Датчики магнитного поля в медицинской практике
Download
Report
Transcript Датчики магнитного поля в медицинской практике
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: [email protected]
** 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 2 105 Bn2 D3 (J/Hz) ~ 10-30 J/Hz,
Bn 1 fT / Hz1 / 2 D 1.12cm
СКВИД(ВТСП)+ТМП N E 10-27 J/Hz, Bn 0.03pT / Hz1/ 2
КДМП(ВТСП)+КМП
D 1cm
N E 10-27 J/Hz,Bn 1pT / Hz1/ 2 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