Диссертация (1024691), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В свою очередь, первые измерениясоответствующих биомагнитных полей были продемонстрированы только вшестидесятых-семидесятых годах прошлого столетия. Эти бесконтактныеизмерения исключают неточности и проблемы, связанные с использованиемэлектродов, такие, как плохой электрический контакт, изолирующие слои(например, жир или кость черепа), влияние объемной проводимости тканейчеловеческого тела и др.
Сегодня биомагнетизм объединяет в себе регистрацию,анализ, интерпретацию и применения очень слабых магнитных сигналов, которыегенерируютсяживымиорганизмамисамопроизвольноилиблагодаряприсутствию в них магнитных включений. Магнитные поля могут быть созданыфизиологическими электрическими токами, которые протекают в живых тканях,таких, как нервы или мышцы, или индуцированы с помощью внешнеговоздействия.Такоевоздействиеможетосуществлятьсяпосредствомиспользования статических, импульсных или переменных радиочастотныхэлектромагнитных полей для определения в различных органах концентрациинакопленного железа, для определения ферромагнитных включений иливведенных маркеров, или, что общеизвестно, проведения магнитно-резонанснойтомографии (МРТ) [25-27].30Практических применений результатов биомагнитных исследований можетбыть множество: электрофизиологические и психологические исследования,функциональнаявизуализацию,ианатомическаянеинвазивныймедицинскиемониторингдиагностики,включаяфармакологическойтерапии,предоперационная локализация, иммуноанализ и другие.Биомагнитные сигналы находятся в широком диапазоне частот, начиная отблизких к нулю (квазистатические сигналы) до радиочастот (в случае ЯМРсигналов, возникающих в тканях тела при приложении сильных полейподмагничивания).
Магнитометрические системы на основе СКВИДов нашлисвои основные применения при исследованиях биомагнитных сигналов внизкочастотном диапазоне – от квазистатических до нескольких килоГерц. В этомдиапазонечастотспектральнаяплотностьиндукциимагнитногополя,генерируемого живыми тканями, изменяется примерно от 1 фТл/Гц1/2 (нервныеволокна) до 100 пТл/Гц1/2 (сердце человека). Индуцированные сигналы магнитныхвключений или маркеров могут быть существенно больше, и достигать диапазонананоТесла.
Чувствительность по магнитному полю СВКИД-магнитометровгелиевого уровня охлаждения, BN, обычно находится в диапазоне 1-10 фТл/Гц1/2,т.е. вполне достаточна для большинства биомагнитных применений. Лучшиесовременные магнитометры на основе высокотемпературных СКВИДов такжеприблизились по уровню чувствительности к значениям порядка 5 фТл/Гц1/2, имогут быть использованы для биомагнитных исследований. Многоканальныемагнитометрические СКВИД-системы, позволяющие проводить одновременнуюрегистрацию биомагнитного сигнала в нескольких точках пространства,наилучшим образом подходят для функциональной магнитной визуализации иликартирования отдельных органов, а также для их анатомической визуализациипри проведении магнитно-резонансной томографии в слабых магнитных полях(МРТ СМП).
Необходимо отметить, что в настоящее время около 90% всехработающих в мире СКВИДов используется главным образом в медицинскихисследованиях или диагностике электрической активности человеческого мозга[19-20].311.2МагнитометрическиеСКВИД-системыдлябиомагнитныхисследованийУспешная реализация биомагнитных методов исследований в различныхпрактическихпримененияхтребуетиспользованиядостаточносложныхинструментальных средств (биомагнитометров), которые включают в свой составнеобходимое количество датчиков магнитного поля, электронику управлениямагнитометрической системой и системой сбора данных измерений, криогеннуюсистему для создания требуемой температуры СКВИД-сенсорам, аппаратуру ипрограммное обеспечение для подавления внешних шумов, программноеобеспечение для сбора, обработки и интерпретации данных, и многочисленные,главным образом механические, но управляемые электронно принадлежности.
Ктаким принадлежностям относятся в первую очередь стойка крепления криостата,позволяющая изменять пространственное положение сенсоров над исследуемымобъектом, подвижная кровать или кресло, маркеры позиционирования пациента, иразличные (в зависимости от применения) стимуляторы. Среди необходимыхкомпонентов биомагнитных систем особое значение имеют следующие основныеэлементы:- датчики магнитного потока – СКВИДы – с электроникой, обеспечивающейтребуемый уровень чувствительности, динамический диапазон и скоростьслежения цепи обратной связи. Существующие СКВИД-датчики гелиевогоуровня охлаждения в достаточной степени отвечают этим требованиям ипродолжают постоянно совершенствоваться. Высокотемпературные СКВИДыменее чувствительны, особенно в области низких частот, поскольку, как правило,имеют значительный шум типа 1/f на частотах ниже 10 Гц [19, 20].
