JPH0810250B2

JPH0810250B2 - スクイドを用いた磁気雑音除去装置

Info

Publication number: JPH0810250B2
Application number: JP3137175A
Authority: JP
Inventors: 和健松本; 篤涌澤; 耕治藤岡
Original assignee: 大同ほくさん株式会社
Priority date: 1991-05-13
Filing date: 1991-05-13
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: JPH04357481A; FI922129L; US5367259A; FI107195B; EP0514027A2; EP0514027A3; ATE144050T1; DE69214347T2; EP0514027B1; CA2067963A1; CA2067963C; DE69214347D1; FI922129A0

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極めて微弱である生体の
磁気を計測するような場合に、当該生体のおかれている
環境磁場雑音をキャンセルして、Ｓ／Ｎを改善すること
により、当該計測結果の信頼性を向上させることのでき
る磁気雑音除去装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スクイド磁束計を用いて生体磁気計測を
行う際、いかにして環境磁場雑音を低下させ、Ｓ／Ｎを
改善するかが重大な問題となっている。ところで、この
種の磁気雑音は図２の（Ａ）に示されている通り、低周
波数領域では１／ｆ（ｆは周波数）的特性を有し、１Ｈ
ｚで１×１０^-10 〜１×１０^-9Ｔ（Ｈｚ）^-1/2の雑音レ
ベルとなり、低周波側はもっと大きくなっていくもので
あって、これに対して生体磁気の場合にあっては、１０
^-14 〜１０^-9Ｔの信号（信号源の強度深さや方向等で、
その大きさが異なる。）を検出しなければならないこと
になる。

【０００３】一方、実際に生体磁気測定に必要な周波数
帯域（△Ｂ）は、ＤＣ〜１ＫＨｚ程度であり、この場
合、実計測中の雑音レベルはＢｎ×△Ｂ^1/2 （Ｂｎは
単位周波数当りの磁気雑音）であるので、前記の１×１
０^-10 〜１×１０^-9Ｔ（Ｈｚ）^-1/2の場合、ＤＣ〜１Ｋ
Ｈｚで、３２倍程度の雑音レベルとなるのであり、さら
に、雑音には周波数特性があるから、これをも考慮せね
ばならぬこととなるが、仮に５×１０^-9Ｔの雑音であっ
たとすると、信号検出のためには、５×１０⁵ の磁気的
減衰で１０^-14 Ｔの信号に対して、Ｓ／Ｎ比が１とな
る。以上の考察からして、磁気的な雑音除去装置に要求
されることは、１０⁵ 〜１０⁶ の磁気減衰率が必要とな
ること、そして、特に低周波領域（１Ｈｚ以下）の雑音
に対して効果的であることが、生体磁気計測には不可欠
な条件となってくることになる。

【０００４】ところで、これまで既に行われて来た磁気
雑音除去手段、もしくは磁気雑音のキャンセリング手段
としては、次の如きものが知られている。ａ）磁気シールドルームこれは、パーマロイなどの高透磁性材料を用いた室を形
成し、当該室内空間に磁気的雑音の減衰領域を作るよう
にしたものである。

【０００５】ここで、図５は当該室内における磁気減衰
率の周波数特性を示しており、ここに示された曲線Ｌ
₁ 、Ｌ₂ は、アルミニウムとパーマロイを重ねた素材を
用いて室を形成した場合を示しており、アルミニウムと
パーマロイの重積層数を増加していくと、磁気減衰率が
大きくなっていく。そして、かかる磁気シールドルーム
は、同上図からも明らかな通り、低周波側の磁気雑音に
対しては、大きな磁気減衰率を期待することができない
ばかりか、測定室が狭く、閉空間となる欠点があり、パ
ーマロイが高価であるため、その価格が数千万円から１
億円以上と高価なものとなってしまう。

【０００６】ｂ）電気的な磁気雑音のキャンセル法この方法は図６に示す如き装置を用いることで、信号検
出用のスクイド磁束計ＳＣ１、リファレンススクイド磁
束計ＳＣ２用いて、両磁束計における測定結果の差分を
とることで、出力信号におけるノイズ成分を除去しよう
とするものであり、図中矢印Ｍは信号、Ｎは雑音、Ｐ
１、Ｐ２はコントローラ、Ｑは信号処理回路部、Ｒはア
ウトプットを示している。上記の手段によるときは、信
号検出空間の実際の磁場を除去していないこととなるの
で、多チャンネルスクイドシステムを考えたときの各チ
ャンネルの補正が必要となる欠点がある。

