ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ Л.П. Ичкитидзе*, Р.Ю. Преображенский*, М.Л. Гаврюшина** * Национальный исследовательский университет «МИЭТ», МИЭТ, Зеленоград, 124498, Москва, *эл-почта: leo852@inbox.ru ** ОАО «Базовые технологии», ул. Ивана Франко, д.4, 121108, Москва НОР-2014 Москва 2014 Рентгеновская компьютерная томография (КТ) Toshiba Aquilion™ CXL Пространственное разрешение Недостатки Цена ≥0.2 мм Лучевая нагрузка на пациента 90 000 – 1 000 000 $ Магнитно-резонансная томография (МРТ) Siemens MANGETOM® 7T Пространственное разрешение ≥0.2 мм Недостатки Низкая информативность при исследовании половых органов и легких; Противопоказана людям с вживленными кардиостимуляторами, ферромагнитными имплантатами и т.п.; Противопоказана людям, страдающим клаустрофобией Цена $1 000 000 – 2 500 000 Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) Philips Ingenuity® TF PET/CT Пространственное разрешение ≥4 мм Недостатки Бедная анатомическая информативность изображений; Высокая стоимость как самой системы, так и исследований Цена $1 500 000 – 3 500 000 Магнитокардиография (МКГ) Mesuron Avalon-H90 Пространственное разрешение Недостатки Цена ≥1 мм Высокая эксплуатационная стоимость; Отсутствуют стандарты на системы МКГ и представление результатов исследований ≥$1 300 000 Электрокардиография (ЭКГ) Электрокардиограф Heart Screen 60G Преимущества Низкая себестоимость; Доступность и простота Недостатки Погрешность; Не отражает наличие шумов сердца; Тест, взятый в состоянии покоя, может не выявить имеющееся заболевание Цена $1200 – 15 000 6 Электроэнцефалография (ЭЭГ) Электроэнцефалограф “Энцефалан-ЭЭГР-19/26” Преимущества Неинвазивность и полная безвредность; Очень хорошее временное разрешение; Регистрируется активность мозга, связанная именно с выполнением задания; Нет акустического шума; Относительно низкая цена прибора; Портативность. Недостатки Низкое пространственное разрешение (0.5 – 1 см); Большое количество артефактов и шумов; Сложность установки; Цена $2 000 – 10 000 7 Магнитоэнцефалография (МЭГ) Количество датчиков в массиве: 306 Стоимость датчика: ≈ 2000 € МЭГ система Elekta Neuromag Стоимость системы Neuromag: ≈ 3 000 000 € Расход охлаждающей жидкости: 12 литров/день Массив СКВИД-датчиков 8 Потребность в сенсорах нового типа В течении последних тридцати лет СКВИДы были единственным универсальным типом датчиков для детектирования биомагнитных сигналов. Тем не менее, производство СКВИДов остается крайне затратным, а их эксплуатация требует сильного экранирования среды. 9 МЭГ картины 10 Шкала квазистационарных магнитных полей в окружающей среде 11 Типы сенсоров слабых квазистационарных магнитных полей Sensor type Эффект Холла АМС, ГМС Феррозонды СКВИДы Поток/Поле Поле Поле Поток Поток Максимальная чувствительность 1000 нТ 0,5 нТ 100 пТ 5 фТ Диапазон частот 30 кГц 100 МГц 10 кГц 10 МГц Преимущества Дешевизна, линейность характеристики, динамический диапазон измерений 70 dB Доступная цена, чувствительнос ть, динамический диапазон измерений 100 dB Высокая чувствительнос ть, динамический диапазон измерений 70 dB Очень высокая чувствительность, широкий диапазон частот, динамический диапазон измерений 120 dB Недостатки Невысокая