автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка и исследование импульсно-релаксационных сквид-магнитометричных систем для изучения магнитной податливоси биологических тканей in vivo

о l Национальна академ!я наук УкраТни

¿ 4 *" 1нститут к1бернетики íMení В. М. Глушкова

На правах рукопнсу

удк 537.31.2.62 621.317.42

сутковий Павло Гнатович

розробка та досл1дження шпульсно-релаксащйних

скв1д-л1агн1тометричних систем для вивчення магштног сприйнятливост1 бюлог1чних тканин in vivo

о.W3SJ

05.13.08 — обчислювальн! машини, системи, Mepestf, елементи та пристроТ обчислювальноТ техн1'ки та систем керування

Автореферат дисертацп на здобуття наукового ступени кандидата техшчних наук

Кniв 1997

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана в 1нституп ыбернетики ¡меш В. М. Глуш-кова HAH Украши.

HayKOßi кер1вники: член-кореспондент HAH Украши,

доктор техшчних наук, професор ВОЙТОВИЧ I. Д.,

кандидат техшчних наук, старший науковий сшвроб1тник

сосницькии в. м.

Оф1цшн1 опоненти: доктор техшчних наук, професор

БОНДАРЕНКО С. I.,

кандидат ф1зико-математичних наук,

старшин науковий сшвроб1тник MOICE6B Д. П.

Пров1дна оргашзащя: 1нститут металоф1зики HAH Укра'ши.

< ^ JUV70U-X ^ iLH ^

Захист вщбудеться л.» -------^199 Г"Р- о

год. на засщанш спещал1зованоТ вчено{ ради Д 01.39.04 при 1нститут! юбернетики iMeHi В. М. Глушкова HAH Украши за адресою:

252022 Ки1в 22, проспект Академка Глушкова, 40.

3 дисертащею можна ознайомитися в науково-техтчному apxißi ¡нституту.

. _ л____ ___• „ Х/О

Автореферат розюлании «--» -- 199/-р.

Учений секретар спещал1зовансп вчено! ради

Гумешок-Сичевсысий В. I.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АктуаЛ1»н1сть теми. За останш роки спостер1гаеться в'щчутний прогрес у використант надпровщникових квантових ¡нтерференцтних дегекторт (CKBIflie) у га л уз ¡ вим!рювання надслабких магнггних полю бюлопчного походження та Тх градкнлв. Перевагами бюмагнггних вим1рювань е íx безконтактжсть, нешвазивжсть та пасивжсть, що дозволяв класиф'жуватн под!бн! досшдження як н«руйжвж методи контролю бюлопчних об'ект'т. У цьому зв'язку особливий жтерес викликають бюсасептометричш системи, що реалЬують магштометричж методи нешвазивного дослщження магшгних властивостей бюлопчних тканин - магжгну бюпсно. ФЬмчна суть под!бних досл1джень полягае в намагжчуванж об'екта, що становить ¡нтерес, та вим!рюванш сигналу його магжтноТ сприйнятливосп. При цьому можливе використаиня як риних BapiaHTÍB поля намагннування (поспйке або змшнё, .просторово однор'щне або неоднорщне), так ¡ рпних конструкцж антен (коакаальш, плднарш градкнтометри). Тому актуальною задачею е BnGip оптимально!' конструкцн бюсасептометрично? системи з урахуванням аналЬу переваг ¡ недолкш можливих eapiaHTie поля намагннування, а також мети дослщження.

