Диссертация (Магнитометрические системы на основе сквидов для биомедицинских применений), страница 2

в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространениярадиоволн Н.А. Пушкова РАН и в Институте радиотехники и электроники им.В.А. Котельникова РАН.9Актуальность темы диссертации. Интерес к исследованию пространственновременной структуры слабых магнитных полей проявляют специалисты многихобластей,таккакизмерениевокружающемпространственаведенныхэлектрическими токами магнитных полей – один из способов полученияинформации о распределении тока в исследуемом объекте и, таким образом, осамом объекте.Особое место в данной области занимают исследования электромагнитныхпроцессов, обуславливающих жизнедеятельность биологических объектов вцелом, и их различных органов (мозга, сердца и т.

д.), а также разработка исозданиесоответствующейисследованийиразработокаппаратуры,имеютпосколькупрямоерезультатыотношениекподобныхпрактическимприменениям в медицине [1,2].Основным аргументом в пользу разработки новых медицинских приборов имедицинских диагностических технологий на базе методов тонких магнитныхизмерений,(таких,например,какмагнитокардиографияилимагнитоэнцефалография), является их чрезвычайно высокая чувствительность,позволяющая регистрировать электромагнитную активность в различных органахчеловека на клеточном уровне. Это позволяет получить объективные оценкитекущего состояния проводящей системы таких органов, как сердце или мозгчеловека, сделать прогностические оценки их реакции на различного родавнешние воздействия, в том числе на медикаментозную терапию. Положительнымобстоятельством также является тот факт, что ткани тела человека практическипрозрачны для магнитного поля, и существует возможность бесконтактнойрегистрации магнитных сигналов вне тела человека без их искажений.

Всовокупности с «потенциальными» методами измерений объективно существуетвозможностьполучитьцелостнуюкартинуэлектромагнитнойактивностиисследуемого органа, причем неинвазивно и бесконтактно.Наиболее чувствительными инструментами при исследованиях сверхслабыхмагнитных полей, генерируемых живыми организмами на сегодняшний день10остаютсямагнитометрыинтерференционныхнадатчиковоснове-сверхпроводниковыхСКВИДов.Исследованияквантовыхвозможностейприменения СКВИД-систем в медицине ведутся уже более 40 лет. В работахмногочисленных зарубежных групп по исследованиям магнитных полей сердца,мозга, печени и др.

были продемонстрированы достоинства получаемых спомощью СКВИД-систем медицинских результатов. Однако, эти результатыбыли получены как правило в условиях специальных магнитно-экранированныхкамер (МЭК), имеющих высокую стоимость и требующих определенногоинженерного обеспечения. Также использованные в исследованиях СКВИДсистемы имели различную конструкцию регистраторов биомагнитных сигналов иметоды их анализа, поэтому вопрос сопоставимости и унификации получаемых сих помощью результатов остается открытым до настоящего времени. Последниедва обстоятельства – высокая стоимость аппаратуры (стоимость только МЭКсоставляет сотни тысяч долларов) и отсутствие общепринятых подходов кинтерпретации данных биомагнитных измерений – существенно ограничиваютпотенциал их внедрения в медицинскую практику.Поэтому для развития данного направления актуальной была и остается задачаразработки таких образцов магнитометрических СКВИД-систем, которые моглибы обеспечить устойчивую и надежную работу в условиях обычных городскихклиник (без дополнительной магнитной экранировки от внешних магнитныхшумов и помех), и давать диагностически значимую информацию обэлектрических источниках в различных органах биообъектов, интерпретациякоторой была бы понятна практикующим клиницистам.В настоящее время одной из наиболее важных прикладных медицинских задачдляпримененияСКВИД-магнитометровявляетсякардиология,гдемагнитокардиография может быть использована для ранней диагностикинаиболее распространенных заболеваний сердца.

В этом случае носителеминформации об электрических событиях в сердце являются величины параметровмагнитного поля, которое регистрируют в точках окружающего пространства над11грудной клеткой человека. Измерения выполняются бесконтактно, а самамагнитометрическаясистемаэлектрофизиологическиенепроцессыоказываетникакоговтаксердце,каквоздействияпринарегистрациидиагностической информации она не излучает никакой энергии.Согласно анализу Всемирной организации Охраны Здоровья, 80% реальногоуспеха в снижениисмертности от сердечно-сосудистых заболеваний ввысокоразвитых странах Европы и Америки было достигнуто благодаря нефинансовым вливаниям в медицину, а за счет профилактических мероприятий,ранней диагностики и выявления пациентов с риском внезапной смерти.

