Биомагнитная лаборатория 141

eldis.gif (2426 bytes)

Биомагнитная лаборатория ИРЭ РАН
Старосадский переулок, д.8, г. Москва
Телефон/факс: (095)-9217322
e-mail: cryoton_npo@mtu-net.ru

Состав лаборатории

Фамилия, имя и отчество	Должность ученая степень	Круг научных интересов
Масленников Юрий Васильевич	Руководитель лаборатории к.ф.-м.н.	СКВИД-сенсоры, измерительные системы на основе СКВИДов и измерения с их использованием
Бондаренко Николай Алексеевич	Научный сотрудник к.ф.-м.н.	Методы решения обратных задач
Слободчиков Владимир Юрьевич	Научный сотрудник	СКВИД-сенсоры, СКВИД-электроника, измерительные системы на основе СКВИДов и измерения с их использованием
Лебедев Андрей Валерьевич	Научный сотрудник к.ф.-м.н.	Системы сбора данных, автоматизация измерений
Толчеев Александр Васильевич	Ведущий инженер	Криогенная техника, измерительные зонды, стеклопластиковые криостаты
Рыбкин Вадим Сергеевич	Ведущий инженер	Криогенная техника, измерительные зонды, стеклопластиковые криостаты
Моисейкин Герман Степанович	Ведущий инженер	СКВИД-электроника
Предтеченская Ольга Вячеславовна	Научный сотрудник	Математические модели источников биомагнитных сигналов
Акопян Карине Сергоевна	Ведущий инженер	Математическое моделирование
Окунев Анатолий Владимирович	Ведущий инженер	Криогенная техника, измерительные зонды, стеклопластиковые криостаты
Попов Андрей Павлович	Ведущий инженер	Криогенная техника, измерительные зонды, стеклопластиковые криостаты
Беляев Андрей Васильевич	Ведущий инженер	СКВИД-электроника

Основная тематика лаборатории

Измерительные системы на основе СКВИДов постоянного тока и их применения.

Исследование физических полей, генерируемых живыми организмами, является развивающимся направлением в современной науке. Интерес к измерениям магнитных полей, создаваемых биоэлектрическими источниками, связан в значительной степени с магнитной "прозрачностью" биологических тканей, что дает методу магнитного картирования биообъекта определенные преимущества перед методом регистрации электрических потенциалов. Поскольку магнитные поля, создаваемые биоэлектрическими источниками, в сотни тысяч раз слабее магнитного поля Земли, их регистрация требует применения таких уникальных устройств, как сверхпроводниковые квантовые интерферометры (СКВИДы).

СКВИДы занимают в физике низких температур особое место и в настоящее время используются во многих практических областях науки и техники. Чувствительность таких устройств в диапазоне от сотых долей герца до десятков гигагерц находится вне конкуренции. Поэтому использование СКВИДов в большинстве случаев позволяет получить устройства с качественно новым уровнем параметров. В частности, на основе низкотемпературных СКВИДов были созданы магнитометры и градиентометры, которые позволили регистрировать магнитные поля мозга и сердца человека. После открытия высокотемпературной сверхпроводимости были испытаны первые образцы СКВИДов на основе высокотемпературных сверхпроводников. Они продемонстрировали возможность создания измерительных систем, работающих при температуре жидкого азота и обладающих параметрами, близкими к их низкотемпературным аналогам. Успехи, достигнутые Институтом в развитии СКВИДов и их практических применений, дают все основания считать его одной из ведущих организаций в этой области.

Среди направлений исследований, проводимых коллективом Биомагнитной лаборатории, можно выделить несколько:

Тонкопленочные СКВИДы постоянного тока.

Одним из основных элементов сверхпроводникового магнитометра является сверхпроводниковый квантовый интерферометр - СКВИД. За последние 10-15 лет было создано множество разнообразных конструкций СКВИДов и сенсоров на их основе. На фоне этого многообразия необходимо выделить конструкцию тонкопленочного СВКИДа с петлей в виде широкой плоской шайбы, предложенную Марком Кетченом в 1981 году [ 1,2] . Его входная катушка имеет форму плоской спирали, расположенной над контуром интерферометра. При этом измеряемый магнитный поток концентрируется в центральном отверстии интерферометра.

Как показали расчеты и экспериментальные измерения, такая конфигурация тонкопленочной входной катушки и интерферометра обладает значениями коэффициента потокосцепления, которые для лучших вариантов топологий датчиков достигают величин порядка 0.9-0.95. В результате значения входного энергетического разрешения таких СКВИДов оказались достаточными для большинства возможных практических применений и данная идея широкого "тела" интерферометра с расположенной поверх его тонкопленочной спиральной входной катушки стала базовой при разработке СКВИДов постоянного тока.

