心磁信号采集设备工作原理

心磁信号是由心脏的电活动引发的，主要来源于心脏组织细胞膜间带电离子流动产生的电流。人体心磁信号非常微弱，其典型强度只有几十pT。

（一）基于SERF技术的心磁检测：

1.SERF原子磁强计 

SERF原子磁强计主要由激光、原子气室和光电转换元件组成，基于光、磁与原子相互作用，实现对特定磁场大小的检测，结构如图4所示。单光束的SERF原子磁强计中，只有一束激光，既可以作为泵浦光使原子产生极化，还可以作为探测光，探测不同磁场影响下原子对光吸收的强弱。

在无外界磁场时，高密度原子气室中的金属原子处于无自旋交换弛豫状态。通过一束激光照射，可使电子极化，所有电子自旋朝向一致的方向。

在有外界磁场时（即进行磁场检测时），原子对泵浦光的吸收会变弱，利用光电转换元件测量从原子气室透射后的光强，可以得到跟随磁场变化的电压信号，该电压信号经过处理后可以得到随磁场变化近似线性的曲线，从而测量出不同方向的磁场大小。

2.磁屏蔽原理：

环境中杂乱的磁场会降低磁强计对目标信号的探测能力，因此高灵敏度的原子磁强计需要屏蔽外界磁场。磁屏蔽设备可以将外界磁场屏蔽到近乎零。空气的磁导率接近１，而磁屏蔽层材料磁导率远大于１，因此磁屏蔽设备内部的磁阻远大于其外壳的磁阻，外部磁场的绝大部分磁感应线将贴着磁屏蔽体壁通过，只有极少的一部分磁感应线进入磁屏蔽体内腔。

（二）基于SQUID技术的心磁检测：

SQUID的基本原理涉及两个效应，磁通量子化和约瑟夫森（Josephson）效应。磁通量子化是指闭合超导环中所穿透的磁通量只能是磁通量子的整数倍。约瑟夫森效应是指当流过约瑟夫森结的电流超过超导体临界电流时，流过约瑟夫森结的超导电流和结两端电压存在关联性。约瑟夫森结如图6所示，由两个弱耦合超导体构成。

根据SQUID工作模式的不同可以分为直流SQUID和射频SQUID，其中直流SQUID由于其良好的稳定性与低固有噪声，被大量应用于低温超导系统。如图7所示，直流SQUID是由两个约瑟夫森结将一个超导环隔断形成的微型结构构成，该结构满足磁通量子化效应，两结的相位差随外磁通线性变化。结合约瑟夫森效应中结两端电压与相位差函数关系，可获得随外磁场变化的电压信号，实现对外界磁场的测量。

SQUID传感器使用的铌线圈是一种超导体，在其临界温度以下能保持零电阻。为保证传感器工作在超导态，需要环境温度低于铌的超导临界温度(9.25 K)，因此使用时需将传感器部分完全地浸泡在沸点为4.2 K的液氦环境中。

图8为SQUID轴向梯度计原理图，该结构利用输入线圈将二阶梯度检测线圈探测的磁信号耦合到SQUID超导环路中，利用差动式结构抑制环境噪声。当线圈受到磁场的作用时，穿过线圈的磁通量会改变，线圈中会感应出电流。这个感应电流随后被 SQUID 检测到，从而实现对磁场的测量。

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