一种磁场补偿设备及其补偿线圈结构和磁场补偿方法

技术领域

本发明涉及脑磁探测技术领域，特别是涉及一种脑磁图仪的磁场补偿设备及其补偿线圈结构和磁场补偿方法。

背景技术

大脑磁场由神经电流诱导产生，与传统脑电(EEG)相比，其信号探测不受颅骨厚度、组织导电性影响，因而脑磁可更准确反映脑部神经活动，脑磁测量对于脑疾病早期诊断和脑科学前沿研究具有重大意义。脑磁探测基于高灵敏度的磁场敏感器件，在接近于零次环境探测人体脑磁信号，探索神经活动的规律。由于脑磁探测信号的极为微弱，背景磁场强度对脑磁设备影响十分关键。在现有的脑磁探测过程中，脑磁探测信号会受到地磁场及其他干扰场如汽车、轨道交通、振动和工频等的影响，从而影响探测结果的准确度和精度。也就是说，目前现有技术中的脑磁图仪设备容易受环境磁场的干扰，存在脑磁探测结果准和探测精度低的问题，而且现有技术中针对脑磁图仪设备进行磁场补偿的设备仅适合在特定场景下使用，无法对多种磁场分布类型的磁场进行磁场补偿，针对不同磁场分布类型的磁场，需要单独设计合适的磁场补偿设备，耗时长、成本高且导致资源浪费，换句话说，现有的磁场补偿设备对环境的适应能力较差，兼容性较差，使用范围较为局限。

发明内容

本发明的一目的是，提供一种脑磁图仪的磁场补偿设备及其磁场补偿方法，能够针对待补偿磁场的磁场分布类型，优化设计补偿线圈结构，实现对目标补偿磁场进行动态补偿，从而有效消除背景电磁场的影响，降低脑磁图仪在进行脑磁探测时受到的干扰，同时还能够适用于多种目标待补偿磁场。

本发明在一方面提供了一种磁场补偿方法，包括以下步骤：

S1、针对待补偿磁场分量优化建立补偿线圈结构；和

S12、基于建立的所述补偿线圈结构，求解所述待补偿磁场的电流幅值，通过控制电路控制驱动所述补偿线圈结构工作，从而利用叠加磁场抵消所述待补偿磁场。

在本发明的一实施例中，基于平面型载流面，对所述待补偿磁场进行磁场补偿，所述步骤S1包括步骤：

S11、选择所述待补偿磁场的磁场分布类型，测量得到所述待补偿磁场的幅值系数；

S12、基于所选择的所述待补偿磁场的磁场分布类型，设定边界条件，建立电流密度函数；

S13、建立单位电流密度函数与目标磁场的关系；

S14、根据实际应用场景，选择优化参数，建立目标函数，优化每个电流密度方程的系数；

S15、根据电流密度分布获得流函数，离散出等高线，并利用中间连接线，获得所述补偿线圈结构；以及

S16、根据所获得的所述补偿线圈结构的优化结果，进行工装设计以建立所述补偿线圈结构。

在本发明的一实施例中，在所述步骤S11中，待补偿磁场的分布类型包括Bx、By、Bz、

在本发明的一实施例中，所述步骤S12具体包括步骤：

S121、设定边界条件L

S122、利用谐波函数正交基对所述待补偿磁场展开成谐波函数表达式：

其中，μ

S123、利用傅里叶级数对电流密度函数展开，得到：

其中，v∈[1,V],h∈[1,H]，V表示x方向傅立叶展开的级数，H表示y方向傅立叶展开的级数，U

在本发明的一实施例中，所述步骤S13包括步骤：

S131、根据毕奥萨伐尔定律获得单位电流密度函数的基函数在目标场点上所能够产生的对应磁场分量的分布规律；和

S132、基于获得的所述分布规律，建立单位电流密度与目标场点上的磁场分布矩阵A。

在本发明的一实施例中，在所述步骤S14中，优化参数包括储能、耗能、电感、电流幅值、磁场精度以及电流效率中的一种或多种。

在本发明的一实施例中，在所述步骤S15中，对于目标磁场分布，通过求解线性方程组实现U

本发明在另一方面还提供了一种由所述磁场补偿方法建立得到的补偿线圈结构，所述补偿线圈结构包括基座和对称设置于所述基座上的两个线圈组，所述基座包括四个基板和固定四个所述基板的四个定位杆，各所述线圈组被支撑于对应的两个所述基板上，各所述线圈组包括可滑动地支撑于两个所述基板上的面板支架和安装于所述面板支架内的多层面板，各层所述面板绕制有线圈，所述面板的层数和所述线圈的个数由待补偿磁场分布的需求确定。