чувствительнос ть Низкий динамический диапазон, 1/f шум Большие габариты Низкая рабочая температура (4 К), хрупкость, высокая цена 12 Шумовые характеристики датчиков магнитного поля Датчики Honeywell основаны на эффекте АМС; NVE AA на ГМС; NVE SDT на ТМС. Плотность шума датчика смешанного типа Pannetier-Lecoeur M. Superconductingmagnetoresistive sensor: Reaching the femtotesla at 77 K : Diss. – Université Pierre et Marie Curie-Paris VI, 2010. Магниторезистивные сенсоры Bn~1 nT/Hz1/2 Феррозондовые магнитометры Bn~0.1 nT/Hz1/2 Атомные магнитометры с лазерной накачкой (LPAM) Расположение LPAM магнитометра около головы человека Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы) Bn~1 fT/Hz1/2 Рынок СКВИД-датчиков Параметр/ Наименование Msgreen [1] 3Dgreen [2] Tristan LSQ/20 [3] Tristan HTM-8 [3] Cryo GA1165 [1] Cryo M800 [1] Cryo M1000 [4] Пороговая чувствительность, фТл/Гц1/2 3.5 8.4 <1 50 2 3.5 100 Шум, мкФ0/Гц1/2 3 6 1 8 2 3 10 Размеры, мм 7.5x7.5 10x10 7.2x7.2 8x8 6х6 8x8 9x9 Эффективная площадь, мм2 24 59 20 49 15.5 28 54 Напряжение, мкВ 40 40 30 20 20-30 20-30 20 Рабочая температура, К 1-5 1-5 0-7 77 0-6 4,2 77 Количество проекций 1 3 1 1 1 1 1 Материал Nb-Al-AlOxNb Nb-Al-AlOxNb Nb-AlAlOxNb YBCO Nb-AlAlOx-Nb Nb-AlAlOx-Nb YBCO Страна Германия Германия США США США США США Стоимость, $ 1620 4590 3500 15000 1645 1315 2510 [1] – supracon.com; [2] – tristantech.com; [3] – starcryo.com; [4] – Pannetier M., et al. Science, 304 (2004)1648. 18 Преобразователи магнитного потока (ПМП) Уровень чувствительности сенсора магнитного поля может быть значительно увеличен (F0 ~ 300 раз) с использованием ферромагнитного концентратора потока. Еще более эффективны преобразователи магнитного потока в магнитное поле, изготовленные из сверхпроводника, сформированного в форме кольца (F0 > 3000 раз) . 19 Датчики комбинированного (смешанного) типа Образец Измеренно е усиление Площадь (мм2) Максималь ный ток Чувствител ьность при 77К (фТ/Гц1/2) Чувствител ьность при 4К (фТ/Гц1/2) Nb A 108 7x7 1mA - 600 Nb B 500 15x15 1mA - 140 YBCO A 160 9x9 15mA 150 32 YBCO B 600 17x17 10mA 25 5 YBCO C 1300 25x25 10mA 8 1.5 - Pannetier-Lecoeur M. Superconducting-magnetoresistive sensor: Reaching the femtotesla at 77 K : Diss. – Université Pierre et Marie Curie-Paris VI, 2010. Многослойный сверхпроводящий ПМП и ГМС магниточувствительный элемент (МЧЭ) Легенда: 1 – сверхпроводящее кольцо ПМП, 2 – диэлектрическая подложка, 3 – активная полоса в увеличенном масштабе (пропорции не соблюдены), 4 – изолятор, 5 – ГМС МЧЭ, 6 – проводники, присоединенные к контактным площадкам. Параметры сенсора [1]: • ширина активной полосы ПМП: ws = 7000 nm; • • • • • ширина МЧЭ: wMSE = 7000 nm; толщина пленки ПМП: h = 150 nm; толщина изолятора: his = 400 nm; толщина МЧЭ: hMSE = 35 nm; критическая плотность тока материала ПМП: Js = 1010 A/m2. 