【０００７】ｃ）グラジオメータ既知の如く、スクイド磁束計の構成は、通常図７のよう
に磁束検出コイルＭＣ、入力コイルＩＰ、そしてスクイ
ドインダクタンスＳＩを組合せた磁束トランスの構成を
とっているが、この磁束検出コイルＭＣにつき、検出し
たい磁場の空間的な勾配が決まっていれば、磁束傾斜計
として、それ以下の勾配磁場をキャンセルするように構
成するのである。すなわち、図８のようにマグネットメ
ータＵ、一次微分傾斜計Ｕ１、二次微分傾斜計Ｕ２のよ
うにして傾斜計を構成すると、均一磁場（一次微分）や
一次勾配までの磁場（二次微分）等をキャンセルした
り、∂Ｂｚ／∂ｘ、∂Ｂｘ／∂ｘ、∂Ｂｘ／∂ｚ等、目
的によって各種の構成を取ることができることとなる。

【０００８】しかし、上記のものの欠陥は、より高次に
なれば、磁束密度に対するスクイド磁束計の感度が低下
してしまうことであり、また、距離（∂Ｂｚ／∂ｚであ
ればＺ方向）に対する感度の減衰が大きくなり、巻きバ
ランスによってキャンセル効率が決まるため、通常は１
０² 〜１０⁴ 程度の除去率となるのであって、この場合
にも、実際の磁気雑音を除去してしまっているわけでは
ない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の如き
従来例の有する欠陥に鑑み検討されたもので、その着想
はこれまでスクイド磁束計にあって知られているゼロ磁
界の検出の考え方に基づいており、通常のスクイド回路
では、スクイド素子が常にゼロ磁場となるように、フィ
ードバックループを構成していた点に着目したものであ
る。すなわち、スクイド磁束計のフィードバック電流
を、スクイド素子ではなく、ノイズキャンセルコイルに
供給し、この際、このノイズキャンセルコイルの所定空
間部にスクイド磁束計の磁束検出コイルを配設すること
によって、当該磁束検出コイルをゼロ検出器として働か
せ、これにより、磁気雑音を極めて効果的にシールドす
ることのできる空間を、当該ノイズキャンセルコイルの
所定空間部に形成しようとするのが、その目的である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、所望の空間に、ノイズキャンセルコイル
を、所要数だけ配設し、当該ノイズキャンセルコイル間
の所定空間部に、上記ノイズキャンセルコイルに対応す
るスクイド磁束計の磁束検出コイルを配設すると共に、
当該スクイド磁束計から出力されるフィードバック電流
を、前記所要数のノイズキャンセルコイルに供給するよ
うにしたことを特徴とするスクイドを用いた磁気雑音除
去装置を提供しようとするものである。

【００１１】

【作用】本発明によるときは、スクイド磁束計における
通常のフィードバック回路のかわりに、フィードバック
電流がノイズキャンセルコイルに供与される。ノイズキ
ャンセルコイルで作られる磁場空間にスクイド磁束計の
磁束検出コイルが配置されているから、当該磁束検出コ
イルがゼロ検出器として働くこととなる。この結果ノイ
ズキャンセルコイルは、環境磁気雑音に対して、所定空
間部にて、ゼロ磁場の空間を作ることができることとな
る。

【００１２】

【実施例】まず、環境磁気雑音の空間的性質につき説示
しておくと、磁気雑音信号源からの磁場強度は、距離に
対して０次からｎ次微分の多項式で表現される。ただ
し、測定空間の距離に対して当該雑音源が非常に遠い場
合、その空間内での磁場強度は、ほぼ均一（０次）と見
なすことができる。通常、磁気雑音信号源は主として遠
方にあると考えられるが、どこから発生しているかにつ
いては不定であるから、測定空間には、０次よりも、高
次の磁場成分が含まれている。そこで本発明による磁気
雑音除去装置では、適当な次数の磁場成分を検出するス
クイド磁束計（例えば図８に示す如きもの）と、それに
対応する次数の磁場空間を作製するノイズキャンセルコ
イルを組合わせることで、実際の雑音空間に適応する。
例えば、０次の磁場成分を除去するためには、スクイド
磁束計の磁束検出コイルに、図８に示すマグネトメータ
（０次）を用い、ノイズキャンセルコイルにはヘルムホ
ルツコイルを用いるというように、実際の雑音磁場空間
に合わせて、より高次な磁気雑音除去装置と順次対応さ
せて構成されることとなる。

