Диссертация (1024691), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Чувствительность такого уровня являласьдостаточной для использования разработанного измерительного зонда водноканальной биомагнитной СКВИД-системе для регистрации магнитныхсигналов сердца человека.4.1.3 СКВИД-электроника и блок управления одноканальной МКГ-системыСКВИД-электроника МКГ-системы (модель E-110-L) была смонтирована валюминиевом корпусе размерами 157×82×17 мм, (рисунок 4.5), располагалась внепосредственной близости от капки криостата, и соединялась с измерительнымзондом МКГ-системы при помощи специального кабеля длиной 70 см. Блок-схемаСКВИД-электроники была аналогична обсуждавшейся в разделе 3.2. и содержалааналоговую и цифровую части.
В аналоговой части использована традиционнаясхема нуль-детектора с отрицательной обратной связью по магнитному потоку,обеспечивающая также настройку рабочих параметров СКВИДа. Цифровая частьпозволяла переключать режимы настройки и работы градиентометрическогоканала и осуществлять управление МКГ-системой с персонального компьютера.СКВИД-электронику подключали к блоку управления с помощью 5-метровогокабеля.154Рисунок 4.5 – Фотография блока СКВИД-электроники одноканальнойМКГ-системыСхемотехнически предусилитель блока электроники E-110-L был выполнен сиспользованиеммалошумящегополевоготранзистораКП-903А(позднеезамененный на полевые транзисторы K-162 и К-369 фирмы Toshiba), включенногопо каскодной схеме, и размещался в специальном дополнительном экране излатуни для ослабления влияния ВЧ-наводок.
Собственный уровень шумапредусилителя не превышал величины 0,7 нВ/Гц1/2.Однополюсный интегратор схемы формировал сигнал обратной связи, которыйподавался в катушку модуляции через резистор обратной связи. Напряжение нарезисторе обратной связи использовалось в качестве выходного сигналамагнитометра.Электроннаясхемаимелатрификсированныхзначениякоэффициента обратной связи, равных 0.1 В/0, 0.6 В/0, и 2 В/0соответственно. В режиме замкнутой цепи обратной связи при величине входногосигнала ~ 0,1 0, полоса пропускания СКВИД-электроники находилась в155диапазоне 0 - 16 кГц по уровню -3 дБ для всех значений коэффициента обратнойсвязи.Блокуправлениямагнитометрическойсистемы(CU-301-F)содержалстабилизированные источники питания, дополнительные усилители сигнала навходе и выходе, синхронные и полосовые фильтры, и схемы управления, которыеиспользовались для настройки и переключения режимов работы СКВИД-системы(рисунок 4.6).Рисунок 4.6 – Фотография блока управления одноканальной МКГ-системыС выхода СКВИД-электроники сигнал поступал на входной усилитель скоэффициентами усиления 2, 4, 8, 16 и далее на полосовой фильтр (фильтрБесселя 4-го порядка) с полосой пропускания от 0,05 Гц до 480 Гц.
Верхняячастота фильтра низкой частоты (ФНЧ) имела фиксированные значения 480, 240,120 или 60 Гц, и выбиралась в ходе конкретных измерений исходя и условий156внешнейпомеховойобстановки.Неравномерностьамплитудно-частотнойхарактеристики фильтров не превышала 4. Блок управления содержал такжесхему синхронных полосовых фильтров сетевых гармоник до 54-й включительно.Степень подавления фильтром основной промышленной частоты 50 Гцсоставляла 42 дБ. Синхронный фильтр также содержал дополнительныйусилитель с переключаемыми коэффициентами усиления 1, 2 и 4, которыйусиливал сигнал на выходе фильтра.
Кроме этого в блоке управления имелсявыходной усилитель с коэффициентами усиления 2, 4, 8, 16. Наличие несколькихусилителейспереключаемымикоэффициентамиусиленияобеспечиваловозможность регулировки амплитуды выходного сигнала в рамках динамическогодиапазона шестнадцатиразрядного АЦП платы MIO-16X фирмы NationalInstruments, использованного для дальнейшей оцифровки магнитокардиосигнала.УправлениережимамиработыМКГ-системы,включениефильтровиусилителей осуществлялось посредством кодов, генерируемых цифровымисхемамиблокауправления,которыеформировалисьпринажатиисоответствующих кнопок на лицевой панели блока управления. Настройкарабочих параметров СКВИДа производилась с использованием аналоговыхсигналов,регулируемыхспомощьюмногооборотныхпрецизионныхаттенюаторов, также расположенных на лицевой панели блока.Через разъем «ЭКГ» в блок управления дополнительно подавался выходнойаналоговый сигнал электрокардиографа.
