身體的區域生成的磁場的用途。19.一種基本上如本文參考任一附圖所述的磁強計系統。20.-種基本上如本文參考任一附圖所述的用于檢測對象身體的區域的時變磁場的線圈。21.-種基本上如本文參考任一附圖所述的分析對象身體的區域的磁場的方法。【文檔編號】G01R33/34GK104427931SQ201380035185【公開日】2015年3月18日申請日期:2013年7月1日優先權日:2012年7月2日【發明者】B.T.H.瓦爾科申請人:利茲大學