В Tini здорово)' доросло? лгадини - приблизно 4 грамм зад!за. 1з них близько трьох rpaMÍB постжно включен! в 6¡ox¡MÍ4Hy активжсть (переважно на транспорт та накопичення кисню), а один грам вм|щуеться у двох специфмчннх молекулах протеТну - феритиш та гемосидерин!. Докладний баланс m¡>k абсорбц!ею залЬа i його втратою визначае реальний po3M¡p цього резерву або "накопичення залЬа", i 6удь-як1 виязлеж його eapiauií становлять клМчний ¡нтерес. Печшка -головний орган, який накопичуе залЬо, i вдомо, що ртень його накопичення печжкою точно в|'дображае накопичення всього людського оргажзму. Стандартна процедура досл1джеиня - вим!рюзання вм!сту залЬа в xipypr¡4Ho видалешй тканиж лечшки безпосередньо методами xi-MÍ4Horo анал!зу. Незручжсть, бол'|сжсть та згубшсть такого ¡нвазианого ш'дходу сильно обмежують його широке застосування. Окр|'м того, уявна на перший погляд точжсчь цього анал1зу дуже обмежена випадков1стю м|сця взяття проби при можливж неоднорщносп розподшу зал|'за по печжщ. За рядом причин не тдходять таю нешвазивж методи, як ядерна резонансна спектроскопия, комп'ютерна томография та ЯМР-спектроскогня (потреба досить високих радюактивних доз ощ короткоживучих Í30T0nis, нйможлн»1сть визначення високих plBiiíe концентрацм залЬа та ¡н.). Не мае необхгдноТ tomhoctí ¡ метод, що заснований на акалЫ вг-нсту феритику в сироватц! Kpoei.

Зазначеж вище недолжи об>мовлюють необх'гджсть роззитку нових технологж та гехжчних .jacoGÍB дослщження магжтних аластивостей бюлопчних тканин ж и них оргажзмт (in vivo), серед яких вир1зняеться магжтня oioncia, як нэйбтьш лерспективний з точки зору

клЫчного застосування метод вим1рюаання концентраци зализа в органах людини.

Мета. роботи полагала в розробф та дослщженж СКВ1Д-магшюметричио) системи, що мае висою динам'тж характеристики, рщвищену перешкодозахищежсть, проста ¡ надтна в експлуатацн, та створенж на Ti ochobí комплексу для виачення магжтноУ сприйнятливоап бюлопчних тканин in vivo.

Методи ДОСЛЦРКенИЙ базувались на елементах reopií надлровадникових пристроив, теорП . електричних «¡л, методах математичних розрахункт на ПЕОМ, на експериментальних внпро-буваннях створених систем та íx основних вузлш, включаючи досл1дну експлуатацЬо в клмичних умовах.

Hay нова новизна результат робоги полягас в наступному:

1. Запропоноваш та обгрунтоваж принципи використання ¡мпудьсного режиму роботи двоконтактних псгерезисних СКВ1Д!а для (юбудови СКВЩ-магжтометричних систем.

2. В результат! проведемих теоретичних та експериментальних дослщжень релаксацшних коливань в СКВ1Дах створена основа для побудови частотно-Ыпульсних магнитометров.

3. Запропоноваж та проанатзоваж ■, принципи побудови ¡мпульсно-релаксацшних СКВ1Д-магжтометр1в з частотним зчитуванням, що мають параметр*, KoTpi необхдол для створення систем для бЬмагжтних дослдокень.

4. Розроблена та випробувана в клшмних умовах установка для виачення магжтноУ сприйиятливосл бюлоп'чних тканин in vivo, яка дозволила не тшьки дослщжуваги bmíct за/нза в печ'миц, апе й сим1рюеати в змЫмому пол! намагжчуаання магжтоплетизмограми серця га печЫки, а також рееструаати наявшсть залЬа б серцевому м'язк

Даж положения с основными i виносяться на захист. Новизна техжчних piuieiib пщтверджена л'ятьма авторськими се!доцтвами на винаходи.

ЛраКГИЧНа ШНН'ЮТЬ, Результат» вивчення ¡мпуяьсного режиму роботи СКВ1Ду та релаксажйних коливань в ньому е основою для створення новою класу СКВ1Д-магжтомефичних систем з высокими динамгшимн характеристиками, що дозволяюти проводит бюмагм'ти вим'фюватш без магжгоекранованоУ юммати за умов промисловою Miera. Створений на цьому принцип! магнпометр "КУРС-М" в>д значений великою Золотою медаллю. на Лейпц1гському Ярмарку.

