Диссертация (1024691), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Таким образом, для облегчения внедрениябиомагнитных методов в клиническую практику технологам необходимо вестиразработки в направлении от больших МЭК к малым (причем таким образом,чтобы они были вмонтированы в стены обычной больничной лаборатории иневидимы для пользователей и пациентов), или в направлении создания систем,работающих вообще без экранов, чтобы их можно было размещать в стандартныхкомнатах клиник. К сожалению, на практике при измерениях слабыхбиомагнитных сигналов это оказывается не всегда возможным.Другим способом борьбы с внешними магнитными помехами являетсяприменение градиентометрических конструкций приемных трансформаторовмагнитного потока в каналах регистрации биомагнитных сигналов. В этом случаепри относительно небольшой потере полезного сигнала (около 40-60% взависимости от типа использованного градиентометра) удается обеспечитьподавление внешних помех от удаленных источников более чем на два порядка, итаким образом существенно повысить результирующее отношение «сигнал-шум»на выходе электроники магнитометрической системы.
Степень подавлениявнешнихпомехтемвыше,чемвышеуровеньсобственногобалансаиспользуемого градиентометра.В настоящее время в биомагнитных магнитометрических СКВИД-системахиспользуются градиентометры следующих типов:- трансформаторы магнитного потока в форме градиентометров первого илиболее высокого порядка, включая аксиальные или радиальные (планарные),сделанныеизсверхпроводниковойпроволокиилисиспользованием35фотолитографии в форме многослойных тонкопленочных структур. В такихструктурах электрические токи, индуцированные во включенных навстречуприемныхвитках,вычитаются,поэтомухорошосбалансированныеградиентометры первого порядка подавляют синфазные (пространственнооднородные) шумы и помехи примерно в 102-104 раз, а с использованиемэлектронной коррекции - до 106 раз.
Однако градиенты шумовых сигналов приэтом не вычитаются.-градиентометры,электронноформирующиерезультирующийсигналвычитанием сигналов двух или более отдельных магнитометров. Это решениеиспользуется для высокотемпературных СКВИДов, поскольку нет подходящейпроволоки из ВТСП-материалов и многослойных тонкопленочных структур иконтактов,подходящихдляизготовленияградиентометрическихтрансформаторов магнитного потока.-синтетическиенеадаптивныеи(программные)адаптивные,градиентометрыобычновысокогоиспользующиепорядка,дополнительныереферентные каналы, расположенные на удалении от исследуемых источников, изкоторых можно программно сконструировать различные градиентометры.Главнымотличием«неадаптивных»и«адаптивных»градиентометровзаключается в том, что последние используют переменные коэффициентывычитания, содержащие информацию о градиентах, которые необходимоминимизировать.
Все градиентометры являются пространственными фильтрами,которые выделяют сигнал от наиболее близких источников. Более того,измеренные суммарные биомагнитные сигналы, одновременно исходящие отисточников,расположенныхвразличныхпространственныхположенияхотносительно приемных петель трансформаторов магнитного потока, могут бытьискажены. Искажения увеличиваются с возрастанием порядка используемыхградиентометров. Это усложняет сравнение результатов, полученных на системахс различными типами градиентометрических датчиков. Характерные уровнисигналов, регистрируемые СКВИД-магнитометрами и градиентометрами внеэкранированном пространстве и МЭК, представлены на рисунке 1.1.36Рисунок 1.1 − Подавление шумов окружающего пространства с помощьюмагнитноэкранированной камеры или посредством использования обычных или«синтетических» градиентометров. Для сравнения приведен уровень выходногошума магнитометра, работающего в неэкранированном пространстве [30]1.4 Обработка биомагнитных сигналовПервой линией защиты от высоких уровней шумов окружающего пространстваявляется электронная или программная фильтрация, чтобы уменьшить полосупринимаемых сигналов при минимальной потере полезной информации.Использование неадаптивных фильтров имеет определенные недостатки: так,например, полосовые фильтры, используемые для подавления промышленныхчастот,искажаютиполезныйсигнал.Усреднениесигналауменьшаетнекоррелированные шумы более эффективно и в основном применяется в случаеизмерений периодических или повторяющихся биомагнитных сигналов.37Исходя из этих общих и простых соображений, различные математическиеалгоритмы, линейные и нелинейные, могут быть использованы для выделенияполезного сигнала, то есть для разделения сигналов от пространственноразнесенных источников, включая соседние биологические источники в одном итом же организме.Определение параметров источников тока внутри исследуемого объекта поизмеренномуснаружираспределениюмагнитногополясвязаноснеобходимостью решения прямой или обратной задачи [31, 41].
