心磁信号的测量误差分析

　　1 引 言

　　心脏的心房和心室肌肉的周期性收缩和舒张伴随着复杂的交变生物电流，产生了心磁场。由于心脏的电磁场(10-10T)远比大地磁场弱(10-3-10-7T)，检测它是一件十分困难的事情。1970 年Cohen 等在实验室里首次利用导量子干涉仪(SQUID)检测到心脏磁场信号。30 多年来，随着超导和检测技术的不断进步，人们已经可以利用 SQUID 技术检测病人心脏表面磁场，并通过心磁图(MCG)诊断心肌缺血等心脏疾病。理论上，人们认为心磁图对心脏电生理变化的诊断要比心电图(ECG)更敏感。已经有大量的研究报告和参考文献认为，心磁仪对于冠心病，心肌缺血等心脏功能性病变的早期诊断有很好的作用[1]。

　　通过SQUID 测量的心磁数据的精度将直接影响心磁图诊断结果的准确性。在心磁信号的测量过程中，由于环境及自身电子器件噪声的干扰，不可避免存在信号误差。为了研究测量的准确度，有必要进行误差分析。本文根据心磁信号的测量过程和心磁数据的特点，用一个测量点上的一个周期的心磁数据作为测量误差的分析对象，根据误差理论分析了它的随机误差，系统误差和粗大误差。

　　2 心脏磁场信号测量过程及可能产生的误差

　　心磁图仪的信号测量是通过 SQUID 传感器完成的。SQUID 是利用超导量子隧道效应(也称为约瑟夫逊结隧道效应)制造的最灵敏的电磁信号检测元件。SQUID系统的工作如下: (1) 时变的心脏磁场在检测线圈中感生电流，使电流流过检测系统输入线圈。(2) 这些电流产生磁场与SQUID 中的环耦合。(3) 环中产生额外的电流使超过临界电流，从而在弱连接处产生压降。(4) 电压降被SQUID 的电子线路检出，它又用一个反馈电流环来平衡感生的电流。(5) 所需的反馈电流流过一个电阻，造成压降作为磁强计的输出[2]。

　　磁强计的输出信号是电压信号，也就是一个模拟信号，通过数模转换和对噪声信号滤波，最后通过具体的算法绘制心磁图。

　　由心磁仪测量的各环节可见，心磁信号是一种通过测量并经过转换的信号，其精度与准确度依赖测量设备和测量环境。电子设备和环境的干扰，在测量过程中人员与设备的移动都会或多或少地影响测量结果,引入误差。在被测心磁信号形成和传送过程中会产生干扰噪声,例如白噪声和1/f 噪声。混有干扰的测量值不能真实反映对象的情况,甚至会导致相当大的误差。按照误差的特点与性质，我们可把心磁信号误差分为系统误差、随机误差和粗大误差进行具体的研究。

　　随机误差是测量值与数学期望之差。它是在同一条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号以不可预测的规律随机变化的误差，表示测量结果分散性的程度。随机误差的产生有很多复杂因素，如电磁场的微变、空气扰动、气压及湿度的变化、测量人感觉器官的生理变化、电子设备的干扰，环境和人员与设备的移动等。