用于可穿戴脑磁图技术的纳米晶磁屏蔽头盔中单层自屏蔽线圈的优化设计

《Sensors and Actuators A: Physical》：Optimization design of a single-layer self-shielded coil in a nanocrystalline magnetic shielding helmet for wearable magnetoencephalography

　　

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  提出了一种用于嵌入在纳米晶磁屏蔽头盔NMSH中的OSSC的设计优化方法。
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  基于TFM的OSSC正向电流密度模型以NMSH的磁特性作为核心边界条件。
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  MOPSO算法被用于优化高性能单层线圈的场均匀性及衰减性能。
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  所设计的OSSC均匀性误差仅为0.94%，能有效抑制杂散磁场，适用于可穿戴轻型脑磁图系统。

引言

脑磁图（MEG）是一种非侵入性的脑功能检测技术，它能探测来自神经元电流的微弱生物磁信号，从而实现高时空分辨率的神经活动成像[1]。与传统的脑电图相比，MEG能更精确地定位神经信号源，在癫痫灶精确定位、术前语言功能评估、认知科学研究以及脑部疾病早期诊断等领域具有重要的临床和研究价值[2]、[3]。其核心检测设备需要近乎零磁场的环境才能实现高灵敏度工作[4]、[5]。传统的磁屏蔽系统多采用坡莫合金制成的被动屏蔽室，虽然有效，但其刚性大且成本高，严重限制了其在可穿戴轻型设备中的应用[6]、[7]。

在磁屏蔽系统中，线圈与高磁导率屏蔽体之间的磁耦合会扭曲磁场分布，从而影响残余场补偿的准确性[8]、[9]。吴某和王某等人研究了轴向自屏蔽垫圈线圈[10]、[11]；王某提出了一种针对圆柱形结构的自屏蔽均匀磁场线圈设计方法，通过多极矩优化来实现这一目标[12]；纳尔代利等人设计了一种由两组亥姆霍兹线圈构成的结构，通过反向电流实现自屏蔽效果[13]；泰勒等人利用目标场法设计了双平面线圈，展现了良好的自屏蔽效果[14]；曹某建立了线圈磁场的解析模型[15]；潘某将该方法扩展到矩形铁磁边界，提出了均匀磁场线圈的设计方法[16]；刘某则运用有限厚度镜像法推导出了线圈磁场的解析表达式[17]；帕克等人将格林函数法与目标场法结合，实现了封闭圆柱体内的协同线圈设计[18]、[19]。

在抑制磁屏蔽系统与线圈之间的耦合效应方面，目前主流方法仍是设计自屏蔽线圈。在之前的研究中，我们曾设计过一种头盔形状的自屏蔽线圈[9]，但这类线圈通常采用双层结构，不仅会大幅增加系统的体积、重量和复杂性，还难以满足可穿戴、高度集成化设备的需求。与此同时，高性能屏蔽系统多使用坡莫合金等传统材料，其重量和刚性进一步阻碍了系统的轻量化与灵活性发展。为解决这些问题，本文提出了一种用于轻型可穿戴纳米晶磁屏蔽头盔内的开放式单层自屏蔽线圈（OSSC）的协同设计方法。该设计的创新点包括：

• (1)
  结构创新：单层绕组结构既能在目标区域内实现均匀磁场，又能使外部磁场快速衰减，这大大简化了线圈设计，有助于实现系统的小型化和轻量化。
• (2)
  边界设计：将NMSH的磁特性直接作为关键边界条件纳入线圈的磁场设计模型中，从而在设计阶段就能主动补偿并抑制线圈与屏蔽体之间的耦合效应。
• (3)
  功能适应性：线圈设计中设置了物理开口，能够在保持良好磁性能的同时满足可穿戴设备的实际使用需求。

该方法为在轻型可穿戴NMSH中实现高性能自屏蔽线圈提供了系统的设计框架。首先，将NMSH的几何边界作为关键约束条件，纳入基于TFM的线圈电流密度正向模型中；其次，以内部场均匀性误差和外部场衰减程度为目标，构建双目标优化问题，再利用多目标粒子群优化算法协同优化规则参数和线圈匝数，最终得到一组帕累托最优设计解；随后通过流函数离散化确定线圈的物理绕组布局；最后通过仿真和实验验证来评估整个系统的性能。

本文的其余部分结构如下：第二部分介绍了基于TFM的OSSC电流密度模型，并阐述了用于参数协同优化的MOPSO算法；第三部分展示了在NMSH边界条件下的线圈设计结果，并将所提方法与边界元法进行了比较；第四部分介绍了实验验证情况；第五部分总结了研究结果和主要结论。

各部分要点

研究方法

如图1所示，以OSSC轴线为z轴建立笛卡尔坐标系。考虑到人类头部的实际尺寸，OSSC的圆柱形绕组区域前端被去除，以便露出眼睛和面部。因此，该线圈为单端开口圆柱结构，由三个导电表面组成：圆形顶盖（z?=?H_c1），作为封闭端以确保屏蔽效果；完整的圆柱段（H_c2< z?H_c1），负责产生主要的轴向和径向磁场

参数设置

OSSC和NMSH的所有初始尺寸参数均列于表2中。过高的谐波阶数可能会扰乱内部均匀磁场并增加计算时间，因此将谐波阶数设定为6。已对2到10的谐波阶数进行了收敛性研究，结果表明，将谐波阶数从2提升到6时，内部均匀性和外部衰减性能都会逐步改善；而当阶数进一步提升到8或10时，这两种性能都会出现下降

实验部分

为验证所提线圈设计的实际性能，搭建了如图9所示的测试系统。该系统包括NMSH、OSSC、电流源（LCD 205?C）、锁相放大器（HF2LI，苏黎世仪器公司）以及三轴磁通门磁强计（Mag?03，巴林顿仪器公司）。关于NMSH外壳的详细信息已在前面提及。根据OSSC的基本参数制作了尼龙线圈框架，导线缠绕在深度为1.5毫米、宽度为2毫米的凹槽中，这样做是为了确保

结论

作为重要的非侵入性脑功能检测技术，脑磁图依赖于高灵敏度的原子磁强计以及近乎零磁场的测量环境。目前，脑磁图系统面临着可穿戴性需求与磁屏蔽技术瓶颈之间的矛盾：一方面，传统的坡莫合金屏蔽外壳重量大且刚性高，不利于系统的微型化与集成化；另一方面，线圈与屏蔽体之间的磁耦合效应也会对系统性能造成影响

作者贡献说明

王少泽：实验验证、项目指导。韩春波：软件开发、项目管理工作。张学峰：研究方法设计、实验研究工作。徐学平：论文撰写与修改、可视化分析、研究方法设计、资金申请工作。刘毅：论文初稿撰写、研究方法设计、定量分析、数据整理、研究构思工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助，项目编号分别为52575262和52275233，同时还获得了北京诺华计划的资助，项目编号为20250484816。非常感谢匿名审稿人提出的宝贵意见与建议。

刘毅于2022年在中国地质大学获得机械工程学士学位，目前在北京航空航天大学攻读博士学位。她的研究兴趣主要包括高度均匀的线圈设计，以及被动磁屏蔽与补偿线圈的耦合分析。

刘毅|徐学平|张学峰|韩春波|王少泽