При решенииобратной задачи оценивается неизвестное пространственное распределение иамплитуда электрических токов. В общем случае трехмерное решение обратнойзадачинекорректно.Чтобыполучитьединственноерешение,нужносформулировать по возможности максимально реалистичную, но при этомдостаточно простую модель источника [41, 42], используя также информациюдругих измерений, функциональных и анатомических. Самой простой модельюэлектрического источника является эквивалентный токовый диполь (ЭТД).Модель ЭТД является достаточно адекватной при моделировании источников вмозге человека, однако недостаточно корректной для источников в больномсердце.
В этом случае необходимо использование более сложных моделейраспределенных в пространстве источников, учитывающих в том числе ианизотропию сердечной мышцы.Решение прямой задачи состоит в расчете магнитных полей от предполагаемыхтрехмерных распределений токов и получении единственного решения, котороезатем итерационно сравнивается с результатами реальных измерений дополучения требуемой степени совпадения. Алгоритмы локализации источников,работающие по принципу пространственных фильтров, обычно представляютсобой расчеты прямой задачи. Как отмечалось выше, такие пространственныефильтры позволяют отделить источники шумов от источников полезного сигнала.Для получения приближенного решения обратной задачи используются главнымобразом различные варианты метода минимальных норм [31, 40, 43].38Лучшимиединственнымспособомдляверификациииспользуемыхматематических моделей и алгоритмов является экспериментальная верификацияс применением инвазивных методов, использующих установку сигнальных истимулирующих электродов.
Одним из таких примеров является эндокардиальноеэлектрофизиологическое исследование сердца с использованием немагнитногокатетера для верификации точности локализации электрических источников,выполненной посредством магнитных методов измерений [45]. Другим способомверификациимоделейсердцаявляютсяодновременныеисследованияизолированного сердца малых животных (например, кроликов) с помощьюСКВИД-микроскопа, контактных электродов и оптических методов [46].Необходимо отметить, что не все электрические функции органов человека(например, такие когнитивные функции мозга человека, как память или язык)могут быть должным образом интерпретированы с использованием методовлокализации электрических источников, и здесь исследования динамическогоповедения источников могут оказаться более полезными.1.5 Неинвазивные методы биомагнитных исследований с использованиемСКВИД-магнитометров, имеющие потенциал для применения в медицинеВ данном разделе обозначены и кратко описаны основные биомагнитныеметоды, использующие магнитометрические СКВИД-системы, которые или ужеиспользуются в клинической практике, или находятся в близкой к этому стадииразвития, или имеют высокий потенциал быть использованными в будущем.1.5.1 МагнитоэнцефалографияМагнитоэнцефалография (МЭГ) представляет собой регистрацию и анализмагнитных полей, генерируемых нейроактивностью мозга.
Этот метод ужеширокораспространенвнейрологическихипсихологическихнаучныхисследованиях, как инструмент функциональной визуализации, дополняющий39или замещающий электроэнцефалографию. Его использование также возрастает вклиническойпрактике,гдеМЭГиспользуетсяприпредоперационномфункциональном картировании и, в частности, для локализации эпилептическихфокусов. Результаты такого картирования и локализации, как правило,совмещают с анатомическими изображениями, получаемыми с помощьюмагнитно-резонансной томографии.
В США предоперационное использованиеМЭГ сертифицировано Food & Drug Administration (FDA) - ГосударственнымУправлением по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов США - иоплачивается страховыми компаниями. Достаточно медленное внедрение МЭГ вповседневную клиническую практику обусловлено главным образом высокойстоимостью полной МЭГ-системы, и наличием специальных техническихтребований к помещению для магнитно-экранированной комнаты. В большинственейрологических и психологических исследований измеряют ответы мозга,специально вызванные различными внешними соматосенсорными стимулами(звуковыми, визуальными, тактильными и т.д.) В общем случае, измеряемыесигналы генерируются колонками неокортекса, и представляют собой результатколлективной активности 104-105 дендритических нервных клеток.В современных коммерческих МЭГ-системах, как правило, используютмассивы СКВИД-датчиков, покрывающих всю область коры головного мозга илокально измеряющих радиальную компоненту генерируемого им магнитногополя.
СКВИД-датчики гелиевого уровня охлаждения размещаются в криостате,который имеет шлемовидную форму дна, соответствующую форме головычеловека. Количество датчиков в МЭГ-системах составляет от 100 до 300 и имееттенденцию к увеличению [47, 48]. Уровень собственных шумов СКВИДдатчиков, определяющих чувствительность системы BN, составляет обычно 2-5фТл/Гц1/2. Комбинация активного экранирования (магнитно-экранированныекомнаты) с использованием градиентометров высокого порядка, и специальногопрограммного обеспечения по подавлению внешних шумов в итоге обеспечиваетуровни чувствительности системы, необходимые для регистрации магнитныхсигналов мозга с требуемым отношением «сигнал-шум».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