бисока швидкод!я ia широкий динаминий диапазон pospo(Wnoiо СКВ1Д ма| мпомефа забезпечили можливк-дь стиореиня yctflHOÍPM ЦПН ПИМ1рюВаМНЯ MdiHUHoi' СПрИЙНЯ П1И80СТ í бюЛОНЧНИХ ofi екий if! vivu в широкому д^гмюж чдпо1, що дозйолп? Д(<СЛ<ДЖ>1«ИН мотни/ í.ii[,n,,-iiHi/ii(B¡.Mt. як tiaiHMHHv обЧкпй (иечшкв,

•б-

розподм та бютрансформац('я иагжтних агентш по оргажзму), гак i динаммних (геиодинам!ка, рух ctíhok с.ерця э переобтяжешшм залЬом).

Реал)зац1Я результат. ^роботи. 1млульсним СКВ1Д-магштометр був впровадженний в НД1 ЕФА ím. Д.В.Ефремова (м. С.-Петербург) для системи стабшЬацм послйиого струму, Модиф'|кац1Я ¡мпульсно-релаксацжного СКВ)Д-магжгометра "КУРС-М" використовуеться у склад1 бюмагнтюго кардюметрнчного комплексу в УкраТнському НД1 кзрдюлогп ¡и. М.Д.Стражеска. Розроблена установка для нежвазивного вивчення магжтноУ слрийнлтливосп бюлопчних тканин, що використовуеться в сгмльних роботах з 1нститутом медицини npaqi АМНУ та Н1ТЦ "Сонар" НАНУ.

Апробацж роботн. Ochobhí положения та результат дисертафйноТ роботи були представлен! на VIII, XI-XVIII семтарах з прикладноТ надпров1дникоп™ електронжи та бгамагнетизму (Кжв, 1981' 1995 pp.); XIII, XVI i XVIII мЬкнародних симпоз1умах з фЬики низьких температур та кр'юелектраж'ки (Йена, 1981, 1984, 1986 pp.); V Всесоюзна нарад1 "Проблеми створеняя перетпорювач'ю формы ¡нформаци" (КиТв, 1984 p.); II нарад1 паукового • центру "СКВ1Д" з прмкладких досл1джень (Свердловськ, 1989 р.); Саропейсьюй конфе-ренци з прикладиоУ надпров'|дносп (EUCAS'93) (Геттжген, Н'меччина, 1993 p.); XIII IMEKO World Congress (Турин, (талт, 1994 p.); зааданж European Iron Club (Гамбург, Шмеччина, 1995 р.); науково-техжчнж конференцм "ф|зичн'| метсди i засоби контролю матер'тл'т та вироб1в" (Льеж, 1996 р.); мЫшародш'й конференцп "Diomaq-96" (C.ü<ra Фе, США, 1996 р.).

Публ«кацП', За темою дисертацм опублжовано 23 науков1 роботи, отримано 5 авторських свщотцть на еинаходи. ^

Структура та обсяг роботи. Дисертац!я складаеть0я з вступу, п'яти роздмив, висновку та списку л1тератури з 120 найменувань. Загальний обсяг дисертац» становить 161 сторжку, включаючи 67 рисунюв i 2 таблиц1!.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У__._ BCTyni обгрунтована актуальжсгь дослщжень та сформульована мета робоги, показана Tí наукова новизна i практична ц'жжсгь.

Р03Д|'Л 1 мютить анал1тичний огляд лкератури з проблеми вим1рювання магжтноТ сприйнятлнвосп бюлопчних тканин in vivo та ¡снуючих СКВ1Д-магн1тометричних систем, а також обгрунтування напрямш досл|'джень i розробок.

Проанатзозаж роли у розяитку патологж гпдвищеного накопичення зализа в организм!, переваги методш 6¡OMarH¡TOMerpií а fliamocTMtti пов'язаних з ним захворюаань, що ЫдтверджуЕ. актуальжсгь дисертацжно! роботи.