Одновременно в практических измерительных системах использовалась и более простая в технологическом смысле версия тонкопленочного интерферометра с накладной входной катушкой из тонкой ниобиевой проволоки. Совершенствование технологии изготовления таких катушек позволило достичь к настоящему времени значений коэффициента потокосцепления порядка 0.4 - 0.5, что также является достаточным для многих применений СКВИДов. Одновременно конструкция датчика становится более простой и позволяет облегчить требования к качеству технологического оборудования и технологических процессов. Так, например, СКВИДы с тонкопленочными катушками имеют до 14 слоев напыления различных материалов, а в СКВИДы без тонкопленочных катушек - только 6. Это позволяет сократить время цикла их изготовления и одновременно увеличить процент выхода годных образцов. Дополнительным удобством использования накладных катушек является возможность варьирования значения индуктивности входной катушки, гибко адаптируя одну и ту же конструкцию "интеферометр + катушка" к различным применениям. При этом потеря чувствительности за счет снижения потокосцепления частично компенсируется улучшением согласования значений индуктивностей трансформатора потока и входной катушки.

Подобный относительно простой датчик был создан в ИРЭ РАН в конце 80-х годов и до настоящего времени используется при создании различных измерительных систем. Квантовый интерферометр имеет величину собственной индуктивности около 100 пГн, шунтированные туннельные джозефсоновские переходы Nb-AlOx-Nb площадью (3? 3) мкм2 и уровень внутреннего энергетического разрешения около 5? 10 -32 Дж/Гц [ 3] . Значения индуктивности входных проволочных катушек варьируются в широком диапазоне от 0.04 до 0.8 мкГн и позволяют получать результирующие величины входного энергетического разрешения датчика порядка 2? 10 -31 Дж/Гц, что соответствует уровню чувствительности коммерческих датчиков, изготавливаемых за рубежом. усилители и т. д.

Измерительные системы на основе СКВИДов.

На основе тонкопленочных СКВИДова в биомагнитной лаборатории ИРЭ РАН были разработаны и созданы различные биомагнитные измерительные системы (в том числе и многоканальные), геофизические измерительные системы, пиковольтметры, измерители магнитной восприимчивости, СКВИД-усилители.

Традиционно магнитометрические системы для биомагниных исследований включают в себя один или несколько измерительных зондов, считывающую электронику, аналогово-цифровой преобразователь для ввода измеряемых сигналов в компьютер и программное обеспечение для управления каналами, ввода и обработки данных (Рис.2.). СКВИД-сенсор (1) является основным элементом измерительного зонда (3). В качестве приемного элемента обычно используется сверпроводниковый трансформатор потока, выполненный в форме планарного или аксиального (4) градиентометра первого, второго или третьего порядка. Также в измерительном зонде размещают цепи согласования низкоомного импеданса СКВИДа с высокоомным входом предварительного усилителя. В электронике применяется модуляционная схема с обратной связью по магнитному потоку, в которой сигнал обратной связи равен измеряемому и подается через сопротивление обратной связи в СКВИД с противоположным знаком, т.е. СКВИД работает как нуль-детектор. Выходное напряжение снимается с сопротивления обратной связи, обрабатывается при необходимости с помощью дополнительных фильтров и усилителей, оцифровывается АЦП и поступает в компьютер. Обработка сигнала определяется типом задачи, для решения которой данная система используется.

Как уже отмечалось ранее, значительный практический интерес представляет исследование различных биоэлектрических источников, находящихся в сердце и мозге человека.

Рис.2. Упрощенная схема измерительной системы на основе СКВИДов:
криостат - 1, измерительный зонд-2, СКВИД-сенсор - 3, градиометр - 4, СКВИДэлектроника - 5, блок управления - 6, плата АЦП - 7, база данных - 8

При этом необходимо отметить, что ткани тела человека представляют многослойную проводящую среду и физически задачу измерений можно сформулировать, как определение положения биоэлектрического источника по измеренной двумерной (или трехмерной) карте магнитного поля, созданного этим источником.

