本發(fā)明涉及一種腦磁圖檢測裝置，特別是一種基于矢量漩渦光束的腦磁圖檢測裝置，主要用于腦科學(xué)、生命醫(yī)療、生物技術(shù)、健康檢測、疾病診療、人機(jī)交互、智能控制、行為組織等領(lǐng)域中的腦磁場檢測。

背景技術(shù)：

腦磁圖(Magnetoencephalography，簡稱MEG)，是集生物工程、電子工程、醫(yī)學(xué)工程等尖端科學(xué)技術(shù)于一體，是無創(chuàng)傷性地探測大腦電磁生理信號的一種腦功能檢測技術(shù)。腦磁圖檢測裝置是一種對人體完全無創(chuàng)性、無放射性的腦功能圖像探測技術(shù)，在腦科學(xué)、生命醫(yī)療、生物技術(shù)、健康檢測、疾病診療、人機(jī)交互、智能控制、行為組織等領(lǐng)域中發(fā)揮非常重要的作用。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，檢測裝置得到的腦磁圖可以應(yīng)用到癲癇診斷和致癇灶的手術(shù)前定位、神經(jīng)外科手術(shù)前大腦功能區(qū)定位、缺血性腦血管病預(yù)測和診斷、精神病和心理障礙疾病的診斷、外傷后大腦功能的評估和鑒定、司法鑒定和測謊應(yīng)用、語言、視覺、聽覺、體感誘發(fā)等的研究，主要適應(yīng)癥涉及各種類型的癲癇、腦良性或惡性腫瘤、腦血管病(中風(fēng))、帕金森病、老年性癡呆、偏頭痛、幻聽、幻視、腦外傷、精神分裂癥、強(qiáng)迫癥、抑郁癥、自閉癥、植物人等等，目前對高性能的腦磁圖檢測裝置需求緊迫。

在先技術(shù)中，存在腦磁圖檢測裝置，總部在瑞典的跨國公司Elekta公司是腦磁圖檢測裝置領(lǐng)先者，生產(chǎn)Elekta Neuromag TRIUX型號腦磁圖儀；總部在美國的Tristan公司，生產(chǎn)MagView型號腦磁圖儀，在腦磁圖儀市場占有相當(dāng)份額，技術(shù)可以參見美國專利，專利名稱為high-reslution magenetoencephalography system, components and methods,專利號為US7197352B2，專利授權(quán)時(shí)間為2007年3月27日。在先技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是，仍然存在一些本質(zhì)不足：1）檢測腦磁場裝置所基于的原理為超導(dǎo)量子干涉器件檢測磁場，以磁通量量子化和約瑟夫森隧穿效應(yīng)兩種物理現(xiàn)象為檢測原理，必需低溫制冷系統(tǒng)，通常采用液氮或液氦制冷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；2）檢測裝置檢測靈敏度受限于檢測原理和系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜度，針對腦磁圖檢測的靈活性差；3）裝置體積大，無法實(shí)現(xiàn)小型化，構(gòu)建成本高，檢測磁場空間分辨率有限，影響使用范圍和受益群體體量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述技術(shù)的不足，提供一種基于矢量漩渦光束的腦磁圖檢測裝置，具有無需低溫制冷系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于構(gòu)建、靈敏度高、檢測信息量大、空間分辨率高、靈活性好、體積小、可實(shí)現(xiàn)小型化、功能易于擴(kuò)充、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于矢量漩渦光束的腦磁圖檢測裝置，包括柔性頭戴結(jié)構(gòu)、原子磁力計(jì)探針、信號傳輸線層、信號總線、分析控制部件，其特征在于：所述信號傳輸線層、信號總線、分析控制部件均設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)外側(cè)；所述原子磁力計(jì)探針構(gòu)成陣列設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)中，并且每個(gè)原子磁力計(jì)探針的磁場探測頭朝向柔性頭戴結(jié)構(gòu)內(nèi)測，所述原子磁力計(jì)探針構(gòu)成陣列通過信號傳輸線層與信號總線連接，信號總線與分析控制部件連接，信號總線將所接收數(shù)據(jù)傳輸給分析控制部件；所述原子磁力計(jì)探針采用光泵浦光檢測堿金屬原子氣體，結(jié)合矢量光場與物質(zhì)相互作用來發(fā)揮漩渦光場特性，形成面檢測的基于量子效應(yīng)的矢量漩渦光束原子磁力計(jì)探針，通過原子磁力計(jì)探針陣列檢測腦磁場的不同區(qū)域磁場，每個(gè)原子磁力計(jì)探針檢測本區(qū)域磁場空間分布，通過漩渦光場奇點(diǎn)進(jìn)行相對坐標(biāo)定位，通過矢量光場構(gòu)建非均勻局域偏振態(tài)分布探測光束，進(jìn)行高分辨率磁場空間分布檢測，腦磁場信息通過分析控制部件進(jìn)行總體信息拼接與融合，得到所需腦磁場分布及信息。

