Датчики магнитного поля в медицинской практике

ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ
Л.П. Ичкитидзе*, Р.Ю. Преображенский*,
М.Л. Гаврюшина**
* Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
МИЭТ, Зеленоград, 124498, Москва, *эл-почта: [email protected]
** ОАО «Базовые технологии», ул. Ивана Франко, д.4, 121108, Москва
НОР-2014
Москва 2014
Рентгеновская компьютерная томография (КТ)
Toshiba Aquilion™ CXL
Пространственное
разрешение
Недостатки
Цена
≥0.2 мм
Лучевая нагрузка на
пациента
90 000 – 1 000 000 $
Магнитно-резонансная томография (МРТ)
Siemens MANGETOM® 7T
Пространственное
разрешение
≥0.2 мм
Недостатки
Низкая информативность при исследовании половых органов и
легких;
Противопоказана людям с вживленными кардиостимуляторами,
ферромагнитными имплантатами и т.п.;
Противопоказана людям, страдающим клаустрофобией
Цена
$1 000 000 –
2 500 000
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)
Philips Ingenuity® TF PET/CT
Пространственное
разрешение
≥4 мм
Недостатки
Бедная анатомическая информативность изображений;
Высокая стоимость как самой системы, так и
исследований
Цена
$1 500 000 –
3 500 000
Магнитокардиография (МКГ)
Mesuron Avalon-H90
Пространственное
разрешение
Недостатки
Цена
≥1 мм
Высокая эксплуатационная стоимость;
Отсутствуют стандарты на системы МКГ и представление
результатов исследований
≥$1 300 000
Электрокардиография (ЭКГ)
Электрокардиограф Heart Screen 60G
Преимущества
Низкая себестоимость;
Доступность и простота
Недостатки
Погрешность;
Не отражает наличие шумов сердца;
Тест, взятый в состоянии покоя, может не выявить
имеющееся заболевание
Цена
$1200 –
15 000
6
Электроэнцефалография (ЭЭГ)
Электроэнцефалограф “Энцефалан-ЭЭГР-19/26”
Преимущества
Неинвазивность и полная безвредность;
Очень хорошее временное разрешение;
Регистрируется активность мозга, связанная
именно с выполнением задания;
Нет акустического шума;
Относительно низкая цена прибора;
Портативность.
Недостатки
Низкое пространственное
разрешение (0.5 – 1 см);
Большое количество
артефактов и шумов;
Сложность установки;
Цена
$2 000 – 10 000
7
Магнитоэнцефалография (МЭГ)
Количество датчиков в
массиве:
306
Стоимость датчика:
≈ 2000 €
МЭГ система Elekta Neuromag
Стоимость системы
Neuromag:
≈ 3 000 000 €
Расход охлаждающей
жидкости:
12 литров/день
Массив СКВИД-датчиков
8
Потребность в сенсорах нового типа
В течении последних тридцати лет СКВИДы были единственным
универсальным типом датчиков для детектирования биомагнитных сигналов.
Тем не менее, производство СКВИДов остается крайне затратным, а их
эксплуатация требует сильного экранирования среды.
9
МЭГ картины
10
Шкала квазистационарных магнитных
полей в окружающей среде
11
Типы сенсоров слабых квазистационарных
магнитных полей
Sensor type
Эффект Холла
АМС, ГМС
Феррозонды
СКВИДы
Поток/Поле
Поле
Поле
Поток
Поток
Максимальная
чувствительность
1000 нТ
0,5 нТ
100 пТ
5 фТ
Диапазон частот
30 кГц
100 МГц
10 кГц
10 МГц
Преимущества
Дешевизна,
линейность
характеристики,
динамический
диапазон
измерений
70 dB
Доступная цена,
чувствительнос
ть, динамический
диапазон
измерений
100 dB
Высокая
чувствительнос
ть, динамический
диапазон
измерений
70 dB
Очень высокая
чувствительность,
широкий диапазон
частот, динамический
диапазон измерений
120 dB
Недостатки
Невысокая
чувствительнос
ть
Низкий
динамический
диапазон, 1/f шум
Большие
габариты
Низкая рабочая
температура (4 К),
хрупкость, высокая
цена
12
Шумовые характеристики датчиков
магнитного поля
Датчики Honeywell основаны
на эффекте АМС;
NVE AA на ГМС;
NVE SDT на ТМС.
Плотность шума датчика
смешанного типа
Pannetier-Lecoeur M. Superconductingmagnetoresistive sensor: Reaching the
femtotesla at 77 K : Diss. – Université
Pierre et Marie Curie-Paris VI, 2010.
Магниторезистивные сенсоры
Bn~1 nT/Hz1/2
Феррозондовые магнитометры
Bn~0.1 nT/Hz1/2
Атомные магнитометры с лазерной накачкой
(LPAM)
Расположение LPAM магнитометра около
головы человека
Сверхпроводящие квантовые интерферометры
(СКВИДы)
Bn~1 fT/Hz1/2
Рынок СКВИД-датчиков
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,
фТл/Гц1/2
3.5
8.4
<1
50
2
3.5
100
Шум, мкФ0/Гц1/2
3
6
1
8
2
3
10
Размеры, мм
7.5x7.5
10x10
7.2x7.2
8x8
6х6
8x8
9x9
Эффективная площадь,
мм2
24
59
20
49
15.5
28
54
Напряжение, мкВ
40
40
30
20
20-30
20-30
20
Рабочая температура, К
1-5
1-5
0-7
77
0-6
4,2
77
Количество проекций
1
3
1
1
1
1
1
Материал
Nb-Al-AlOxNb
Nb-Al-AlOxNb
Nb-AlAlOxNb
YBCO
Nb-AlAlOx-Nb
Nb-AlAlOx-Nb
YBCO
Страна
Германия
Германия
США
США
США
США
США
Стоимость, $
1620
4590
3500
15000
1645
1315
2510
[1] – supracon.com; [2] – tristantech.com; [3] – starcryo.com; [4] – Pannetier M., et al. Science, 304 (2004)1648.