Если внутрь проводящей сферы поместить токовый диполь, то при этом образуются объемные токи. Токи создают разность потенциалов на поверхности сферы при любой пространственной ориентации диполя. Магнитное поле, генерируемое этими токами, равно нулю вне проводящей сферы при радиальном расположении диполя. И только тангенциально ориентированные к поверхности сферы диполи генерируют магнитное поле вне сферы. Данная особенность, например, используется при нейромагнитных измерениях. Строение клеток мозга таково, что при возбуждении локальной области мозга токовый диполь находится в тонком поверхностном слое и расположен ортогонально к его поверхности. Таким образом, только в области борозд мозга он оказывается тангенциальным к поверхности головы и генерирует не равное нулю магнитное поле вне ее. Области борозд мозга всегда представляли значительный интерес для исследователей, поскольку они являются наиболее активными и отвечают за многочисленные функции живых организмов. Для сравнения необходимо отметить, что при традиционно используемых измерениях электрических потенциалов задача интерпретации результатов, например, локализация биоэлектрических источников, осложнена, поскольку, как уже отмечалось выше, в потенциалы дают вклад все токовые диполи. И особенно те, которые находятся в непосредственной близости от поверхности головы. Поэтому измерения магнитной составляющей позволяют надеяться на получение новой информации о природе и поведении биоэлектрических источников, находящихся в глубине тела биообъектов. Учитывая, что тела живых организмов представляют в электрическом смысле многослойную структуру с различными значениями проводимости, отметим, что границы этих слоев также не вносят искажений в магнитное поле. Разность потенциалов, возникающая на границах слоев из-за скачка проводимости, связана с так называемыми вторичными дипольными источниками. Но они радиально направлены, и, следовательно, не дают вклад в магнитное поле вне тела биообъекта (хотя дают вклад в распределение потенциалов на его поверхности). Это обстоятельство, например, обуславливает целесообразность применения магнитных методов измерений в кардиологии, поскольку они дают возможность регистрировать неискаженную магнитную компоненту кардиосигнала и получать более достоверную информацию о биоэлектрических источниках в сердце.

При проектировании биомагнитных измерительных систем ученые и инженеры лаборатории ориентировались на их потенциальное использование в неэкранированных условиях, поскольку это направление открывает реальные перспективы применений измерительных систем на основе СКВИДов в клинической практике.

Основной особенностью работы биомагнитных измерительных систем в неэкранированном пространстве являются ограничения, связанные с высоким уровнем электромагнитных помех в крупных городах. Так, спектральная плотность шумового магнитного поля может достигать величин до 5 нТл/O Гц на частоте 1 Гц. Двойное пиковое значение пространственного градиента этого поля имеет величину около 5 нТл/м в диапазоне частот от 0.1 до 1 Гц. Величина пространственного градиента второго порядка в этом же диапазоне частот оставляет около 0.4 нТл/м2 "пик-пик". В свою очередь, амплитудное значение магнитокардиосигнала на R-пике составляет 100-300 пТл для различных пациентов, а амплитуда альфа-ритма мозга примерно в десять раз меньше. Очевидно, что для работы магнитокардиографических измерительных систем в неэкранированном пространстве необходимо использовать градиентометрические конструкции не ниже второго порядка, чтобы обеспечить уровень сигнал-шум, достаточный для качественной обработки и анализа, а проведение тонких магнитоэнцефаллографических измерений без экранированной комнаты вообще остается не решенной до настоящего времени проблемой

Первый одноканальный вариант измерительной системы для динамического картирования магнитного поля сердца человека был создан в ИРЭ еще в середине 80-х годов. В качестве приемного трансформатора потока использовался аксиальный градиометр второго порядка, измерявший перпендикулярную к груди пациента компоненту напряженности магнитного поля. Витки градиометра имели размер 24 мм и базовое расстояние между собой, равное 40 мм. Приведенное к абсолютному полю значение чувствительности измерительного канала не превышало 30 фТл/O Гц на частоте выше 10 Гц. (Рис.3).

Рис.3. Спектр шума выходного напряжения одноканального магнитокардиографа, измеренный в магнитоэкранированной комнате.

Измерительный магнитометр размещался в пластиковом немагнитном криостате. Магнитокардиограммы регистрировались в узлах регулярной сетки размером 8? 8 точек с шагом 30 мм между ними. Данные МКГ-измерений синхронизировались по второму отведению ЭКГ и усреднялись в каждой точке по нескольким кардиоциклам. Усредненные кардиоциклы разбивались на 64 временных интервала и для каждого значения времени по мгновенным значениям сигналов в узлах решетки строилась карта распределения напряженности магнитного поля. Значения поля в промежуточных точках определялись с помощью двумерного интерполирующего фильтра. Результирующие карты определялись для сетки 64? 64 точек. По результатам практических МКГ-измерений различных групп пациентов было отмечено, что у здоровых людей мгновенное распределение магнитного поля сердца сходно с распределением поля источника в виде токового диполя (Рис.4). У пациентов с различными отклонениями от нормы мгновенные карты распределения поля существенно отличались от дипольного распределения и проявили значительное разнообразие в зависимости от типа патологии (Рис.5).

Рис.4. Карты распределения магнитного поля сердца здорового человека

Рис. 5. Карты распределения магнитного поля пациента с ишемической болезнью сердца.