所述基于量子效應(yīng)的矢量漩渦光束原子磁力計(jì)探針包括堿金屬原子氣體室、泵浦光源、主分光鏡、矢量漩渦光場光源、探測分光鏡、偏振分光鏡、第一面陣光電探測器、第二面陣光電探測器、原子磁力計(jì)信號處理部件；堿金屬原子氣體室作為磁場探測頭，堿金屬原子氣體室的探測前端設(shè)置有寬光譜反射層；泵浦光源出射寬尺寸圓偏振光束經(jīng)過主分光鏡，投射的泵浦光場從堿金屬原子氣體室后端入射，對堿金屬原子氣體實(shí)現(xiàn)極化；矢量漩渦光場光源出射矢量漩渦光場，矢量漩渦光場光源出射光場經(jīng)過主分光鏡反射，與泵浦光源出射的泵浦光場同光路，在矢量漩渦光場光源和主分光鏡設(shè)置有探測分光鏡，矢量漩渦光場光源出射矢量漩渦光場經(jīng)過堿金屬原子氣體室的探測前端反射后，依次經(jīng)過主分光鏡和探測分光鏡的反射偏離矢量漩渦光場光源出射光路方向射出；在探測分光鏡反射的偏離矢量漩渦光場光路上設(shè)置有偏振分光鏡和第一面陣光電探測器，被探測分光鏡的反射偏離矢量漩渦光場經(jīng)過偏振分光鏡，偏振分光鏡透射光場照射在第一面陣光電探測器，被偏振分光鏡反射光場照射在第二面陣光電探測器，第一面陣光電探測器和第二面陣光電探測器均與原子磁力計(jì)信號處理部件相連接，原子磁力計(jì)信號處理部件作為原子磁力計(jì)探針信號輸出部件與信號傳輸線層連接。

所述的堿金屬原子氣體室中堿金屬為鈉、鉀、銣、銫的任一種。

所述的矢量漩渦光場光源為外腔式矢量漩渦光場激光器或有源腔矢量漩渦光場激光器。

所述的主分光鏡為光譜分光鏡，對泵浦光源202出射光的透過率高于92%，對矢量漩渦光場光源出射光的反射率高于95%。

所述的第一面陣光電探測器和第二面陣光電探測器的面陣光電探測器光場入射窗口處設(shè)置有光場波前相位調(diào)制層或光場偏振態(tài)調(diào)制層。

所述的第一面陣光電探測器和第二面陣光電探測器的面陣光電探測器為電荷耦合器件或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電傳感器。

所述的原子磁力計(jì)信號處理部件為計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、數(shù)字信號處理器中的任一種。

所述的信號傳輸線層為有線信號傳輸線層或無線信號傳輸線層。

所述的分析控制部件為計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、數(shù)字信號處理器中的任一種。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1）在先技術(shù)所基于的原理為超導(dǎo)量子干涉器件檢測磁場，以磁通量量子化和約瑟夫森隧穿效應(yīng)兩種物理現(xiàn)象為檢測原理，必需低溫制冷系統(tǒng)，通常采用液氮或液氦制冷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本發(fā)明基于原子量子效應(yīng)，采用光泵浦光檢測堿金屬原子氣體，利用寬尺寸泵浦光極化堿金屬原子，采用矢量漩渦光束進(jìn)行檢測，原理上決定裝置不需要低溫制冷系統(tǒng)，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于構(gòu)建、靈敏度高；

2）在先技術(shù)檢測裝置檢測靈敏度受限于檢測原理和系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜度，針對腦磁圖檢測的靈活性差，裝置體積大，無法實(shí)現(xiàn)小型化，構(gòu)建成本高。本發(fā)明基于特定新型原子磁力計(jì)系統(tǒng)，結(jié)合矢量光場與物質(zhì)相互作用機(jī)理，發(fā)揮漩渦光場特性，構(gòu)建面檢測原子磁力計(jì)探針，將探針陣列設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)中，全光磁力分析技術(shù)，具有系統(tǒng)構(gòu)建簡單、靈活性好、體積小、可實(shí)現(xiàn)小型化、成本低等特點(diǎn)；