18
Преобразователи магнитного потока (ПМП)
Уровень
чувствительности
сенсора магнитного поля может
быть значительно увеличен (F0 ~
300 раз) с использованием
ферромагнитного концентратора
потока.
Еще
более
эффективны
преобразователи магнитного потока
в магнитное поле, изготовленные из
сверхпроводника, сформированного
в форме кольца (F0 > 3000 раз) .
19
Датчики комбинированного (смешанного) типа
Образец
Измеренно
е усиление
Площадь
(мм2)
Максималь
ный ток
Чувствител
ьность при
77К
(фТ/Гц1/2)
Чувствител
ьность при
4К
(фТ/Гц1/2)
Nb A
108
7x7
1mA
-
600
Nb B
500
15x15
1mA
-
140
YBCO A
160
9x9
15mA
150
32
YBCO B
600
17x17
10mA
25
5
YBCO C
1300
25x25
10mA
8
1.5
- 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.
Параметры сенсора [1]:
• ширина активной полосы ПМП: ws = 7000 nm;
•
•
•
•
•
ширина МЧЭ: wMSE = 7000 nm;
толщина пленки ПМП: h = 150 nm;
толщина изолятора: his = 400 nm;
толщина МЧЭ: hMSE = 35 nm;
критическая плотность тока материала ПМП:
Js = 1010 A/m2.
21
Наноструктурирование активных полос
комбинированного датчика магнитного поля
22
Наноструктурированный комбинированный
датчик магнитного поля (ДМП)
Схема ДМП: (1) сверхпроводящее кольцо, (2)
диэлектрическая подложка, (3) увеличенная активная
полоса (пропорции не соблюдены), (4) МЧЭ, (5)
изолятор, (6) сверхпроводящие ветви, (7) прорези.
Is = 10 мA;
λ = 50-250 нм;
ws = 7000 нм;
h = 25-500 нм;
hins = 250-2500 нм;
hMSE = 20 нм;
wp = 20 нм.
23
Зависимость величины фактора F от толщины изолятора и
Лондоновской глубины проникновения
4,6
4,4
F
4,2
4
wp=20 nm
3,8
wp=50 nm
3,6
wp=100 nm
3,4
wp=200 nm
3,2
wp=500 nm
Зависимость фактора роста от
толщины изолятора
3
300
1000
1700
2400
3100
3800
4500
his, nm
3,9
F
3,7
3,5
wp=20 nm
3,3
wp=50 nm
3,1
wp=100 nm
2,9
wp=200 nm
2,7
wp=500 nm
Зависимость фактора роста от
Лондоновской глубины
проникновения
2,5
50
75
100 125 150 175 200 225 250
λ , nm
24
Зависимость фактора F от количества прорезей
Ширина прорезей 100 нм
Ширина прорезей 350 нм
25
Чувствительно ДМП
Минимальное регистрируемое поле
(1)
S0 
RB  R0
,
R0  B
(2)
где U – минимальный регистрируемый сигнал на чувствительном элементе, I –
измерительный ток, F – фактор роста эффективности, S0 – относительная
магниточувствительность, RB – сопротивление чувствительного элемента во внешнем
магнитном поле B, R0 – сопротивление чувствительного элемента при отсутствии внешнего
магнитного поля.
СКВИД(НТСП)+ТМП  N E  2  10 5 Bn2 D 3 (J/Hz) ~ 10-30 J/Hz,
Bn  1 fT / Hz 1 / 2 D  1.12cm
СКВИД(ВТСП)+ТМП  N E  10-27 J/Hz, Bn  0.03 pT / Hz 1/ 2
КДМП(ВТСП)+КМП 
N E  10-27 J/Hz,Bn  1 pT / Hz 1/ 2
D  1cm
D  0.2cm
26
Источники
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, 47-50 (2012).
6. Ichkitidze L.P., Mironyuk A.N. Патент RU № 2455732.
27
Заключение:
•
Тип Ι. Разрабатываются атомные магнитометры с лазерной накачкой (LPAM) с объемом
рабочей ячейки порядка ~1 см3. Их разрешение находится на уровне собственного
магнитного шума Bn~7 фT/Гц1/2 и 710-29 Дж/Гц в конфигурации магнитометра.
•
Тип ΙI. 2.1. В СКВИДах на основе высокотемпературных сверхпроводников (Y-Ba-Cu-O) с
рабочей температурой Tw~77 K реализованы параметры ~10-510-6 0,
B~10-1410-13 T, and ~10-27 Дж/Гц, не достигающие значений аналогичных параметров
высокотемпературных СКВИДов. В частности, для СКВИДов на основе Nb с рабочей
температурой Tw~4 K, разрешения достигают ~10-610-7 0, B~10-15 T, Dr140 дБ and
~ 10-30 Дж/Гц [1].
2.2. Фрагментация активной полосы КМП в виде параллельных полос и прорезей с
ширинами 20-1400 нм существенно улучшает параметры комбинированных ДМП до
значений, сравнимых с параметрами ВТСП СКВИДов (~10-27 Дж/Гц) и НТСП СКВИДов
(Bn~1 фT/Гц1/2).
Ожидается появления коммерческих комбинированных датчиков с наноструктурными
элементами и параметрами не уступающими ВТСП СКВИДам, но более надежных и
дешевых (< 500 €).
•
•
• СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!!
29