Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 11, стр. 1575-1579

Электромагнитная активность биообъектов и способы ее регистрации

В современной медицинской практике широко и активно используются аппаратура и методы анализа электрической составляющей электромагнитных процессов в организме человека [3]. Характерные значения разностей электрических потенциалов на поверхности тела человека, генерируемых электрической активностью мозга и сердца человека, находятся в диапазоне от единиц микроВольт до нескольких десятков миллиВольт. На основе результатов анализа распределения электрических потенциалов по поверхности тела человека развиты такие широко используемые медицинские методы диагностики, как электрокардиография, электроэнцефалография, и соответствующая диагностическая аппаратура – электрокардиографы, электроэнцефалографы и другие приборы.

В свою очередь, в ряде исследований было показано, что магнитная составляющая процесса также содержит дополнительную по отношению к электрической информацию, имеющую высокую диагностическую значимость [4]. Экспериментально установлено, что амплитуды магнитных полей, генерируемых в различных органах человека и измеренных вне его тела, находятся в диапазоне от 10^–14 Тл (вызванные ответы мозга на внешнюю стимуляцию) до 10^–10 Тл (R-пик магнитокардиосигнала). Для регистрации столь слабых сигналов необходимо использовать магнитометрические системы, уровень собственных шумов (чувствительность) которых был бы по крайней мере на порядок ниже минимального из приведенных значений, т.е. имел величину порядка 10^–15 Тл в единичной полосе частот. На сегодняшний день подобными характеристиками обладают лишь сверхпроводниковые магнитометры на основе СКВИДов (сверхпроводниковых квантовых интерференционных датчиков) [5] и атомные магнитометры с лазерной накачкой [6, 7]. Оба типа магнитометров имеют ряд специфических особенностей как с точки зрения их функционирования, так и с точки зрения возможных клинических применений.

СКВИД-магнитометры имеют более долгую историю своего развития и внедрения в медицинскую практику. Их исключительно высокая чувствительность позволяет исследовать электрическую активность сердца и мозга человека, определять местоположение магнитных наномаркеров в теле биообъектов, и таким образом существенно расширить возможности традиционных методов медицинской диагностики.

Среди наиболее значимых применений сверхвысокочувствительных магнитометрических систем в медицине необходимо отметить следующие: а) магнитокардиография – для высокоточной ранней диагностики и эффективной терапии сердечно-сосудистых заболеваний; б) контроль транспорта лекарств на магнитных наномаркерах – для диагностики и лечения онкологических заболеваний; в) магнитоэнцефалография – для диагностики электрофизиологии мозга и нарушений его состояния; г) магнитно-резонансная томография в слабых магнитных полях – для обнаружения и локализации патологических источников электрической активности в анатомической структуре различных органов биообъектов. К настоящему времени на основе СКВИД-магнитометров уже создан, испытан и используется в клиниках ряд диагностических комплексов для магнитоэнцефалографии, магнитокардиографии, исследования печени, показана их высокая эффективность в решении различных медицинских задач.

Имея ввиду значимость и необходимость решения проблемы ранней диагностики сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, мы сфокусировали усилия на развитии СКВИД-систем для применений в области исследований магнитокардиосигналов биообъектов и изучения свойств магнитных наномаркеров, используемых в медицине. Для этого были разработаны и созданы специализированные лабораторные стенды на основе СКВИД-магнитометров и исследованы их физические характеристики.

Стенд для исследования магнитокардиосигналов человека

При создании стенда для магнитокардиографии за основу был взят МКГ-комплекс “МАГ-СКАН-09” [8], и проведена его глубокая модернизация. В комплексе были усовершенствованы конструкции его основных элементов – криогенного зонда, блоков электроники, стойки подвеса стеклопластикового криостата. СКВИД-система стенда содержала девять каналов регистрации магнитокардиосигналов (МКС) и референтный XYZ-магнитометр, сигналы которого использовались в системе электронного подавления помех. Приемные трансформаторы магнитного потока каналов регистрации МКС выполнены в форме осесимметричных градиентометров второго порядка (∂²B_z/∂z²) типа “1 : 2 : 1” с диаметром приемных витков около 20 мм и размером базы 55 мм, изготовленных из сверхпроводящего провода NbTi на цилиндрических графитовых основаниях. Приемные градиентометры подключались ко входным катушкам СКВИД-датчиков, помещенных в сверхпроводниковые экраны из ниобия. Референтный XYZ-магнитометр содержал три отдельных СКВИДа, имевших значения коэффициента преобразования измеряемого магнитного поля в магнитный поток в СКВИДе порядка 400 нТл/Ф₀, и расположенных на гранях куба с размером ребра 12 мм. Девять градиентометрических каналов регистрации МКС были объединены в общий конструктивный модуль охлаждаемой части измерительного зонда, и размещены в узлах квадратной сетки (3 × 3) с шагом 4 см между центрами приемных витков градиентометров. Референтный XYZ-магнитометр располагался в области между градиентометрами и СКВИД-датчиками “сигнальных” каналов, и таким образом, находится на значительном удалении от потенциальных объектов исследования. Для поддержания рабочей температуры СКВИДов и трансформаторов магнитного потока (4.2 К) использовался стеклопластиковый немагнитный криостат с жидким гелием объемом порядка 11 л. Фотография стойки подвеса криостата с измерительным зондом приведена на рис. 1. Для проведения магнитокардиографического исследования обследуемый размещался на специальной кушетке из немагнитных материалов, которая обеспечивала его перемещение в плоскости ХУ под криостатом с измерительным зондом. Сетка регистрации МКС из 36 узлов (6 × 6 точек по взаимно перпендикулярным направлениям с шагом 4 см) формировалась посредством перемещения обследуемого в плоскости ХУ под криостатом в 4 пространственных позициях.

