面向超导心磁图仪应用的环境评估方法

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摘  要： 无屏蔽低温超导心磁图仪在临床应用推进中逐渐凸显环境适应性问题，需要对安装地点进行全面的电磁环境和地坪震动评估。通过分析心磁图仪系统理论输出模型和已具备的噪声抑制手段，低频的环境磁场和震动仍是系统输出的重要干扰因素。采用磁通门梯度计和加速度计，基于LabVIEW平台研制开发环境监测系统，实地获取应用环境的磁场、磁场梯度和地坪震动信息，通过分析采样数据的时域、频域特征和样本统计分布特征，优选出符合条件的场地，目前已完成两家医院选址评估。心磁系统环境噪声采样经多周期平均处理后优于2.5 pT，满足心磁采样要求，目前两家医院累计完成临床心磁采样700余例。结果表明，此环境评估方法将有助于加速心磁图仪应用推广和国内首个心磁数据库的筹建。

关键词： 超导心磁图仪; 临床应用; 环境评估; 磁场梯度; 地坪震动; 心磁采样

中图分类号： TN03⁃34; TM936                  文献标识码： A                    文章编号： 1004⁃373X（2019）10⁃0001⁃04

Environmental assessment method for application of

superconducting magnetocardiography

WANG Yi1，2，3， CHEN Wei1，2， KONG Xiangyan1，2，3， ZHANG Chaoxiang1，2， ZHANG Shulin1，2， WANG Yongliang1，2

（1. State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics， Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology， Chinese Academy of

Sciences， Shanghai 200050， China; 2. Center for Excellence in Superconducting Electronics， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200050， China;

3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： The environmental adaptability problem gradually emerges in the advancement of clinical applications of the unshielded low?temperature superconducting magnetocardiography （MCG）， so it is necessary to conduct comprehensive evaluation of electromagnetic environment and ground vibration for installation sites. It is found that the low⁃frequency environment magnetic field and vibration are considered as the important interference factors of the system output by analyzing the theoretical output model of the MCG system and the available noise suppression methods. The environment monitoring system is developed on the basis of the LabVIEW platform by using the fluxgate gradiometer and accelerometer to obtain the information of magnetic field， magnetic field gradient and ground vibration in the application environment on site. The sites in accordance with the conditions are optimally selected by analyzing the time domain and frequency domain characteristics of the sampling data， and sample statistical distribution characteristics. The site selection assessment of two hospitals has been completed up to now. The environmental noise sampling of the MCG system after multi⁃period average processing is better than 2.5 pT， which can satisfy the MCG sampling requirement. More than 700 cases of clinical MCG sampling have been completed in the two hospitals up to now. The results show that the environmental assessment method can help speed up the application and promotion of the MCG and the preparation of the first MCG database in China.

Keywords： superconducting MCG; clinical application; environmental assessment; magnetic field gradient; ground vibration; MCG sampling

超导心磁图仪是通过测量心脏电生理活动产生的磁场进行功能成像的新型医疗影像设备。与传统心电图和冠脉造影等手段相比，超导心磁图具有灵敏度高、特异性好、完全无创、无辐射、无需外加激励磁场等优点，其与结构组织影像结合使用完成心脏疾病早期诊断，有良好临床应用价值和商业前景[1⁃5]。

超导心磁图仪采用极高磁灵敏度的低温超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）探测心磁信号。成人心磁信号典型强度为数十pT（10-12 Τ），远小于μT（10-5 Τ）量级的城市环境磁场噪声，使得获取高信噪比的心磁信号面临极大挑战。

传统心磁测量需在造价昂贵的电磁屏蔽室内进行，严重约束了心磁图仪的推广，使得无屏蔽心磁图仪方案迅速发展。心磁图仪应用环境多处于城市楼宇建筑中，环境的电磁场、震动和温湿度等都是影响系统性能的潜在因素。其中地球磁场、城市磁场噪声为主的环境磁场和震动是主要影响因素。

由于SQUID技术应用的特殊性，临床应用推进中，无屏蔽心磁系统对环境适应性问题逐渐显现。开展环境特征研究和评估：一方面，将有助于选址和干扰源的定位排查;另一方面，将辅助系统适用性优化。文献[6⁃8]分别针对环境磁场和震动对心磁图仪影响开展深入研究。国内同济大学、中科院上海微系统所的科研人员针对环境磁场抑制研究已取得有效成果[9⁃11]。采用磁场和震动多传感参量融合的方法，同时获取多参量信息，更有助于全面环境评估。

为了满足自主研制的多通道心磁图仪临床应用的选址时环境评估需求，在保证测试精度和评估效率前提下，本文采用磁通门梯度计和加速度计，基于LabVIEW平台研制环境评估系统，实地获取应用环境的磁场场强、梯度和地坪震动信息。目前已完成两家医院选址评估，心磁图仪系统运行良好。

1  测试系统和分析方法

1.1  测试原理和系統软硬件

1.1.1  测试原理

超导心磁图仪系统由SQUID磁传感器、读出控制采集电路和计算机等组件构成，并辅助有低温和机械系统。心磁信号采样是使用超导心磁图仪系统记录一定时长心脏磁场强度的空间分布。

无屏蔽心磁图仪系统主要由SQUID二阶硬件梯度计和参考磁强计构成，系统输出可以等效为二阶软件梯度计模型，其理论输出[Vo]为：

[Vo=VG2-k1，k2，k3·VBx，VBy，VBz-1] （1）

式中：[VG2]是二阶硬件梯度计输出电压;[VBx]，[VBy]，[VBz]是三轴磁强计x，y，z轴参考电压;[k1]，[k2]，[k3]是软件算法中[VBx]，[VBy]，[VBz]参量的可变系数。