3）在先技術(shù)采用超導(dǎo)量子干涉器件檢測磁場，核心部件為線圈，空間分辨率有限，影響使用范圍。本發(fā)明腦磁場通過探針陣列檢測不同區(qū)域磁場，每個(gè)原子磁力計(jì)探針檢測本區(qū)域磁場空間分布，通過漩渦光場奇點(diǎn)進(jìn)行相對坐標(biāo)定位，通過矢量光場構(gòu)建非均勻局域偏振態(tài)分布探測光束，進(jìn)行高分辨率磁場空間分布檢測，腦磁場信息通過分析控制部件進(jìn)行總體信息拼接與融合，得到所需腦磁場分布及信息，具有檢測信息量大、空間分辨率高、功能易于擴(kuò)充、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于矢量漩渦光束的腦磁圖檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為基于量子效應(yīng)的矢量漩渦光束原子力計(jì)探針結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種基于矢量漩渦光束的腦磁圖檢測裝置，包括：柔性頭戴結(jié)構(gòu)1、原子磁力計(jì)探針2、信號傳輸線層3、信號總線4、分析控制部件5；信號傳輸線層3、信號總線4、分析控制部件5均設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)1外側(cè)；所述原子磁力計(jì)探針2構(gòu)成陣列設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)1中，并且每個(gè)原子磁力計(jì)探針2的磁場探測頭朝向柔性頭戴結(jié)構(gòu)1內(nèi)測，原子磁力計(jì)探針2構(gòu)成陣列通過信號傳輸線層3與信號總線4連接，信號總線4與分析控制部件5連接，信號總線4將所接收數(shù)據(jù)傳輸給分析控制部件5，分析控制部件5進(jìn)行總體信息拼接與融合，得到所需腦磁場分布；所述原子磁力計(jì)探針2采用光泵浦光檢測堿金屬原子氣體，結(jié)合矢量光場與物質(zhì)相互作用機(jī)理，發(fā)揮漩渦光場特性，實(shí)現(xiàn)面檢測磁場檢測，為基于量子效應(yīng)的矢量漩渦光束原子力計(jì)探針，如圖2所示，包括堿金屬原子氣體室201、泵浦光源202、主分光鏡203、矢量漩渦光場光源204、探測分光鏡205、偏振分光鏡206、第一面陣光電探測器207、第二面陣光電探測器208、原子磁力計(jì)信號處理部件209；堿金屬原子氣體室201作為磁場探測頭，堿金屬原子氣體室201的探測前端設(shè)置有寬光譜反射層，對泵浦光場和檢測光場均具有高反射率；泵浦光源202出射寬尺寸圓偏振光束經(jīng)過主分光鏡203，投射的泵浦光場從堿金屬原子氣體室201后端入射，對堿金屬原子氣體實(shí)現(xiàn)極化；矢量漩渦光場光源204出射矢量漩渦光場，矢量漩渦光場光源204出射光場經(jīng)過主分光鏡203反射，與泵浦光源202出射的泵浦光場同光路，主分光鏡203對泵浦光源202出射的泵浦光場是高透射，對矢量漩渦光場光源204出射光場是高反射；在矢量漩渦光場光源204和主分光鏡203設(shè)置有探測分光鏡205，矢量漩渦光場光源204出射矢量漩渦光場經(jīng)過堿金屬原子氣體室201的探測前端反射后，依次經(jīng)過主分光鏡203和探測分光鏡205的反射偏離矢量漩渦光場光源204出射光路方向射出；在探測分光鏡205反射的偏離矢量漩渦光場光路上設(shè)置有偏振分光鏡206和第一面陣光電探測器207，被探測分光鏡205的反射偏離矢量漩渦光場經(jīng)過偏振分光鏡206，偏振分光鏡206透射光場照射在第一面陣光電探測器207，被偏振分光鏡206反射光場照射在第二面陣光電探測器208，第一面陣光電探測器207和第二面陣光電探測器208均與原子磁力計(jì)信號處理部件209相連接，原子磁力計(jì)信號處理部件209作為原子磁力計(jì)探針2信號輸出部件與信號傳輸線層3連接。

本實(shí)施例中，堿金屬原子氣體室201中堿金屬為銣。矢量漩渦光場光源204為外腔式矢量漩渦光場激光器。主分光鏡203為光譜分光鏡，對泵浦光源202出射光的透過率為95%，對矢量漩渦光場光源204出射光的反射率為97%。第一面陣光電探測器207和第二面陣光電探測器208的面陣光電探測器光場入射窗口處均設(shè)置有光場波前相位調(diào)制層和微納結(jié)構(gòu)光場偏振態(tài)調(diào)制層，第一面陣光電探測器207和第二面陣光電探測器208均為電荷耦合器件。信號傳輸線層3為有線信號傳輸線層。分析控制部件5為計(jì)算機(jī)。原子磁力計(jì)信號處理部件209為數(shù)字信號處理器。泵浦光源202的出射波長為795nm，矢量漩渦光場光源204出射波長為780nm。