【００１３】本発明に係る磁気雑音除去装置につき、図
面を参照して以下詳記すると、図１の（Ａ）に示す如く
スクイド磁束計１と、ノイズキャンセルコイル２として
の一対のヘルムホルツコイルとにより構成されたもの
で、図中３はスクイド磁束計１の磁束検出コイルを示
し、この磁束検出コイル３が、所望空間にあって、所定
距離だけ離間して平行に並設された一対のヘルムホルツ
コイル間に形成された所定空間部４としての中心空間部
に、当該ヘルムホルツコイルと同軸状となるよう配設さ
れている。ここで、ノイズキャンセルコイル２は磁場勾
配のない均一磁場を構成するものであるけれども、それ
は中心空間部等の所定空間にあって可能となるので、大
きな均一磁場空間を得ようとすれば、大きなノイズキャ
ンセルコイル２を用いることが要求される。この実験例
では除去の対象となる雑音源が、主として遠方であり、
一軸に限って実施している。

【００１４】図１の（Ａ）にあって、１ｂは磁束検出コ
イル３と既知の入力コイル１ａとの間に挿接した磁束ト
ランスを、１ｃは既知の如くスクイド磁束計１における
スクイド素子を示し、その出力側には順次前置増巾器１
ｄ、スクイドコントローラ１ｅ、そして電圧電流変換器
１ｆが接続されており、本発明では、この電圧電流変換
器１ｆの出力であるフィードバック電流Ｉが、前記のよ
うに所定箇所に配設されて、磁束検出コイル３と同軸状
に位置しているノイズキャンセルコイル２としてのヘル
ムホルツコイルに供給されるよう構成されている。

【００１５】図１の（Ｂ）に示されている本発明の実施
例では、上記図１の（Ａ）におけるものが、一対のヘル
ムホルツコイルによって一軸、０次勾配であるのに対
し、一対のヘルムホルツコイルをｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の配
置にて、２ｘ、２ｙ、２ｚのように設置し、もちろん、
これら各ヘルムホルツコイル２ｘ、２ｙ、２ｚに対応し
たスクイド磁束計１ｘ、１ｙ、１ｚを設けて、夫々のフ
ィードバック電流Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚをヘルムホルツコイ
ル２ｘ、２ｙ、２ｚに供与するようにしてあり、もちろ
ん、スクイド磁束計１ｘ、１ｙ、１ｚの各磁束検出コイ
ル３ｘ、３ｙ、３ｚは、夫々のヘルムホルツコイル２
ｘ、２ｙ、２ｚによる所定空間部４としての中心空間部
に配設されている。従って、この実施例では磁束検出コ
イル３ｘ、３ｙ、３ｚとヘルムホルツコイル２ｘ、２
ｙ、２ｚを３軸にすることで、三次元空間の磁気シール
ドを可能とすることができる。このように、三次元空間
の磁気シールドを実現した場合、磁束検出コイル３ｘ、
３ｙ、３ｚは、ヘルムホルツコイル２ｘ、２ｙ、２ｚと
どのような角度の関係にあってもよい（ただし３ｘと２
ｘが直交する場合を除く）のであり、そのため、磁束検
出コイル３ｘ、３ｙ、３ｚは自由に動かせる。実際に、
生体磁気等を測定するための磁束検出コイル（図１
（Ａ）の５ａに対応するもの）は、如何なる形状、角度
でもよいという利点があることとなる。

【００１６】図１の（Ａ）に示した実施例にあって、ス
クイド磁束計１の磁束検出コイル３は２４ｍｍの直径で
５ターンのマグネトメータを使用してあり、ここで、ヘ
ルムホルツコイルとしては、直径１５９０ｍｍ、巻数７
２のものを用い、フィードバック電流Ｉとしては、±７
ｍＡまで流すことができるようにし、この際における雑
音キャンセルの可能な磁場の大きさは５６０ｎＴであ
る。図１の（Ａ）にあって、５は前記スクイド磁束計１
と同じ構成をもつ測定用スクイド磁束計を示しており
（ただし、フィードバック電流は、スクイド素子にもど
してある。）、これにより、当該所定空間部４における
環境磁場雑音を測定し、かつ本発明に係る磁気雑音除去
装置（アクティブシールドシステム）を動作させた時の
磁場雑音をも測定し、当該各雑音の大きさの比から、磁
気減衰率を求めるためのもので、図中５ａは測定用スク
イド磁束計５の磁束検出コイルを示しており、前記スク
イド磁束計１の磁束検出コイル３から１００ｍｍの間隔
をおいて、これまた同軸状に配設してある。

