Диссертация (Магнитометрические системы на основе сквидов для биомедицинских применений), страница 9

При низких значениях магнитного поля частотамагнитного резонанса смещается в килогерцовый диапазон, и полезный сигналможет регистрироваться с помощью высокочувствительных усилителей на основеСКВИДов. Первые МРТ эксперименты в миллитесловом диапазоне быливыполнены около 15 лет назад, и в них использовались усилители сперестраиваемой полосой частот [76, 77].Несколько лет назад исследовательская группа из университета Беркли (США)под руководством профессора Кларка предложила вариант неперестраиваемогоусилителя для регистрации резонанса в миллитесловом диапазоне, но сдополнительной преполяризацией исследуемого объекта в более сильноммагнитном поле BП [78, 79].

Сходный подход был использован такжеисследователями в лаборатории Лос-Аламоса (США) [80]. В настоящее времяможно сделать вывод, что это направление оказалось более успешным посравнению с первоначальным.С использованием МРТ в слабых магнитных полях был получен ряданатомических изображений, продемонстрировавший работоспособность метода.На рисунке 1.2 представлены двумерные срезы изображений головы человека,полученные в магнитном поле B0 = 1,5 Тесла с использованием стандартной МРТустановки и в установке на основе СВКИД-магнитометров при величине поля B0≈ 46 микроТесла с преполяризацией в поле величиной порядка 0.1 Тесла.

Наполученных изображениях в слабом магнитном поле контраст пока не стольвысок, как в традиционных МРТ-установках, однако к настоящему временикачество так называемых Т-1 взвешенных изображений было существенноулучшено [81, 82].46Рисунок 1.2 − Изображения части головы, полученные в поле 46 мкТл (А).Изображение той же области, полученные в поле 1.5 Тл в обычной установкемагнитно-резонансной томографии (В).

Параметр D есть расстояние плоскостиизображения от дна криостата [80]МРТ СМП может быть использована для исследования различных органовчеловека, таких, как мозг, сердце, конечности и т.д. Основные усилия сейчаснаправлены на визуализацию опухолей in vivo используя Т1 контрастныеизображения (имеющие более высокое качество в слабом магнитном поле посравнению с традиционной МРТ), что может быть в дальнейшем использованодля визуализации онкологических новообразований в простате и женской груди.47Более того, использование МРТ СМП открывает возможности выполнитьвизуализациюанатомическихизображенийимплантами,инструментамиметаллическимиоргановдляувзятияпациентовбиопсиисилиимплантированными дефибрилляторами, что принципиально невозможно встандартной МРТ.ОсобыйинтересиспользованияМРТСМПсвязансвозможностьюодновременной реализации в одной установке функциональной и анатомическойвизуализации, поскольку для обоих процессов используется одна и та жемагнитометрическая система.

Работа в этом направлении началась с исследованиймозга (посредством комбинации МЭГ и МРТ [80]). Аналогичные измерения быливыполнены для сердца человека, используя комбинацию МКГ и МРТ СМП [83].Такое объединение возможностей двух методов может принципиально улучшитьточность функциональной локализации и сделать МКГ и МЭГ гораздо болеепривлекательными для практического использования в медицине. При этомстоимость подобных установок может быть существенно снижена.В настоящее время МРТ СМП еще находится в стадии исследований, однаковысока вероятность, что она скоро станет новым крупным направлением длякоммерческой разработки и практических применений.

В последнее десятилетиеобозначилась тенденция разработок новых биомагнитных аппаратных средств,которые не требуют криогенного охлаждения. Их основой являются оптическиеатомныемагнитометрыслазернойнакачкой.Сообщалосьопопыткахрегистрации с использованием подобных магнитометров биомагнитных сигналовмозга [84, 85] и сердца человека [86].Отказ от применения жидкого азота или жидкого гелия представляетсясущественно более выгодным с экономической точки зрения и в планепрактического использования подобных приборов в клинических обследованияхпациентов, однако для создания работоспособных прототипов необходиморешить ряд технических проблем [87].Одним из возможных перспективных направлений с использованием СКВИДсистем являются разработки с использованием систем охлаждения замкнутого48цикла.Приэтом необходимокриокулеровиснизитьобеспечитьуровеньвысокуюпроизводимыхнадежность работыимимеханическихиэлектрических помех до уровней, когда они не будут мешать регистрациибиомагнитных сигналов сердца или мозга человека.В области развития магнитокардиографии можно ожидать более скоройтехническойэволюции,особенно,еслиэтотметодполучитширокоераспространение в клинической медицине.

Устойчивое развитие можно ожидать валгоритмах для снижения шума в результирующем биомагнитном сигнале, ипрограммного обеспечения для обработки данных, особенно функциональнойлокализации электрических источников сигнала в реальном времени, длястратификациирискаобширногоинфарктамиокарда,иавтоматизацииформирования диагностических заключений.СтабильноеулучшениенадежностивсехсистемнаосновеСКВИД-магнитометров и снижение их стоимости будут происходить по мере роста рынка.Широкое клиническое принятие магнитокардиографии окажет существенноеположительное влияние на клиническое внедрение других методов, таких какмагнитоэнцефалографияилимагнитно-резонанснаятомографиявслабыхмагнитных полях.Новым направлением биомедицинских применений СКВИД-систем являютсяразработкив областиконтролятранспорта лекарств с использованиемсуперпарамагнитных наномаркеров.