在本发明的一实施例中，所述面板支架底部两端分别设置有H型轮、螺杆卡槽以及位置调节组件，各所述基板设置有与所述H型轮相适配的导轨，所述位置调节组件包括调节手轮、螺杆以及螺纹基座，所述螺杆的一端固定连接于所述调节手轮，另一端穿过所述螺纹基座被固定于所述螺杆卡槽中，当转动所述调节手轮时，所述螺杆被所述调节手轮联动移动而带动所述面板支架沿所述导轨滑动。

在本发明的一实施例中，所述H型轮两侧设置有轮轴侧盖，所述轮轴侧盖用于固定所述H型轮的轴向位置，所述面板通过固定销和安装孔相配对的方式安装于所述面板支架。

本发明在另一方面还提供了一种磁场补偿设备，包括导电连接的补偿线圈设备、PID控制器、放大器、电源以及中央控制器，其中，所述中央控制器用于通过控制电路控制所述补偿线圈设备、所述PID控制器、所述放大器以及所述电源的工作，所述中央控制器通过所述PID控制器调制电流的波形，所述电源为所述补偿线圈设备供电，并通过所述放大器达到所需的电流幅值，通入所述补偿线圈设备中，所述补偿线圈设备包括所述补偿线圈结构、导电连接于所述补偿线圈结构并为所述补偿线圈结构的各个线圈独立供电的多通道电源以及设置在所述补偿线圈结构和所述多通道电源之间的导线上的限流电阻。

在本发明的一实施例中，所述磁场补偿设备还包括电流检测器和探头，所述电流检测器用于检测所述补偿线圈设备的电流幅值并反馈至所述中央控制器，所述探头用于检测目标区域的磁场并反馈至所述中央控制器。

本发明针对脑磁图仪设备的磁场动态补偿的需求，提出一种动态磁场补偿设备，实现脑磁仪实验中的多方向磁场动态补偿。本发明基于函数优化设计补偿线圈结构，并基于平面型载流面，针对每一个目标磁场在载流面上设计一组对称线圈进行动态补偿，能够适应多种类型的目标待补偿磁场分布，实现动态磁场补偿的目的，通过这种结合了目标磁场分布特征优化设计的线圈设备，能够有效消除背景电磁场对脑磁探测信号的影响，而且补偿线圈结构简单、易于实现且构建成本低。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为根据本发明的一优选实施例的所述磁场补偿方法的流程框图。

图2为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法中优化建立补偿线圈结构的流程框图。

图3A和图3B为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法中优化补偿线圈结构的优化结果示意图，其示意了磁场分布类型为Bx时的两块对称面板上的线圈电流流向分布。

图4A和图4B为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法中优化补偿线圈结构的优化结果示意图，其示意了磁场分布类型为

图5A和图5B为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法中优化补偿线圈结构的优化结果示意图，其示意了磁场分布类型为

图6为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法建立的补偿线圈结构的立体结构示意图。

图7为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法建立的补偿线圈结构的部分立体结构示意图，其示意了7对线圈的线圈组结构。

图8为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法建立的补偿线圈结构的部分立体结构示意图，其示意了5对线圈的线圈组结构。

图9为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法建立的补偿线圈结构的部分立体结构示意图，其示意了线圈组的部分结构。

图10为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿方法建立的补偿线圈结构的部分立体结构示意图，其在另一视角下示意了所述线圈组的部分结构。