【００１７】同上図１の（Ａ）にあって、前記測定用ス
クイド磁束計５により測定した結果が、図２の（Ａ）
（Ｂ）に示されており、その測定した周波数範囲は１０
ｍＨｚ〜１０ＫＨｚであって、図３の（Ａ）は本発明装
置を稼動させないアクティブシールド無しの場合、同図
の（Ｂ）がアクティブシールド有りの場合における各磁
気雑音スペクトラムを夫々示している。上記の測定結果
から明らかなように、１００Ｈｚ以下の領域にあって、
本発明に係る磁気雑音シールド装置のシールド効果が顕
著に発揮されており、磁気減衰率は、０．５Ｈｚで９０
０、１Ｈｚで７００、１０Ｈｚで１２０、５０Ｈｚで２
５、１００Ｈｚで１４であった。

【００１８】さらに、ペンレコーダを用いて雑音測定を
行った結果が図３と図４に示されており、ここで図３、
図４は夫々、アクティブシールド無しと有りの場合にお
けるレコードチャートを示すものである。上記の図３に
あって見られる数ｎＴ〜数十ｎＴの大きな磁気雑音は、
近くの道路を自動車が通過した時のもので、図４に明示
の如くアクティブシールドを用いることで、このノイズ
ピークが１００ｐＴ以下となっており、近くを通過する
車の雑音に対しては、磁気減衰率が１００以上である。

【００１９】上記の実験による測定にあっては、実際上
磁束検出コイル３とヘルムホルツコイルとの位置ずれが
あり、このことが、アクテイブシールドの性能を決定し
ていたことから、本装置の回路定数、位置ずれ、ヘルム
ホルツコイルの均一度を改善することによって、低周波
領域において均一磁場に対して１以上のシールディング
ファクターを期待できる。さらに、本発明における磁気
雑音除去装置と、前記従来の簡易な磁気シールドルーム
を併用（ＤＣ〜１０ＫＨｚの領域）し、より効果的な磁
気雑音の除去を行うことができ、特に実際の生体磁気計
測にあって有用なものとなることがわかった。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、以上のようにして構成するこ
とができるから、スクイド磁束計とノイズキャンセルコ
イルとの適切な構成により、当該ノイズキャンセルコイ
ルの所定空間部に、特に低周波領域の雑音に対する高い
シールド効果をもたせることができる。また、当該装置
によるときは磁束検出コイルが置かれている磁場空間の
正味の環境雑音をキャンセルするよう構成されているの
で、例えば、生体磁気計測における多点同時測定用のス
クイド磁束計に効果的である。従って、スクイド磁束計
とノイズキャンセルコイルを必要数装備させるだけで、
磁気雑音除去効果を発揮させ得るので、従来の如く高価
な磁気シールドルームを使用したり、スクイド磁束計の
感度を犠牲にしてグラジオメータの次数を高くしたりす
る必要もなく、必要な空間の磁気雑音を大幅に下げるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）（Ｂ）は本発明に係る磁気雑音シールド
装置の夫々異種実施例を示す電気回路系統説明図であ
る。

【図２】（Ａ）（Ｂ）は本発明装置の夫々非稼動、稼動
状態にあって、当該装置の中心空間部にあって測知した
磁気雑音のスペクトラムである。

【図３】本発明装置の非稼動状態にあって、当該装置の
中心空間部にて測知したペンコーダによる磁気雑音の時
間波形図である。

【図４】本発明装置の稼動状態にあって、当該装置の中
心空間部で測知したペンコーダによる磁気雑音の時間波
形図である。

【図５】従来の磁気シールドルーム内におけるシールド
ファクターの周波数特性を示した図表である。

【図６】従来の電気的に磁気雑音をキャンセルするのに
用いられている装置の電気回路構成図である。

【図７】従来のスクイド磁束計を示す要部構成図であ
る。

【図８】従来のグラシオメータを示す構成説明図であ
る。

【符号の説明】

１スクイド磁束計２ノイズキャンセルコイル３磁束検出コイル４所定空間部Ｉフィードバック電流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所望の空間に、ノイズキャンセルコイル
を所要数だけ配設し、当該ノイズキャンセルコイル間の
所定空間部に、上記ノイズキャンセルコイルに対応する
スクイド磁束計の磁束検出コイルを配設すると共に、当
該スクイド磁束計から出力されるフィードバック電流
を、前記所要数のノイズキャンセルコイルに供給するよ
うにしたことを特徴とするスクイドを用いた磁気雑音除
去装置。