ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ Л.П. Ичкитидзе*, Р.Ю. Преображенский*, М.Л. Гаврюшина** * Национальный исследовательский университет «МИЭТ», МИЭТ, Зеленоград, , Москва, *эл-почта: ** ОАО «Базовые технологии», ул. Ивана Франко, д.4, , Москва НОР-2014 Москва 2014

Рентгеновская компьютерная томография (КТ) Toshiba Aquilion CXL Пространственное разрешение Недостатки Цена 0.2 мм Лучевая нагрузка на пациента – $

Магнитно-резонансная томография (МРТ) Siemens MANGETOM® 7T Пространственное разрешение Недостатки Цена 0.2 мм Низкая информативность при исследовании половых органов и легких; Противопоказана людям с вживленными кардиостимуляторами, ферромагнитными имплантатами и т.п.; Противопоказана людям, страдающим клаустрофобией $ –

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) Philips Ingenuity® TF PET/CT Пространственное разрешение Недостатки Цена 4 мм Бедная анатомическая информативность изображений; Высокая стоимость как самой системы, так и исследований $ –

Магнитокардиография (МКГ) Mesuron Avalon-H90 Пространственное разрешение Недостатки Цена 1 мм Высокая эксплуатационная стоимость; Отсутствуют стандарты на системы МКГ и представление результатов исследований $

Электрокардиография (ЭКГ) Преимущества Недостатки Цена Низкая себестоимость; Доступность и простота Погрешность; Не отражает наличие шумов сердца; Тест, взятый в состоянии покоя, может не выявить имеющееся заболевание $1200 – Электрокардиограф Heart Screen 60G 6

Электроэнцефалография (ЭЭГ) Преимущества Недостатки Цена Неинвазивность и полная безвредность; Очень хорошее временное разрешение; Регистрируется активность мозга, связанная именно с выполнением задания; Нет акустического шума; Относительно низкая цена прибора; Портативность. Низкое пространственное разрешение (0.5 – 1 см); Большое количество артефактов и шумов; Сложность установки; $2 000 – Электроэнцефалограф Энцефалан-ЭЭГР-19/26 7

Магнитоэнцефалография (МЭГ) МЭГ система Elekta Neuromag Массив СКВИД-датчиков Стоимость системы Neuromag: Количество датчиков в массиве: 306 Стоимость датчика: 2000 Расход охлаждающей жидкости: 12 литров/день 8

В течении последних тридцати лет СКВИДы были единственным универсальным типом датчиков для детектирования био магнитных сигналов. Тем не менее, производство СКВИДов остается крайне затратным, а их эксплуатация требует сильного экранирования среды. Потребность в сенсорах нового типа 9

МЭГ картины 10

Шкала квазистационарных магнитных полей в окружающей среде 11

Типы сенсоров слабых квазистационарных магнитных полей Sensor type Эффект ХоллаАМС, ГМСФеррозонды СКВИДы Поток/Поле Поле Поток Максимальная чувствительность 1000 нТ0,5 нТ100 пТ5 фТ Диапазон частот 30 к Гц 100 МГц 10 к Гц 10 МГц Преимущества Дешевизна, линейность характеристики, динамический диапазон измерений 70 dB Доступная цена, чувствительность, динамический диапазон измерений 100 dB Высокая чувствительность, динамический диапазон измерений 70 dB Очень высокая чувствительность, широкий диапазон частот, динамический диапазон измерений 120 dB Недостатки Невысокая чувствительность Низкий динамический диапазон, 1/f шум Большие габариты Низкая рабочая температура (4 К), хрупкость, высокая цена 12

Шумовые характеристики датчиков магнитного поля Pannetier-Lecoeur M. Superconducting- magnetoresistive sensor: Reaching the femtotesla at 77 K : Diss. – Université Pierre et Marie Curie-Paris VI, Датчики Honeywell основаны на эффекте АМС; NVE AA на ГМС; NVE SDT на ТМС. Плотность шума датчика смешанного типа

Магниторезистивные сенсоры B n ~1 nT/Hz 1/2

Феррозондовые магнитометры B n ~0.1 nT/Hz 1/2

Атомные магнитометры с лазерной накачкой (LPAM) Расположение LPAM магнитометра около головы человека

Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы) B n ~1 fT/Hz 1/2

Рынок СКВИД-датчиков [1] – supracon.com; [2] – tristantech.com; [3] – starcryo.com; [4] – Pannetier M., et al. Science, 304 (2004) Параметр/ Наименование Msgreen [1] 3Dgreen [2] Tristan LSQ/20 [3] Tristan HTM-8 [3] Cryo GA1165 [1] Cryo M800 [1] Cryo M1000 [4] Пороговая чувствительность, ф Тл/Гц 1/

Преобразователи магнитного потока (ПМП) 19 Уровень чувствительности сенсора магнитного поля может быть значительно увеличен (F 0 ~ 300 раз) с использованием ферромагнитного концентратора потока. Еще более эффективны преобразователи магнитного потока в магнитное поле, изготовленные из сверхпроводника, сформированного в форме кольца (F 0 > 3000 раз).