Розглян/tí лринцмпи вим1рювання магштно? слрийнятливосп бюлопчних тканин ¡n vivo. На ochobí з'|ставлення переваг та недо/пюв ¡снуючих бюсасептометричних систем обгрунтовано en6ip для розробки бюсасептометра зм'шного струму з однор1дним полем иамагн'шування, ос.ктьки b¡h доэаоляе: 1) переметивши спектр вим1рюваних сигнал'ж в область вище 10 Гц, сугтево зменшити необх!Дну величину поля намагнгчування, а гакож вмключити вплив 1/f шумт вимрювал'чо'1 СКВЩ-системи; 2) лщвищити чутливкть бюсасептометра до глибоко залегли* тканин i тим самим зменшити лохибку визначенмя коицентрацп залиа, поа'язану з неточж'сгю визначемня товщинк. жирового прошарку; 3} у масштаб» реального часу вимфювати магштну сприйнятлпвкть також динамнних об'ектш (матштоплетизмографЫ). Kp¡m того, розм'ицення котушок намагшчування поза крюстатом з СКВ!Д-сислемою надае бтьше свободи у вибор! конф!гурац» система.

3 урахуеанням вияалених гидеищених вимог до динаммних параметров СКВ1Д-магттомегричмоТ систем« при вимфюванмях в змшному пол') намагжчування проанал1зоеаж b^omí вч- та пс-СКВ1Д-системи, в результат! чого запропоновамо рикористання ¡мпульсного режиму роботи СКВ1Ду, який поеднуе . . висою динамки характеристики, притамаиж вч-СКВ1Дам, i достатню чутлиа1сть (близьку до чутливосп' пс-СКВ1Д|в).

РОЗДШ 2 присвлчений досгндженню ¡мпульсного режиму роботи мешунгованого пстерезисного двоконтактного СКВ1Ду.

Досл1джен1 ujyMoai властивоел СКВ1Д!в на ochobí тунельних контакта Nb-NbjO^Pb, внготовлених методами електронно-променевого напорошення та фого/птографп, у режим! Тх зм1щення пил оподйним сгрумом в ¡д зозн'/шнього дтерела (рис. 1). При частот! струму зм^ення СКВ|Ду 30 кГц вим|'ряний i приведений до одиничноК полоси шумовий потк складао

5-10ь Ф0Гц*|/2. 3 Ыдвищенням частоти онигування до 100 кГц piaeim шумового потоку

•ebas с « ¡2

знижувався до 2,410 Ф0Гц" ' , uto добре р j узгоджуетьсл з даннми [1,2]. Оцжено вклад

шум|а запропоновамо? елект ронжи зчитування it % i. i''' -

i*í' ^ — <>/ 1 ц оьумоинении кжцешсгю та нестао>льн1стю часу

переключения ¡мпул^ошм схем Зроггання цього "шуму" з гщвнщен-

мим частот отоуаа.мя СК81Ду I• (4,3 10 6 Ф0Гц та 7,9 10 6 Ф0Гц'1/г при чйстошх onmja.jii'iii 10 кГц та 100 кГц, в!дпон!дно для елементноТ

бази, що застосовувалась) обмежуе можливють подапьшого пол!пшення чутливост! СК01Ду у даному ¡мпульсному режим! шляхом пщвищення частота струму зм1щения.

Наведен! описи та результата експериментальних досл1джень практичних мапнтомегричних пристро'/в на основ! ¡мпульсних СКВ1Д!в. Один из них, що виробляв напругу, пропорцмну величин! критичного струму СКВ1Ду, був впроваджений в НД1 ЕФА (м. С.-Петербург) при розробц! системи стабипзацн пост!йного струму електромагнтв прискорювач!в. Ыльш функцюнально завершений пристр|й являв собою ¡мпульсний СКВЩ-магшгометр, який мав власний зворотний зв'язок (33) по магн!тному потоку. При цьому одержан! так! основж його характеристики: частота струму змицення - 100 кГц; потокова чутлив1сть -

(6,5-'-8,6)-10"5 Ф0-Гц~,/2 ; динам!чний д1апазон - 100 дБ ; швидккть стеження - 100 Ф0/с ; частотна полоса вхщного сигналу - 10 кГц.