Такимобразом,раннююдиагностикузаболеванийсердца,ихсвоевременнуюпрофилактику необходимо рассматривать, как глобальную медико-социальнуюпроблему, которая особенно актуальна и для нашей страны. Эту проблему взначительной степени можно решить за счет развития и внедрения в клиническуюпрактику магнитокардиографии. Тем более, что в этой области биомедицинскихпримененийСКВИД-магнитометрическаятехниказанимаетприоритетноеположение, поскольку в настоящее время не имеет конкурентноспособныхальтернатив.Таким образом, в настоящей работе основное внимание уделено решениюактуальной и важной научно-технической проблемы: разработке и созданиюна основе СКВИДов новых перспективных инструментальных средств, и методоврегистрации и анализа пространственно-временной структуры сверхслабыхмагнитных полей, создаваемых в окружающем пространстве биообъектами.

Приэтом основной упор сделан на создание магнитометрических СКВИД-систем длямедицинских исследований и диагностики в области кардиологии (МКГ), которыемогут надежно функционировать в условиях высоких уровней внешнихэлектромагнитных помех. Именно такие системы наиболее актуальны, позволяютполучить новые знания об электрофизиологии сердечной деятельности и имеютреальные перспективы широкого практического применения в медицине.Степень разработанности проблемы. Исторически наиболее продвинутым в12медицинскую практику оказался метод магнитоэнцефалографии (МЭГ) [3-6].Магнитоэнцефалографияявляетсянаиболееточныминструментомвисследованиях электрической активности мозга человека.

Миллисекундноеразрешение по времени и высокое пространственное разрешение (2-3 мм) делаютее незаменимой при обнаружении и диагностике заболеваний, связанных снарушениями функций мозга. Метод магнитоэнцефалографии и соответствующаямагнитометрическая аппаратура прошли медицинскую сертификацию в странахСеверной Америки, Европы и Японии, и используются в медицинских центрахряда стран, главным образом в исследовательских целях. Одним из практическихприменений МЭГ в клиниках является локализация эпилептических очагов сцелью их последующего операционного лечения.Наиболее социально значимым представляется внедрение в клиническуюпрактику метода магнитокардиографии (МКГ), поскольку в развитых странахпервенство по числу смертельных исходов устойчиво удерживают сердечнососудистые заболевания. Для своевременного выявления и последующегоэффективного лечения этих заболеваний требуется развитие новых методовкардиодиагностики и современных инструментальных средств, позволяющихрегистрировать патологические изменения на самой ранней стадии, когдаэффективность лечения наиболее высока, а процесс развития патологии ещеявляется обратимым.Магнитокардиография позволяет полностью неинвазивно обнаружить иоценить количественно даже минимальные отклонения в работе сердца человекаот «нормы».

Диагностика дисфункций сердца без клинических симптомов,заболеваний коронарных сосудов, аритмий различной природы, риск-анализ, атакже индивидуальный подбор медикаментозной терапии могут быть эффективноосуществлены с использованием МКГ-метода и соответствующей аппаратуры.К настоящему времени во многих экспериментальных и клинических работахдоказанасущественноболеевысокаяпространственнаяразрешающаяспособность магнитокардиографии по сравнению с электрокардиографией [7-12].13Былотакжепоказано,чтомагнитокардиографиянесетвсебенеобременительность и безопасность для пациентов, присущую неинвазивнымметодам, и точность прямых методов исследования электрофизиологии миокарда.В частности, в обзоре [13] приведены результаты нескольких десятководноцентровыхисследованийпоиспользованиюмагнитокардиографиивдиагностике ишемической болезни сердца (ИБС).

По данным авторов этогообзора, средняя точность магнитокардиографии при диагностике ишемическойболезни сердца в покое составляет примерно 75%.Магнитно-резонансная томография является общепризнанным инструментом вмедицинскойпрактике.использованиеполученияКееосновнымвысокоинтенсивногоизображенийнедостаткаммагнитноговнутреннихполяоргановможноотнести(1,5-10Тесла) длячеловека,негативносказывающегося на здоровье обследуемых. Магнитно-резонансная томография вслабых магнитных полях (МРТ СМП) является одним из интенсивноразвивающихся в последнее десятилетие направлений исследований на базеСКВИД-технологий [14]. Ее основным преимуществом является возможностьвизуализировать одновременно морфологическую структуру исследуемого органа(мозга, сердца), и происходящие в нем электрические процессы. При этомвеличины магнитных полей для получения МРТ-изображений могут бытьснижены с единиц Тесла до сотен микроТесла без существенной, какпредполагают, потери качества изображений исследуемых органов [15].Многообещающим практическим направлением в диагностике и лечениионкологических заболеваний является разработка медицинской аппаратуры наоснове СКВИД-магнитометров и соответствующих программных средств дляслежения за магнитными контрастирующими агентами и транспортом лекарств намагнитных носителях в организме человека.