图11为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿设备的结构示意图。

图12为根据本发明的上述优选实施例的所述磁场补偿设备的补偿线圈设备的结构示意图。

附图标号说明：补偿线圈结构10；基座11；基板111；导轨1111；定位杆112；线圈组12；面板支架121；定位销1211；面板122；安装孔1221；H型轮123；轮轴侧盖125；螺杆卡槽124；位置调节组件13；调节手轮131；螺杆132；螺纹基座133；补偿线圈设备100；多通道电源20；限流电阻30；PID控制器200；放大器300；电源400；中央控制器500；电流检测器600；探头700。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“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是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在脑磁探测领域中，由于脑磁探测信号的极为微弱，需要利用高性能磁屏蔽系统降低地磁场及其他干扰如汽车、轨道交通、振动和工频等的影响，除了建立专门的屏蔽房，还需要主动补偿线圈进一步降低背景磁场。基于此，本发明提供了一种磁场补偿设备及其补偿线圈结构和磁场补偿方法，基于函数优化设计和结合工装建立的补偿线圈结构，能够适应多种类的目标待补偿磁场分布，通过这种结合了目标磁场分布特征优化设计的补偿线圈结构，能够有效消除背景磁场对脑磁探测的影响，实现脑磁图仪的屏蔽房系统的动态磁场补偿。

如图1和图2所示，根据本发明的一优选实施例的磁场补偿方法的具体步骤被阐明。具体地，所述磁场补偿方法包括以下步骤：

S1、针对待补偿磁场分量优化建立补偿线圈结构；和

S12、基于建立的所述补偿线圈结构，求解所述待补偿磁场的电流幅值，通过控制电路控制驱动所述补偿线圈结构工作，从而利用叠加磁场抵消所述待补偿磁场。

特别地，在本发明的这一优选实施例中，本发明的技术方案是针对目标磁场分布优化在一个平面型载流面上的线圈结构及具体实现。具体地，本发明基于平面型载流面，针对每个目标磁场在载流面上设计左右对称的一组线圈进行补偿，相比在圆柱形载流面上设计多组线圈实现多种磁场结构的补偿方法来讲，本发明的基于平面型载流面，设计对称的一组线圈进行补偿的方法更加简单、易于实现且成本低。也就是说，在本发明的这一优选实施例中，本发明基于平面型载流面，针对每个目标磁场在载流面上设计左右对称的一组线圈对所述待补偿磁场进行磁场补偿。

具体地，针对待补偿磁场分量优化建立补偿线圈结构的具体方法，即所述步骤S1包括的具体步骤为：

S11、选择所述待补偿磁场的磁场分布类型，测量得到所述待补偿磁场的幅值系数；

S12、基于所选择的所述待补偿磁场的磁场分布类型，设定边界条件，建立电流密度函数；

S13、建立单位电流密度函数与目标磁场的关系；

S14、根据实际应用场景，选择优化参数，建立目标函数，优化每个电流密度方程的系数；

S15、根据电流密度分布获得流函数，离散出等高线，并利用中间连接线，获得所述补偿线圈结构；以及

S16、根据所获得的所述补偿线圈结构的优化结果，进行工装设计以建立所述补偿线圈结构。

可以理解的是，步骤S11至步骤S15为补偿线圈结构的函数优化设计方法，步骤S16为基于步骤S11至步骤S15获得的补偿线圈结构而进行的工装设计，从而得到机械结构的补偿线圈结构。

可选地，在所述步骤S11中，待补偿磁场的分布类型包括Bx、By、Bz、

具体地，所述步骤S12具体包括步骤：

S121、设定边界条件L

S122、利用谐波函数正交基对所述待补偿磁场展开成谐波函数表达式：

其中，μ

S123、利用傅里叶级数对电流密度函数展开，得到：

其中，v∈[1,V],h∈[1,H]，V表示x方向傅立叶展开的级数，H表示y方向傅立叶展开的级数，U

值得一提的是，在所述步骤S122,可以利用谐波函数正交基分解，也可以利用其他希尔伯特空间基函数分解方法进行分解，本发明对此不作限制。

此外，还值得一提的是，在所述步骤S123中，为对于一个线圈分布，电流密度函数利用傅里叶级数展开得到角向分量J

进一步地，所述步骤S13包括步骤：

S131、根据毕奥萨伐尔定律获得单位电流密度函数的基函数在目标场点上所能够产生的对应磁场分量的分布规律；和

S132、基于获得的所述分布规律，建立单位电流密度与目标场点上的磁场分布矩阵A。

值得一提的是，在所述步骤S14中，优化参数包括储能、耗能、电感、磁场精度以及电流效率中的一种或多种。

此外，还值得一提的是，在所述步骤S15中，对于目标磁场分布，流函数基函数的系数U

也就是说，每个电流密度函数的基函数在目标场点上所能产生的对应磁场分量的分布规律可以根据毕奥萨伐尔定律获得，建立单位电流密度与目标场点上的磁场分布矩阵A。然后对于目标磁场分布，流函数基函数的系数U