В научной литературе появились статьи суспешными результатами работ по обнаружению рака молочной железы сприменением данной технологии и соответствующей магнитометрическойаппаратуры [88].В целом, использование биомагнитных систем в настоящее время предлагаетширокийспектрклиническихидиагностическихисследовательскихвозможностей, из которых по крайней мере некоторые могут оказатьсущественное влияние на повышение качества медицинского обслуживания иразвитие медицинской науки и техники в нашей стране.491.6 Выводы к Главе 1, постановка задачи исследованияПодводя итог краткому обзору использования магнитных методов измерений исоответствующей аппаратуры в медицине, можно заключить следующее:Длябиомагнитныхисследованийнаиболееподходящимисредисуществующих типов магнитометрических систем являются магнитометрическиесистемы на основе сверхпроводниковых квантовых интерференционных датчиков- СКВИДов.

Развитие подобных систем применительно к решению конкретныхпроблем медицинской диагностики является исключительно актуальной научнотехнической задачей.Основные перспективы СКВИД-систем в направлении биомедицинскихприменений лежат в плоскости перехода к магнитометрическим системам,работающим без дополнительной магнитной экранировки.

Это предполагаетразработкуисозданиесоответствующейинструментальнойбазы,обеспечивающей требуемые уровни отношения «сигнал-шум» при регистрациибиомагнитных сигналов в условиях воздействия внешних электромагнитныхпомех, и специализированного программного обеспечения, направленного, содной стороны, на очистку полезного сигнала от посторонних шумов, и, с другойстороны,наразвитиеновыхматематическихметодовиалгоритмоввосстановления характеристик электрических источников в органах биообъектовпо результатам анализа данных магнитных измерений применительно к решениюконкретных медицинских задач.Вопросыстатистическоймедицинской интерпретацииобработкибиомагнитныхданныхиихтакже являются чрезвычайно важными дляавтоматизации процедур классификации различных заболеваний.

Поэтомусозданиеверифицированныхбазданныхбиомагнитныхобследованийвсочетании с традиционными методами диагностики является необходимойсоставляющей работы по разработке и созданию программно-аппаратныхмедицинских комплексов на основе биомагнитных методов измерений.50ГЛАВА 2РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ НЕМАГНИТНЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХКРИОСТАТОВ ДЛЯ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СКВИД-СИСТЕМОдним из ключевых элементов любой биомагнитной магнитометрическойсистемы на основе СКВИДов является криостат для хранения охлаждающейжидкости – жидкого гелия или азота – обеспечивающей поддержаниенеобходимойрабочейсверхпроводящихтемпературытрансформаторовиспользуемыхизмеряемогоСКВИД-датчиковмагнитногопотока.иКкриостатам для подобных систем предъявляются два основных техническихтребования–криостатдолженобеспечиватьмаксимальновозможныепромежутки времени между повторными заправками хладагента, т.е.

создаватьминимальнуюскоростьегоиспарения,ииметьминимальныйуровеньсобственных магнитных шумов, чтобы не вносить существенных помех иискажений в измеряемый сигнал. Два этих принципиальных требованиянакладывают определенные технические ограничения на выбор материалов длявнутренней и внешней оболочек криостата, а также материалов для тепловыхэкранов, которые являются обязательными элементами конструкции криостата.Очевидно, что, исходя из сформулированных выше ограничений, оболочкикриостата не могут быть изготовлены из металлов, и поэтому в качествематериала для их формирования применяются исключительно стеклопластики.Также необходимо отметить, что к стеклопластиковым оболочкам криостатовдля хранения жидкого гелия предъявляются особые требования.

Посколькукриостат представляет собой конструкцию, где между внешней и внутреннейоболочками есть вакуумированная полость, для поддержания высокой степенивакуума в ней необходимо, чтобы оболочки имели минимальные собственноегазовыделение и газопроницаемость. Так как газообразный гелий имеетаномально высокую по сравнению с другими газами проникающую способность,создание вакуумноплотных по гелию стеклопластиковых оболочек представляет51собой отдельную научно-техническую задачу, которую с той или иной степеньюуспеха решили всего несколько инженерных групп в мире, сохраняя найденныерешения в режиме «ноу-хау» и не публикуя результаты в открытой печати.В связи с безусловной актуальностью проблемы создания хорошо работающихстеклопластиковых гелиевых криостатов для магнитометрических СКВИДсистем, ее решению была посвящена отдельная часть диссертационной работы,результаты которой представлены в настоящей главе.2.1 Материалы для стеклопластиковых немагнитных криостатовРазработка и создание новых типов стеклопластиковых криостатов длямагнитометрических систем на основе СКВИДов связаны с совершенствованиемих конструкций и использованием новых композитных материалов дляизготовлениятакихосновныхэлементовкриостатов,какнемагнитныестеклопластиковые оболочки, тепловые экраны, вакуумные вентили и т.д.Основным назначением криостата является поддержание рабочей температурыСКВИД-датчиков.