本實(shí)施例的工作過程：被檢測使用者將柔性頭戴結(jié)構(gòu)1戴在頭上，信號傳輸線層3、信號總線4、分析控制部件5均設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)1外側(cè)，原子磁力計(jì)探針2構(gòu)成陣列設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)1中，并且每個(gè)原子磁力計(jì)探針2的磁場探測頭朝向柔性頭戴結(jié)構(gòu)1內(nèi)測。原子磁力計(jì)探針2采用光泵浦光檢測堿金屬原子氣體，結(jié)合矢量光場與物質(zhì)相互作用機(jī)理，發(fā)揮漩渦光場特性，實(shí)現(xiàn)面檢測磁場檢測，為基于量子效應(yīng)的矢量漩渦光束原子力計(jì)探針。泵浦光源202出射寬尺寸圓偏振光束經(jīng)過主分光鏡203，投射的泵浦光場從堿金屬原子氣體室201后端入射，對堿金屬原子氣體實(shí)現(xiàn)極化，被檢測的腦磁場對極化后的堿金屬原子蒸汽進(jìn)行作用，堿金屬原子在磁場作用下產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)行為。矢量漩渦光場光源204出射矢量漩渦光場，矢量漩渦光場光源204出射光場經(jīng)過主分光鏡203反射，與泵浦光源202出射的泵浦光場同光路，主分光鏡203對泵浦光源202出射的泵浦光場是高透射，對矢量漩渦光場光源204出射光場是高反射；在矢量漩渦光場光源204和主分光鏡203設(shè)置有探測分光鏡205，矢量漩渦光場光源204出射矢量漩渦光場經(jīng)過堿金屬原子氣體室201的探測前端反射后，經(jīng)過堿金屬原子氣體室201后端出射，矢量漩渦光場與堿金屬原子蒸汽發(fā)生作用，光場偏振態(tài)分布發(fā)生變化。帶有腦磁場信息的矢量漩渦光場依次經(jīng)過主分光鏡203和探測分光鏡205的反射偏離矢量漩渦光場光源204出射光路方向射出；在探測分光鏡205反射的偏離矢量漩渦光場光路上設(shè)置有偏振分光鏡206和第一面陣光電探測器207，被探測分光鏡205的反射偏離矢量漩渦光場經(jīng)過偏振分光鏡206，偏振分光鏡206透射光場照射在第一面陣光電探測器207，被偏振分光鏡206反射光場照射在第二面陣光電探測器208，第一面陣光電探測器207和第二面陣光電探測器208均與原子磁力計(jì)信號處理部件209相連接，原子磁力計(jì)信號處理部件209作為原子磁力計(jì)探針2信號輸出部件與信號傳輸線層3連接。原子磁力計(jì)探針2構(gòu)成陣列通過信號傳輸線層3與信號總線4連接，信號總線4與分析控制部件5連接，信號總線4將所接收數(shù)據(jù)傳輸給分析控制部件5，分析控制部件5進(jìn)行總體信息拼接與融合，得到所需腦磁場分布。

本實(shí)施例對個(gè)人腦磁場進(jìn)行了檢測，采用Rd堿金屬原子蒸汽，實(shí)現(xiàn)了檢測靈敏度達(dá)到5fT的腦磁圖，實(shí)現(xiàn)了腦磁場安全檢測，具有無需低溫制冷系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于構(gòu)建、靈敏度高、檢測信息量大、空間分辨率高、靈活性好、體積小、可實(shí)現(xiàn)小型化、功能易于擴(kuò)充、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

本發(fā)明中柔性采用加工使用、頭戴機(jī)械結(jié)構(gòu)連接、光電傳感器電子電路、腦磁場處理與分析等均為成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于基于量子效應(yīng)，結(jié)合矢量光場與漩渦光場特性，構(gòu)建面檢測原子磁力計(jì)探針，將探針陣列設(shè)置在柔性頭戴結(jié)構(gòu)中。腦磁場通過探針陣列檢測不同區(qū)域磁場，每個(gè)原子磁力計(jì)探針檢測本區(qū)域磁場空間分布，通過漩渦光場奇點(diǎn)進(jìn)行相對坐標(biāo)定位，通過矢量光場構(gòu)建非均勻局域偏振態(tài)分布探測光束，進(jìn)行高分辨率磁場空間分布檢測，腦磁場信息通過分析控制部件進(jìn)行總體信息拼接與融合，得到所需腦磁場分布及信息，使得腦磁圖檢測裝置具有無需低溫制冷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、檢測信息量大、空間分辨率高、靈活性好、可實(shí)現(xiàn)小型化等特點(diǎn)，本質(zhì)上避免在先技術(shù)的不足。