总的来讲，本发明的补偿线圈结构的设计步骤如下：(1)选择待补偿磁场类型(Bx、By、Bz、

本发明选择由两组对称的匀场线圈系统构成所述补偿线圈结构，以下结合具体实施1进一步说明本发明的所述磁场补偿方法的具体设计流程。

具体实施例1

根据脑磁图采集需求，三轴磁场分布都需要进行补偿，结合磁场的散度和旋度分析，待补偿的磁场一阶以内的独立的控制分量包含七个，分别为：Bx、By、Bz、

对于一个线圈分布，利用傅立叶级数展开建立电流密度函数模型J

也就是说，在这一实施例中，选择的优化参数包括耗能、电流幅值以及磁场精度。

可以理解的是，在图3A和图5B中，实线代表顺时针方向的电流，虚线代表逆时针方向的电流。具体地，其中图3A和图3B示意了磁场分布类型为Bx时，补偿线圈结构的对称设置的两块面板上的线圈的电流流向分布；其中图4A和图4B示意了磁场分布类型为

在这一实施例中，分别针对目标磁场分量优化设计补偿线圈结构和性能参数，在实际应用中，可以通过多个补偿线圈结构的配合使用，实现脑磁图屏蔽房的磁场补偿，消除背景电磁场的影响。

如图6至图10所示，根据本发明的上述优选实施例的补偿线圈结构10的具体结构被阐明。应该理解的是，所述补偿线圈结构10为由所述磁场补偿方法进行工装设计建立得到。具体地，所述补偿线圈结构10包括基座11和对称设置于所述基座11上的两个线圈组12，所述基座11包括四个基板111和固定四个所述基板111的四个定位杆112，各所述线圈组12被支撑于对应的两个所述基板111上，各所述线圈组12包括可滑动地支撑于两个所述基板111上的面板122支架121和安装于所述面板122支架121内的多层面板122，各层所述面板122绕制有线圈，所述面板122的层数和所述线圈的个数由待补偿磁场分布的需求确定。

也就是说，所述补偿线圈结构10的所述线圈个数由所述磁场补偿方法中所述待补偿磁场分布优化设计得到。

如图7所示，在本发明的一实施例中，所述补偿线圈结构10包括7对线圈，即每一个所述线圈组12包括7个所述面板122，各所述面板122上绕制有所述线圈。

如图8所示，在本发明的一实施例中，所述补偿线圈结构10包括5对线圈，即每一个所述线圈组12包括5个所述面板122，各所述面板122上绕制有所述线圈。

因此可以理解的是，所述补偿线圈结构10包括的所述面板122和所述线圈的数量可以为一个或多个，本发明对所述面板122和所述线圈的数量不作限制。

值得一提的是，所述面板122的厚度为2mm，各层面板122绕制有线圈后通过定位销1211固定在所述面板122支架121上，也就是说，所述面板122和所述面板122支架121通过定位销1211和安装孔1221的相配对的方式安装在所述面板122支架121上。

具体地，所述面板122支架121设置有突出于所述面板122支架121的定位销1211，各所述面板122设置有与所述定位销1211相适配的安装孔1221，各所述面板122通过所述安装孔1221实现在所述面板122支架121上的安装和拆卸。

进一步地，所述补偿线圈结构10的两个所述线圈组12可以在所述基座11上滑动以调整两者的相对位置，从而使得所述补偿线圈结构10能够适用多种磁场分布类型。

具体地，如图9和图10所示，所述面板122支架121底部两端分别设置有H型轮123、螺杆卡槽124以及位置调节组件13，各所述基板111设置有与所述H型轮123相适配的导轨1111，所述位置调节组件13包括调节手轮131、螺杆132以及螺纹基座133，所述螺杆132的一端固定连接于所述调节手轮131，另一端穿过所述螺纹基座133被固定于所述螺杆卡槽124中，当转动所述调节手轮131时，所述螺杆132被所述调节手轮131联动移动而带动所述面板122支架121沿所述导轨1111滑动。