21 Наноструктурирование активных полос комбинированного датчика магнитного поля 22 Наноструктурированный комбинированный датчик магнитного поля (ДМП) Схема ДМП: (1) сверхпроводящее кольцо, (2) диэлектрическая подложка, (3) увеличенная активная полоса (пропорции не соблюдены), (4) МЧЭ, (5) изолятор, (6) сверхпроводящие ветви, (7) прорези. Is = 10 мA; λ = 50-250 нм; ws = 7000 нм; h = 25-500 нм; hins = 250-2500 нм; hMSE = 20 нм; wp = 20 нм. 23 Зависимость величины фактора F от толщины изолятора и Лондоновской глубины проникновения 4,6 4,4 F 4,2 4 wp=20 nm 3,8 wp=50 nm 3,6 wp=100 nm 3,4 wp=200 nm 3,2 wp=500 nm Зависимость фактора роста от толщины изолятора 3 300 1000 1700 2400 3100 3800 4500 his, nm 3,9 F 3,7 3,5 wp=20 nm 3,3 wp=50 nm 3,1 wp=100 nm 2,9 wp=200 nm 2,7 wp=500 nm Зависимость фактора роста от Лондоновской глубины проникновения 2,5 50 75 100 125 150 175 200 225 250 λ , nm 24 Зависимость фактора F от количества прорезей Ширина прорезей 100 нм Ширина прорезей 350 нм 25 Чувствительно ДМП Минимальное регистрируемое поле (1) S0 RB R0 , R0 B (2) где U – минимальный регистрируемый сигнал на чувствительном элементе, I – измерительный ток, F – фактор роста эффективности, S0 – относительная магниточувствительность, RB – сопротивление чувствительного элемента во внешнем магнитном поле B, R0 – сопротивление чувствительного элемента при отсутствии внешнего магнитного поля. СКВИД(НТСП)+ТМП N E 2 10 5 Bn2 D 3 (J/Hz) ~ 10-30 J/Hz, Bn 1 fT / Hz 1 / 2 D 1.12cm СКВИД(ВТСП)+ТМП N E 10-27 J/Hz, Bn 0.03 pT / Hz 1/ 2 КДМП(ВТСП)+КМП N E 10-27 J/Hz,Bn 1 pT / Hz 1/ 2 D 1cm D 0.2cm 26 Источники 1. Pannetier M., Fermon C, Le Goff Get al. Femtotesla Magnetic Field Measurement with Magnetoresistive Sensors // Science, 304, 1648–50 (2004). 2. Pannetier M., Fermon C., Le Goff G., et al. Ultra-sensitive field sensors – an alternative to SQUIDs // IEEE Trans. Appl. Supercond., 15 (2), 892– 895 (2005). 3. Ichkitidze L.P. Weak magnetic field superconductor resistive sensors in comparison with semiconductor and magnetoresistive sensors // Physica C, 460–462, 781–7821 (2007). 4. Ichkitidze L.P., Mironyuk A.N. Superconducting film flux transformer for a sensor of magnetic field // Physica C, 472, 57–59 (2012). 5. Ichkitidze L.P., Mironyuk A.N. Topological nanostructured film superconducting flux transformer / / Journal of Nano and Microsystem Technique, 1, 47-50 (2012). 6. Ichkitidze L.P., Mironyuk A.N. Патент RU № 2455732. 27 Заключение: • Тип Ι. Разрабатываются атомные магнитометры с лазерной накачкой (LPAM) с объемом рабочей ячейки порядка ~1 см3. Их разрешение находится на уровне собственного магнитного шума Bn~7 фT/Гц1/2 и 710-29 Дж/Гц в конфигурации магнитометра. • Тип ΙI. 2.1. В СКВИДах на основе высокотемпературных сверхпроводников (Y-Ba-Cu-O) с рабочей температурой Tw~77 K реализованы параметры ~10-510-6 0, B~10-1410-13 T, and ~10-27 Дж/Гц, не достигающие значений аналогичных параметров высокотемпературных СКВИДов. В частности, для СКВИДов на основе Nb с рабочей температурой Tw~4 K, разрешения достигают ~10-610-7 0, B~10-15 T, Dr140 дБ and ~ 10-30 Дж/Гц [1]. 2.2. Фрагментация активной полосы КМП в виде параллельных полос и прорезей с ширинами 20-1400 нм существенно улучшает параметры комбинированных ДМП до значений, сравнимых с параметрами ВТСП СКВИДов (~10-27 Дж/Гц) и НТСП СКВИДов (Bn~1 фT/Гц1/2). Ожидается появления коммерческих комбинированных датчиков с наноструктурными элементами и параметрами не уступающими ВТСП СКВИДам, но более надежных и дешевых (< 500 €). • • • СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!! 29