После усиления и фильтрации этот ЭКГсигнал (обычно второе стандартное отведение ЭКГ) использовался длясинхронизации магнитокардиограмм, записанных в разных точках сеткиизмерений, когда они обрабатывались в компьютере. Усиленные сигналы свыходов магнитометра и электрокардиографа поступали на входы 16-битногоаналого-цифрового преобразователя платы MIO-16X через выходной разъем«OUT» расположенный на задней панели блока управления. На передней панелиблок также имел выходной разъем для контроля выходного сигнала магнитометраво время настройки СКВИДа, и разъем для подачи тестового сигнала с выходагенератора звуковой частоты при настройке рабочих параметров СКВИДа.1574.1.4 Стеклопластиковый криостат одноканальной МКГ-системыФотография гелиевого криостата модели LH-1.2-NTE для одноканальной МКГсистемы представлена на рисунке 4.7.Таблица 5.Характеристики криостата LH-1.2NTE одноканальной МКГ-системыD1 - наружный диаметркриостата (мм)L1 - длина криостата (мм)D2 - внешний диаметрхвостовика криостата (мм)L2 - внешняя длина хвостовика(мм)D3 - внутренний диаметргорловины (мм)D4 - внутренний диаметркриогенной колбы (мм)D5- диаметр внутреннегохвостовика (мм)L5 - внутренняя длинахвостовика (мм)H - расстояние «тепло-холод»(мм)Время полного испаренияжидкого гелия (час)Объем жидкого гелия (литр)Вес пустого криостата (кг)110500452301780172906481,22,4Рисунок 4.7 – Фотография стеклопластикового криостата LH-1.2-NTEодноканальной МКГ-системы и его технические характеристики (Таблица 5)Внутренний диаметр горловины и хвостовика криостата составлял 17 мм.Расстояние от внешней до внутренней поверхности в хвостовике в охлажденномсостоянии не превышало 6 мм.
В криостат заливали 1,2 литра жидкого гелия, и158время его работы составляло около двух дней. Все другие характеристикиприведены в Таблице 5.Поскольку криостат имел достаточно малый объем, процедура его заполненияжидким гелием была очень проста и занимала несколько минут. Малый объемгелия и наличие предохранительного клапана делали криостат безопасным вслучае нарушения вакуума в пространстве между внешней и внутреннейоболочками.4.1.5 Регистрация и обработка магнитокардиосигналов с использованиемодноканальной МКГ-системыВ 1995 году первая версия разработанной одноканальной МКГ-системы былаустановлена и испытана во Франц-Волард-Клиник (Берлин, Германия), в рамкахсовместногонаучно-исследовательскогоМинистерствомнаукиГермании[147].проекта,Регистрацияпрофинансированногомагнитокардиограммпроводилась в плоскости над грудной клеткой пациента в узлах квадратной сетки6×6 точек с шагом 40 мм, покрывавшей область над грудной клеткой пациентаразмером 20×20 см.
Исследования проводились в условиях обычной клиническойлаборатории без дополнительной магнитной экранировки. Помеховая обстановкавклиническойлабораториибыладостаточноблагоприятная,иградиентометрический канал регистрации МКГ демонстрировал на выходеуровни шума, эквивалентные значениям порядка 30 фТл/Гц1/2 (рисунок 4.8), чтосущественно превышало уровень его собственных шумов.Достигнутого уровня чувствительности системы было вполне достаточно длярегистрации магнитокардиосигналов с высоким отношением «сигнал-шум»(максимум R-пика магнитокардиограммы имеет величину порядка 20-50 пТл, т.е.примерно в 1000 раз выше уровня шума магнитометрической системы), что былочрезвычайно важно для его дальнейшей обработки и анализа. Тридцатисекунднаязапись МКГ в одной из точек сетки регистрации представлена на рисунке 4.9.159Рисунок 4.8 – Спектральная плотность шума выходного сигналаградиентометрического канала после балансировки в условияхнеэкранированного пространстваС помощью одноканальной системы в клинике были успешно проведены сотниМКГ-обследований пациентов с различными заболеваниями проводящей системысердца.
Однако, система имела несколько недостатков эксплуатационногохарактера. Одним из них являлось большое время, затрачиваемое на обследованиеодного пациента, поскольку запись МКГ проводилась последовательно во всех 36точках сетки регистрации и занимала более получаса. Также процессэксплуатации МКГ-системы осложнялся необходимостью дозаправки криостатажидким гелием каждые два дня и необходимостью периодически проводитьпроцедуру(отогреваниябалансировкидоградиентометракомнатнойпослетемпературыинесколькихтермоцикловповторногоохлаждения)измерительного зонда.