可以理解的是，当所述调节手轮131转动时，所述螺杆132的螺纹副将所述螺杆132的旋转运动变成直线运动，以此能够经由所述螺杆132带动所述面板122支架121进行前后移动，而且，螺纹副具有自锁性，在所述面板122支架121调节到合适位置后其位置能够被固定而能够保持不变。

还可以理解的是，所述H型轮123用于整个所述线圈组12的搬运和与所述导轨1111配合定位，所述H型轮123在所述导轨1111中滑动而调节所述面板122支架121的位置。

值得一提的是，所述H型轮123两侧设置有轮轴侧盖125，所述轮轴侧盖125用于固定所述H型轮123的轴向位置，所述H型轮123的中心距与所述导轨1111的中心距相等，且所述H型轮123的凹槽宽度与所述导轨1111的宽度相等，以此能够在所述H型轮123滚动时防止所述面板122支架121侧倾。

如图11和图12所示，本发明在另一方面还提供了一种磁场补偿设备，所述磁场补偿设备包括导电连接的补偿线圈设备100、PID控制器200(比例-积分-微分控制器)、放大器300、电源400以及中央控制器500，其中，所述中央控制器500用于通过控制电路控制所述补偿线圈设备100、所述PID控制器200、所述放大器300以及所述电源400的工作，所述中央控制器500通过所述PID控制器200调制电流的波形，所述电源400为所述补偿线圈设备100供电，并通过所述放大器300达到所需的电流幅值，通入所述补偿线圈设备100中，所述补偿线圈设备100包括所述补偿线圈结构10、导电连接于所述补偿线圈结构10并为所述补偿线圈结构10的各个线圈独立供电的多通道电源20以及设置在所述补偿线圈结构10和所述多通道电源20之间的导线上的限流电阻30。

特别地，在本发明的这一实施例中，所述磁场补偿设备包括两个所述补偿线圈设备100，两个所述补偿线圈设备100配合使用，实现脑磁图屏蔽房的磁场补偿，消除背景电磁场的影响。

值得一提的是，所述磁场补偿设备还包括电流检测器600和探头700，所述电流检测器600用于检测所述补偿线圈设备100的实际电流幅值并反馈至所述中央控制器500，所述探头700用于检测目标区域的磁场并反馈至所述中央控制器500。

在本发明的一实施例中，所述电流检测器600为电流检测电阻，所述探头700为基于霍尔元件或磁共振原理的磁场测量设备，所述探头700通过三维定位装置获取空间磁场信息反馈到所述中央控制器500。

可以理解的是，所述中央控制器500基于所述电流检测器600检测得到的所述待补偿磁场的电流幅值，通过控制电路控制驱动所述补偿线圈结构10工作，从而利用所述补偿线圈结构10产生的叠加磁场抵消所述待补偿磁场，从而有效消除背景电磁场的影响，降低脑磁图仪在进行脑磁探测时受到的干扰。

应该理解的是，所述磁场补偿设备适用于脑磁图仪设备应用领域，以及其他需要进行磁场补偿或形状磁场产生的技术领域，因此本发明对所述磁场补偿设备的应用领域不作限制。

总的来讲，本发明针对脑磁图仪设备的磁场动态补偿的需求，提供了一种动态补偿的磁场补偿设备及其补偿线圈结构和磁场补偿方法，能够实现脑磁仪实验中的多方向磁场动态补偿。本发明基于函数优化设计补偿线圈结构，并基于平面型载流面，针对每一个目标磁场在载流面上设计一组对称线圈进行动态补偿，能够适应多种类型的目标待补偿磁场分布，通过这种结合了目标磁场分布特征优化设计的线圈设备，能够有效消除背景电磁场对脑磁探测信号的影响，实现高精度脑磁图屏蔽房磁场的补偿和抵消。而且所述磁场补偿设备和所述补偿线圈结构简单、易于实现且构建成本低。

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发明的优选的实施方式，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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。