Рис. 1.

Фотография криостата с измерительным зондом на стойке его крепления и перемещения в стенде для исследования магнитокардиосигналов человека.

Девятиканальная регистрация магнитокардиосигнала производилась в каждой из позиций в течение 30–60 с для накопления нескольких десятков кардиоциклов. При этом устанавливалось минимальное расстояние между дном криостата и грудной клеткой обследуемого. Магнитокардиосигналы оцифровывались системой сбора данных на основе индивидуальных 24-битных АЦП и сохранялись в базе данных персонального компьютера. Для регистрации электрокардиограмм стенд был оснащен электрокардиографом ЭКГ-12. Он также использовался в ходе исследований для регистрации II-го стандартного отведения ЭКГ в качестве сигнала синхронизации измеренных магнитокардиосигналов во всех четырех позициях.

Стенд для исследования магнитных наномаркеров

Принцип работы систем контроля магнитных наномаркеров в биообъектах основывается на измерении их магнитной восприимчивости. Для исследования магнитной восприимчивости наномаркеров был разработан специализированный стенд, включавший в свой состав ряд основных элементов: магнитометрическую СКВИД-систему, систему колец Гельмгольца для задания тестового однородного магнитного поля в вертикальном и горизонтальном направлениях, и систему позиционирования и перемещения исследуемых образцов. В стенде для исследования магнитных наномаркеров была предусмотрена возможность использования как компактной СКВИД-системы с одним каналом регистрации биомагнитного сигнала, так и многоканальной СКВИД-системы из стенда для регистрации магнитокардиосигналов. Трехмерная модель разработанной установки и фотография ее практического исполнения (без СКВИД-системы) приведены на рис. 2а, 2б.

Рис. 2.

Трехмерная модель стенда для исследования магнитных наномаркеров (а) и фото его практического исполнения (б): несущая стойка стенда – 1; подвижный предметный столик для исследуемых образцов – 2; хвостовик криостата с приемным градиентометром – 3; криостат с измерительным зондом – 4; система катушек Гельмгольца для создания горизонтального (вертикального) поля подмагничивания – 5; шаговые двигатели – 6.

Компактная СКВИД-система включала в свой состав криогенный измерительный зонд с трансформатором магнитного потока в форме аксиального градиентометра второго порядка и СКВИД-датчиком, размещаемый в стеклопластиковом немагнитном криостате с жидким гелием, блоки регистрирующей электроники с системой подавления помех и системой сбора данных на основе 24-битных АЦП. Приемный трансформатор магнитного потока был выполнен в форме осесимметричного аксиального градиентометра второго порядка (∂²B_z/∂z²) типа “2 : 4 : 2” с диаметром приемных витков около 8 мм и размером базы 29 мм.

Система катушек Гельмгольца состояла из пяти катушек на квадратных каркасах, две из которых создавали магнитное поле в горизонтальном направлении B_x, и три – в вертикальном направлении B_z. Она имела объем с характерным размером порядка 1.1 метра и позволяла создавать в центральной части однородные поля подмагничивания амплитудой до 10 мТл. Система позиционирования исследуемых образцов была выполнена из немагнитных материалов и включала в свой состав предметный столик из стеклотекстолита размерами 300 × 300 мм, расположенный в геометрическом центре системы катушек Гельмгольца, который с помощью двух шаговых двигателей мог перемещаться в горизонтальной плоскости в диапазоне 0–200 мм по направлениям Х и У. СКВИД-система, система катушек Гельмгольца и система позиционирования образов размещались и фиксировались на специальной стойке из немагнитных материалов. При этом шаговые двигатели крепились вне системы катушек Гельмгольца на удалении около полутора метров от СКВИД-системы для уменьшения влияния на ее работу. В состав стенда также входил персональный компьютер с пакетом программного обеспечения для управления СКВИД-магнитометром, системой позиционирования и перемещения образцов, а также регистрации и обработки данных магнитных измерений.

Для проведения измерений исследуемый образец (тестовый диполь, ампула с наночастицами) размещался и фиксировался на предметном столике в центре системы катушек Гельмгольца. СКВИД-система закреплялась на стойке таким образом, чтобы хвостовик криостата с приемным трансформатором магнитного потока СКВИД-магнитометра находился над центром столика с исследуемым образцом и в непосредственной близости от него. Формирование требуемой сетки измерений – количество точек измерения по направлениям Х и Y, и шаг между ними – осуществлялось вручную из программы управления стендом. С помощью шаговых двигателей объект исследования последовательно перемещался в очередную точку сетки измерений, где СКВИД-система в течение 1–20 с регистрировала результирующий магнитный сигнал на частоте поля подмагничивания. Далее строилась пространственная карта распределения магнитного поля, которая являлась основой для дальнейшего анализа по локализации магнитных носителей и оценивания их концентрации.