将式（1）在三轴磁强计所在[z0]平面泰勒展开，理论输出[Vo]可简化为：

[Vo=k′1∂Bz0z0∂z+k′2∂2Bz0z0∂z2] （2）

式中，[k′1]和[k′2]是系数，且[k′1≪k′2]。

由式（2）可见，环境磁场的空间分布，尤其是强电磁脉冲引起的磁场空间梯度分布骤变是影响无屏蔽心磁测量的直接因素，其有可能直接导致心磁信号畸变，或SQUID无法锁定工作，外界磁矩变动引起的心磁信号基线不稳;同时，心磁系统机械支架的震动，使SQUID传感器产生相对微位移切割环境磁场磁感线，引入噪声。

为了获取高信噪比心磁信号，针对不同频段干扰，系统装备不同抑制手段，如采用多层超级绝缘包覆无磁杜瓦，实现对射频干扰抑制;采用数字信号处理技术，实现对高频开关脉冲完全消除、部分滤除低频干扰（尤其是心磁信号频段：0.1～100 Hz）;采用减震材料，实现对无磁杜瓦的震动部分减弱。虽取得一定效果，仍急需一套完整的评估方法和测试系统，实现对低频段应用环境磁场、一阶梯度和震动的监测，满足临床心磁系统选址的迫切需求。

1.1.2  测试系统软硬件

环境磁场测试评估系统由下位机硬件部分和上位机软件组成，系统功能框图如图1所示。

图1  测试系统功能框图

下位机主要实现数据采集编码功能：使用磁通门梯度计和加速度计获取磁场梯度和震动信号，对模拟信号预处理并数字编码，以数字信号形式传至上位机。上位机是基于LabVIEW平台的测控分析软件，实现采样信号的实时显示、文件存储和分析评估功能[12⁃15]。

磁场测量采用Bartington Grad⁃03⁃500M型三轴磁通门梯度计，其磁通门传感器为1 nT分辨率，100 μT量程，DC 2 kHz（-3 dB）带宽特性，满足测试需求。震动测量采用941B型单轴超低频测振仪[16]，其具有10-6 m/s2分辨率，10-6 m/s2量程，0.25～80 Hz（-3 dB）带宽特性，满足测试需求。数据采集设备是由外部模拟信号转换为数字信号的核心装置。采用NI cDAQ⁃9174型数据采集系统，多插槽设计可扩展多测试通道。上位机软件采用LabVIEW平台编写，实现包括数据读取、数据处理、实时显示和数据存储功能。软件测控流程图和测试分析界面如图2所示。

圖2  基于LabVIEW测控分析软件

1.2  分析方法和测试数据

无屏蔽心磁系统对安装环境要求：数十nT/m量级的竖向磁场梯度，约5 mm/s2的震动强度。由于磁场空间梯度分布是影响无屏蔽心磁测量的直接因素，且支架震动间接引入输出噪声。所以，考察全时段磁场一阶梯度和震动信号的时域波动、频谱分布特征和采样样本幅值统计特征;将磁场时域波动和震动时域典型值与系统容限值比对，同时考察各频谱在0.1～100 Hz的分布，避免选择心磁频带出现强振幅的地点。根据样本统计特征，获知样本幅值的分布和脉冲尖峰出现的频次和出现时刻，推荐心磁采样时间，降低遭受电磁脉冲干扰几率。

对医院A和B多处备选场地在下午同时段进行监测，选定地的部分测试样本数据如表1所示，环境磁场一阶竖向梯度值为G（Z），竖向地坪震动值为Virb（Z）。

由表1可知，医院A和B在有限备选场地中优选的场地，其竖向磁场梯度波动远大于推荐值，且医院B样本值波动更大，与地处市中闹市区有直接关系。较大低频磁场梯度波动，使得心磁信号的本底噪声增大或使基线波动，不利于获取高信噪比心磁信号。同时，医院B的地坪震动样本标准差较医院A更大，样本于均值偏离度更大。两家医院相比较，医院A更有利于获取高信噪比心磁信号。

表1  医院A和B应用环境测试数据

由于心磁系统应用地属开放电磁环境，需要定期监测应用地的环境磁场和地坪震动参数，确保心磁系统处于良好运行状态。

2  无屏蔽心磁图仪运行性能

医院A和B安装同型心磁图仪系统，分别对应用环境和志愿者甲采样，心磁系统采样数据经软件多周期平均处理后的信号如图3所示。图3a）和3c）显示，心磁系统抑制环境干扰效果明显，且心磁系统输出噪声波动在2.5 pT内，输出信号的基线平稳;对比医院A和B，医院A的系统输出噪声波动更小，基线更平稳，更容易获得高信噪比心磁信号。

图3  无屏蔽超导心磁图仪系统输出

图3b）和图3d）显示，心磁系统可以获取完整心磁信号，且各波段轮廓清晰;相比较于图3b）信号，由于医院B环境时域噪声经软件多周期平均处理后仍偏高，基线相对不稳，导致图3d）心磁信号出现部分畸变。

3  结  语

本文立足超导无屏蔽心磁图仪系统选址需求，探索应用环境评估方法，制备了一套环境测试系统，并使用该测试系统和评估方法应用到医院A和B的选址，在选址地安装的心磁系统稳定工作，并已开展心磁测量。超导心磁图仪系统输出受环境中多因素影响，下一步工作是探究不同特征磁源对心磁系统输出的影响，总结其规律，反馈到信息系统优化中。环境测试系统除满足心磁应用选址，一方面还在心磁系统运行中磁扰源排查发挥作用，为心磁探测应用推广奠定基础;另一方面，对压磁器件、磁材料研究和检测等相关领域有重要意义。

注：本文通讯作者为孔祥燕。

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