В этой связи одной из актуальных задач практического внедрения метода магнитокардиографии в клиническую практику является создание базы МКГ-данных для различных патологий сердца, подтвержденных другими, уже верифицированными, методами кардиодиагностики.

Необходимо отметить, что перспективы дальнейшего развития биомагнитных исследований напрямую связаны с необходимостью внедрения уже созданных образцов измерительных приборов на основе СКВИДов в клиническую практику и появления новых медицинских методик нейро- и кардиодиагностики на их основе. Успешное применение и медицинская сертификация в клиниках США и Западной Европы нейромагнитных измерительных систем с числом каналов более 100 метода открывают возможности более широкого их практического применения. Также появление качественных СКВИДов на основе высокотемпературных сверхпроводников дает дополнительный импульс расширению работ в данной области. Поэтому наряду с совершенствованием и внедрением в практику уже существующих низкотемпературных устройств в Биомагнитной лаборатории ИРЭ РАН ведутся активные исследования по созданию их высокотемпературных аналогов. Первые предварительные результаты этих работ позволяют надеяться на появление уже в ближайшем будущем практических биомагнитных измерительных СКВИД-систем, работающих при температуре жидкого азота.

Литература

M.B.Ketchen, 'DC SQUIDs 1980: the state of the art.' IEEE Trans.Magn., 1981, vol. MAG-17, ?1, pp. 387-394.
M.B.Ketchen and J.M.Jaycox, 'Ultra-low-noise tunnel junction dc-SQUID with a tightly coupled input coil' Appl. Phys.Lett., 1982, vol. 40 (8), pp. 736-738.
V. Koshelets, A. Matlashov, I. Serpuchenko, L. Fillipenko, Yu. Zhuravlev, 'DC-SQUID preamplifier for DC-SQUID magnetometer' IEEE Trans.Magn., MAG-25 (2), 1182-1185 (1989).
А.Н.Матлашов, Ю.Е.Журавлев, И.В.Валиев, Ю.Н.Орлов, С.А.Платонов, А.Я.Липович, А.М.Тараторин, Э.Э.Годик, Ю.В.Гуляев 'Динамическое картирование магнитного поля сердца', Доклады Академии Наук СССР, Том 286, ?2, с.451-454, 1986.
А.Н.Матлашов, Ю.Е.Журавлев, А.А.Бахарев, В.Ю.Слободчиков 'Модульные многоканальные измерительные системы на основе СКВИДов для биомагнитных исследований', 'Радиотехника', с. 75-77, ?8, 1991.
A. Matlashov, Yu. Zhuravlev, A. Lipovich et al. 'Electronic noise suppression in multichannel neuromagnetic system.' Advances in Biomagnetism, edited by S.I.Williamson et. al., Plenum Press, New-York - London, pp. 725-728, 1989.

Список публикаций

Ю.В.Масленников, В.Ю.Слободчиков. Сверхпроводниковые магнитометры в биомагнитных исследованиях. Биомедицинская радиоэлектроника, 2000 г., ?8
D.E. Kirichenko, A.B. Pavolotskij, I.G.Prokhorova, O.V.Snigirev, R. Mezzena, S.Vitale, Yu. V.Maslennikov, V.Yu.Slobodchikov, Noise characteristics of a two stage dc-SQUID-based amplifier. Inst.Phys.Conf.Ser., 1999, ?167, p536-540
M.I.Faley, U.Poppe, K.Urban, H.-J.Krause, H.Soltner, R.Hohmann, D.Lomparski, R.Kutzner, R. Wordenweber, H.Bousack, A.I.Braginski, V.Yu.Slobodchikov, A.V.Gapelyuk, V.V.Khanin and Yu.V.Maslennikov "DC-SQUID magnetometers and gradiometers on the basis of quasiplanar ramp-type Josephson junctions", IEEE Trans. on Appl. Supercond., 1997, vol.7, No 2, рр. 3702-3705.
Yu.V.Maslennikov, V.Yu.Slobodchikov, M.A.Primin, I.V.Nedayvoda, A.V.Gapelyuk, A.Schirdewan, H.Soltner, and A.I.Braginski "The dc-SQUID-based MCG measuring system for use in clinical environment", Proceedingss of the trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High Temperature Superconductivity (1997).
Yu.V. Maslennikov, V.V. Khanin, V.Yu. Slobodtchikov, D.V. Balashov, V.P. Koshelets. "Properties of the Planar Gradiometer Based on the Multi-loop Self-shielded dc-SQUIDs' , IEEE Trans. on Supercond.
Yu.V. Maslennikov, V.Yu. Slobodtchikov, D.V. Balashov, P.N. Dmitriev". 'Ultra-sensitive Magnetometer Based on the Double dc-SQUID-amplifier", IEEE Trans. on Supercond.