Недолги, притаманн! режиму тестування СКВ1Ду зовн1шн!м джерелом ¡мпульсного струму зм!щення, можна усунути зам!ною останнього генератором релаксац!йних колизань (ГРК) на самому СКВ!Д|. Досл1дженню режиму релаксацжних колнвань (РК) а двоконтактних пстерезисних СКВЩах присвячений розди1_.3. Перше повдомлення про ГРК на одиночному джозефсонтському тунельному контакт! (ДТК) було опублжоване ще в 1968 р. [3]. П!зн!ше в [1] РК використовувались як допомЫший режим при дослщженж енергетичноТ чутливост! СКВ1Ду, що працюе в ¡мпульсному режим!. На (идмЫу вщ цього нами показано, що РК у СКВЩах можна використовувати за прямим призначенням як основний режим перетворення магн!тного потоку, що рееструеться, в частоту ' з вимфюванням останньоТ вздомими методами.

Якщо зашунтувати ДТК посл!довно включеними опором Я та ждуктивжстю /, (рис. 2), то при подаш" струму змщення /„ , що

задовольняе умов! 1С < /„ < I Н { 1с - максимальний критичний струм;

- напруга щ!лини ДТК ), в систем! виникае автоколивальний процес з перюдом

Наведен! вище дан! практично вичерпують в1дом! э лкератури найпрост1Ш1 уявлення про РК в ДТК. Тому цтком лриродно було в дисертацн використати бтыи суворий шдх!д на основ! р!вняння, що описуе. роботу ГРК з урахуванням ефекпв Джозефсона, пласного опору Ко та емноси С ДТК:

U. У. 'Л"1

(1)

де г = ^ ,(-;=/„ R .

(rCOSÇ + Гв)Ф + sil)Ç - >1 -0 ,

(2)

де rj-—, г0 =— , Ld =--джозефсожвська ¡ндуктившсть при (р = О,

Л Но /г

V

0 = —— , V- напруга на СКВ1Д! в кваз'ютатичному режиму що реально Rlc

використовуеться.

г 2

èlKA

Вих.

Рис. 2

АналЬ впливу джозефсонтськоУ ¡ндуктивност! на перюд РК приводить до висновку, що и сл1д враховувати лише при дуже високих

частотах РК, коли т0 ~ т, або при робоп в режим1 7=1. На практиф щ умови не зустриаються, тому подалыш оцшки проводились без урахування впливу джозефсожвськоГ ¡ндуктивносп на частоту РК.

Поршняння залежностей перюду ГРК з ¡деальною (1) та реальною

формами ВАХ показало, що при не дуже великих т] ( < 5 ) урахування реальноУ форми ВАХ дае поправки порядку одиниць %. В бЫышй м?р1

вщмжжсть форми ВАХ вщ ¡деальноУ проявляеться при наближенш т] до

його критичного значения для реальноУ форми ВАХ гДр, котре в свою

чергу менше 7кр = / (1С К) (для ¡деальноУ модел1). Однак в обласп

Т] < 7/\р ц? яком достатня для практичного застосування точжсть досягаеться без урахування особливостей реальноУ форми ВАХ.

Розглядаються питания оптимЬаци режиму роботи ГРК з метою досягнення максимально-! глибини модуляц» частоти РК Л!-'. Очевидно, що необх'|дко прагнути до максимально"! величини параметру

1с- 1с 1с

-, який характеризуе глибину модуляци критичного струму

СКВ1Ду \ визначаеться конструкцкю та технологию його виготовлення.

Для СКВ1Д1в з малим значениям у за рахунок забезпечення ?/ близьким до 1 можна досягти деякого з61льшення абсолютно! величини глибини

модуляцн частоти гАЛ - —т------------, , однак для

1п(1-7 ) 1п(1-(1-у);Г')

високояюсних СКВ1Дш з великим у б1льш доцтьним е використання

режиму з великим 1].

Для побудови магнитометра вежливою е диференщальна чутливкть

ГРК по магжтному потоку — . 3 техж'чноТ точки зору вимфювання в

</Ф

частотжй облает! сам! по соб! мають перевагу поршняно з аналоговими. У даному випадку отримане сп!вв1дношення м1ж в!дносними зм!нами магн|'тного потоку I частоти РК

V Ч У711 пл

Р ~ (>1 + У -1) "1 [л + г-уъ засв(дчуе наявжсть ще додаткового виграшу, осмльки в'щнасна змша частоти може на порядок перевшцувати в!дпоо1дну в!дносну змжу вим!рюваного магн'|тного потоку.