Эти обстоятельства обусловили необходимость перехода к160проектированию и созданию многоканальных СКВИД-систем для МКГприменений и замену механической балансировки градиентометров электронной.Рисунок 4.9 – Вид записи магнитокардиограммы в одной из точек сеткирегистрации МКГ после предварительной фильтрации4.2 Десятиканальная СКВИД-система для МКГ- примененийВ качестве первого варианта многоканальной системы для МКГ-применений позаказу Франц-Волард-Клиник, Германия, была спроектирована и создана СКВИДсистема с семью каналами регистрации магнитокардиосигналов и референтнымXYZ-магнитометром. Она содержала практически те же структурные элементы,что и одноканальная система – криостат, гибридные СКВИД-датчики, 10канальную СКВИД-электронику, блок управления, систему сбора данных на базеплаты АЦП/ЦАП MIO-16-X и пакет программного обеспечения для регистрации,обработки и анализа МКГ-данных.
Установка по геометрическим и весовым161характеристикам незначительно отличалась от одноканальной системы и былапрактически также компактна. На рисунке 4.10.а представлены фотографиидесятиканальной (на переднем плане) и одноканальной (на заднем плане) МКГсистем, установленных во Франц-Волард-Клиник. Рисунок 4.10 б иллюстрируетполный состав десятиканальной МКГ-системы, включая рабочее место оператора.Эта система также была спроектирована для работы в неэкранированномпространстве и испытывалась в лабораторных условиях обычной клиники [109].а)б)Рисунок 4.10 – Фотографии десяти- и одноканальной МКГ-систем,установленных во Франц-Волард-Клиник (Германия) (а), внешний виддесятиканальной МКГ-системы с рабочим местом оператора (б)4.2.1 Стеклопластиковый криостат десятиканальной МКГ-системыДля этой системы был спроектирован и изготовлен криостат «шахтного» типаемкостью 5,3 литра (рисунок 4.11), который обеспечивал время непрерывнойработы МКГ-системы более трех суток и необходимость заправки жидким гелиемдважды в неделю.162Для достижения максимальной плотности каналов в круглой горловинекриостатбылагексагональнойвыбранарешеткисхемаплюсрасположенияодинвградиентометровцентре.Привдиаметрахузлахпетельградиентометров, равных 20 мм, и расстоянии 40 мм между центрамиградиентометров необходимый проходной диаметр горловины должен был иметьвеличину порядка 120 мм.
Из-за увеличения диаметра внутренней колбыкриостата для сохранения прочностных характеристик пришлось увеличитьтолщину внутреннего донышка криостата, что в свою очередь повлекло за собойувеличение расстояния «тепло-холод» до 10 мм и, соответственно, расстояния отнижних витков градиентометров до электрических источников сигнала в сердцечеловека. Характеристики криостата представлены в Таблице 6.Таблица 6.Характеристики криостата модели LH-5,3-Bдесятиканальной СКВИД-системыD1 - наружный диаметркриостата (мм)168L1 - длина криостата (мм)670D4 - внутренний диаметр горловиныи криогенной колбы (мм)121H - расстояние «тепло-холод» (мм)10Время полного испаренияжидкого гелия (час)84Объем жидкого гелия (литр)5,3Вес пустого криостата (кг)6Рисунок 4.11 – Фотография криостата модели LH-5,3-B и его основныехарактеристики (Таблица 6)1634.2.2 Измерительные зонды десятиканальной МКГ-системыКаналы регистрации магнитокардиосигналов были реализованы в виде семинезависимых измерительных зондов с градиентометрами второго порядка игибриднымиСКВИД-датчикамивнутри.Диаметрприемныхпетельградиентометров был увеличен с 15.8 мм до 19.8 мм для повышениячувствительности каналов по магнитному полю.
Значение коэффициентапреобразования внешнего поля в магнитный поток в СКВИДе КВ-Ф уменьшилосьдо значений порядка 2,5 нТл/0, что было эквивалентно уровню собственныхшумов канала BN ~7,5 фТл/Гц1/2.ВМКГ-системебылустановлендополнительныйреферентныйXYZ-магнитометр на основе трех СКВИДов, и с его помощью осуществляласьэлектронная балансировка градиентометров «сигнальных» каналов. СКВИДыреферентного магнитометра размещались на трех взаимно перпендикулярныхповерхностях куба с размером ребра 12 мм. Они не имели специальныхтрансформаторов магнитного потока, и внешнее магнитное поле измерялосьнепосредственно СКВИДами. Референтный XYZ-магнитометр был смонтирован вотдельном измерительном зонде на расстоянии 55 мм по вертикали от верхнихвитковградиентометровканаловрегистрацииМКГ(рисунок4.12).Чувствительность к магнитному полю каждого из СКВИДов XYZ-магнитометрабыла лучше, чем 100 фТл/Гц1/2.4.2.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