Датчики комбинированного (смешанного) типа Образец Измеренно е усиление Площадь (мм 2) Максималь ный ток Чувствител ьность при 77К (фТ/Гц 1/2) Чувствител ьность при 4К (фТ/Гц 1/2) Nb A1087x71mA-600 Nb B50015x151mA-140 YBCO A1609x915mA15032 YBCO B60017x1710mA255 YBCO C130025x2510mA Pannetier-Lecoeur M. Superconducting-magnetoresistive sensor: Reaching the femtotesla at 77 K : Diss. – Université Pierre et Marie Curie-Paris VI, 2010.

Многослойный сверхпроводящий ПМП и ГМС магниточувствительный элемент (МЧЭ) Легенда: 1 – сверхпроводящее кольцо ПМП, 2 – диэлектрическая подложка, 3 – активная полоса в увеличенном масштабе (пропорции не соблюдены), 4 – изолятор, 5 – ГМС МЧЭ, 6 – проводники, присоединенные к контактным площадкам. 21 Параметры сенсора [1 ] : ширина активной полосы ПМП: w s = 7000 nm; ширина МЧЭ: w MSE = 7000 nm; толщина пленки ПМП: h = 150 nm; толщина изолятора: h is = 400 nm; толщина МЧЭ: h MSE = 35 nm; критическая плотность тока материала ПМП: J s = A/m 2.

Наноструктурирование активных полос комбинированного датчика магнитного поля 22

Наноструктурированный комбинированный датчик магнитного поля (ДМП) 23 Схема ДМП: (1) сверхпроводящее кольцо, (2) диэлектрическая подложка, (3) увеличенная активная полоса (пропорции не соблюдены), (4) МЧЭ, (5) изолятор, (6) сверхпроводящие ветви, (7) прорези. I s = 10 мA; λ = нм; w s = 7000 нм; h = нм; h ins = нм; h MSE = 20 нм; w p = 20 нм.

Зависимость величины фактора F от толщины изолятора и Лондоновской глубины проникновения Зависимость фактора роста от толщины изолятора Зависимость фактора роста от Лондоновской глубины проникновения 24

Зависимость фактора F от количества прорезей Ширина прорезей 100 нм Ширина прорезей 350 нм 25

Чувствительно ДМП где U – минимальный регистрируемый сигнал на чувствительном элементе, I – измерительный ток, F – фактор роста эффективности, S 0 – относительная магниточувствительность, R B – сопротивление чувствительного элемента во внешнем магнитном поле B, R 0 – сопротивление чувствительного элемента при отсутствии внешнего магнитного поля. Минимальное регистрируемое поле (1) (2) 26 СКВИД(НТСП)+ТМП (J/Hz) ~ J/Hz, СКВИД(ВТСП)+ТМП J/Hz, КДМП(ВТСП)+КМП J/Hz,

27 1. Pannetier M., Fermon C, Le Goff Get al. Femtotesla Magnetic Field Measurement with Magnetoresistive Sensors // Science, 304, 1648–50 (2004). 2. Pannetier M., Fermon C., Le Goff G., et al. Ultra-sensitive field sensors – an alternative to SQUIDs // IEEE Trans. Appl. Supercond., 15 (2), 892– 895 (2005). 3. Ichkitidze L.P. Weak magnetic field superconductor resistive sensors in comparison with semiconductor and magnetoresistive sensors // Physica C, 460–462, 781–7821 (2007). 4. Ichkitidze L.P., Mironyuk A.N. Superconducting film flux transformer for a sensor of magnetic field // Physica C, 472, 57–59 (2012). 5. Ichkitidze L.P., Mironyuk A.N. Topological nanostructured film superconducting flux transformer / / Journal of Nano and Microsystem Technique, 1, (2012). 6. Ichkitidze L.P., Mironyuk A.N. Патент RU Источники

Заключение: Тип Ι. Разрабатываются атомные магнитометры с лазерной накачкой (LPAM) с объемом рабочей ячейки порядка ~ 1 см 3. Их разрешение находится на уровне собственного магнитного шума B n ~ 7 фT/Гц 1/2 и Дж/Гц в конфигурации магнитометра. Тип ΙI В СКВИДах на основе высокотемпературных сверхпроводников (Y-Ba-Cu-O) с рабочей температурой T w ~ 77 K реализованы параметры ~ , B ~ T, and ~ Дж/Гц, не достигающие значений аналогичных параметров высокотемпературных СКВИДов. В частности, для СКВИДов на основе Nb с рабочей температурой T w ~ 4 K, разрешения достигают ~ , B ~ T, D r 140 дБ and ~ Дж/Гц [1] Фрагментация активной полосы КМП в виде параллельных полос и прорезей с ширинами нм существенно улучшает параметры комбинированных ДМП до значений, сравнимых с параметрами ВТСП СКВИДов ( ~ Дж/Гц) и НТСП СКВИДов (B n ~ 1 фT/Гц 1/2). Ожидается появления коммерческих комбинированных датчиков с нано структурными элементами и параметрами не уступающими ВТСП СКВИДам, но более надежных и дешевых (< 500 ).

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!! 29