ТакиеСКВИДы могут быть использованы для диагностики сердца;- криогенные системы охлаждения СКВИД-датчиков, которые должны бытьбезопасны, надежны, относительно недороги и невидимы для медицинскогоперсонала. Таким требованиям могут соответствовать только механические32криокулеры, однако, их практическое внедрение остается пока вопросомбудущего. Существующие образцы криокулеров пока могут быть использованылишь при проектировании небольших биомагнитных систем [28]. Поэтомуреальными устройствами для поддержания рабочей температуры СКВИДдатчиков в биомагнитных системах на сегодняшний день остаются пассивныестеклопластиковые криостаты, совершенствование которых с точки зренияувеличения рабочего ресурса между заливками охлаждающей жидкости иуменьшения уровня собственных шумов является важной технической задачей вделе применения биомагнитных измерительных систем в клинической практике;- системы подавления внешних магнитных шумов и сигналов, по амплитудепревышающих биомагнитные сигналы на несколько порядков.
Выделениеполезного сигнала из помех остается главной проблемой, которая требуетдальнейшей интенсивной работы по улучшению уже существующих решений;-математическое моделирование биомагнитных источников, и развитиеметодов их достаточно точной трехмерной локализации по результатам анализаданных магнитных измерений (решение обратной задачи). Знание локализации ифизиологической природы биомагнитных источников является ключевым звеномв получении диагностически значимой информации. Определение размера илокализации эпилептического очага в мозге или зоны инфаркта в сердце человека,например, могут служить примерами решающей информации, которая можетбыть извлечена из биомагнитных данных.
В общем случае, трехмерное решениеобратной задачи восстановления характеристик электрического источника изизмеренного распределения созданного им магнитного поля не может бытьполучено. Поэтому необходимо использовать определенные допущения иупрощения, чтобы получить полезную информацию и сделать верные выводы.
Всвою очередь, биологические системы являются достаточно сложными и частоимеют количество степеней свободы, превышающее число датчиков, которые ихизмеряют. Нахождение адекватных решений этих проблем является такжеважнейшей задачей, требующей продолжения исследовательских работ.331.3 Способы подавления внешних электромагнитных помехУсловно говоря, все биомагнитные применения стоят перед общей дилеммой,как измерить очень слабые поля от биомагнитных источников в присутствиифлуктуирующегомагнитногополяЗемлинапряженностьюпорядка50микроТесла и искусственно созданных электромагнитных шумовых сигналов.Последние могут иметь напряженности, более чем на 10 порядков превышающиеизмеряемые биомагнитные сигналы, в лучших случаях снижаясь до уровнямагнитного поля Земли.
Для борьбы с ними имеется три категории способов: а)пассивное и активное магнитное и электромагнитное экранирование; б) магнитнаяградиентометрия; в) фильтрация, усреднение и другие, более сложныематематические методы разделения сигналов от источников с различнойлокализацией в пространстве. Во многих случаях требуется комбинация всех трехили, по крайней мере, двух из выше перечисленных способов, чтобы получитьполезный сигнал с удовлетворительным отношением «сигнал-шум». Выборзависит от ожидаемой величины полезных сигналов, от конкретной помеховойобстановки в месте проведения измерений и других факторов, таких, какнеобходимая функциональная гибкость магнитометрической системы, расходы поее эксплуатации и др.Пассивные экраны, как правило, выполненные в виде магнитно- илиэлектромагнитно-экранирующих комнат (МЭК), стенки которых представляютсобойодинилинесколькоразделенныхслоевизмю-металлаивысокопроводящего алюминия, могут снижать внешний шум примерно в 100 разна частоте 0.1 Гц, и до 105 раз на частотах выше 100 Гц.
На более низких частотахэффективность МЭК может быть улучшена добавлением активной экранировкипосредством измерения сигналов помех и формирования на их основеотрицательной обратной связи в виде магнитного поля противоположного знака,создаваемого системой больших ортогональных катушек, размещаемых вокругМЭК.Ксожалению,МЭК,обеспечивающиетребуемуюэффективностьэкранирования, достаточно дороги и в значительной степени ограничивают34гибкость использования биомагнитных методов и систем в реальных клиническихусловиях. Один из возможных способов решения проблемы предложили авторы[29].
Они использовали цилиндрический экран небольших размеров дляпроведения магнитокардиографических исследований пациентов, при этомСКВИД-система имела относительно небольшие размеры и также находиласьвнутри экрана. Однако, эта концепция имеет недостатки, связанные с тем, чточасто к пациенту подключены другие мобильные медицинские аппараты, илипациент страдает клаустрофобией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