Чутливкть мапнтометра залежить в!д шумових параметра ГРК, Теор'|я шуму пс-СКВ1Д1й, в тому числ'| '( працюючих в ¡мпульсному режим'| [1,2], розвинута та п!дтверджена експериментально досить добре. Як можливе додаткове джерело шумового струму нами оцшено вклад

енергн шуму шунгуючого /?/, - ланцюга Ем. вдаюсно енергетично"

чутливост! СКВ1Ду в ¡мпульсному режим! ее [2]

(4)

Ей 2

де рс = 2гт!с!<1'- безрозм1рна емн!сть ДТК. Через те що Д » I, при вс!х

Фо

реальних значениях у = 0,5 0,8 е«.. Це означав, що ЯЬ - ланцюг не обмежуе енергетичну чутливють ГРК, а гранична чутливкть РК-магжгометра визначаеться чутливкгю СКВ1Ду, що працюе в ¡мпульсному режим!, котра, в свою чергу, близька до чутливост! традифйних пс-СКВ1Д|в.

Наведен! результати експериментальннх досл!джень ГРК. СКВ1Ди на основ'| ДТК типу МЬМ-№ЫхОу-МЬ [4], шунтован! зовжшжм посл!довним

- ланцюгом ( Л=1,6 Ом; /.=0,5 мкГн ), мали /с=3^20 мкА, у - 0,7^0,9.

Вим!рян! залежност! 1'рел в!д Ф демонструють суттевий вплив г) на ЛГ.

При // = ЗД отримано коеф!ц!ент леретворення СКВ1Ду К = 2,510® Гц/Ф0, що пщтверджуе теоретичж передумови ефективного використання ГРК у СКВ1Д-магн!тометр|.

У рОЗД1Л1 4 викладеж принцип« побудови рк-СКВ1Д-маиГнометр1в з частотно-|'мпульсним зчитуванням сигналу з датчика, що на в!дмжу Я1д

в!домих систем зчитування усередненоТ напруги [5] тдвищуе перешкодост!йк!сть приладу та знижуе. вимоги до тдсилювача, а поршняно висока частота РК лоряд э можлив)стю досягнення велико) глибини 33 в широкий полоа частот без суттевих фазових зсувт дозволяють реалЬувати гранично високу швидкодто.

Принцип роботи такого магнитометра (рис. 2, де 1 - джерело струму эм1щення; 2 - ¡мпульсний гидсилювач; 3 - формувач ¡мпульав; 4 -¡нтегратор; 5 - буферний шдс клюллч) поли гаг: в гидсиленн1 Iмпульав, що надходять з датчика (ГРК), ператворенж Ух частоти в напругу шляхом формування ¡мпульаз поспйиоУ вольт-секундноУ площ1, Ух штегруванн! та замкненж 33 на СКВЩ.

Запролонований рк-СКВ1Д-магн!тометр з частотночмпульсним зчитуванням. що характеризует ься надзм'.чайною простотою, м|'стить в кол! Зо единий частотнозалежний елемент - ¡нтегратор (на в!дмшу шд традицжних схем потоковоУ модуляци. що м!стягь також узгоджуючий трансформатор та синхронний детектор). Завдякн цьому вдалося одержати аналгтичний вираз у явному вигляд! для петлевого коеф'ш^ента П)дсилення РК-магштометра з роз1мкменим колом 33 :

I = 2У г1'. /й % . (ы2пГ2 + 1-уа;Г2) 0 - у а) гз)

К((0):

/о Ко Г. Иг Не

(со г г)1 + 1 (а гз) +1]

(5)

]

Залеж/нсть (5) дозволяе розраховувати ва елементи кола 33 за наперед заданими його параметрами.

Наведен! результати експериментальних досл'щжень створеного базового зразка магнетометра "КУРС-М" з олисаним вище ГРК: диапазон частот РК - 1+8 МГц; ¡ндуктивжсть СКВ1Ду - 90 пГн; критичний струм СКВ1Ду - 5-ИО мкА; (ндуктивжсть вхщмоТ котушки - 1 мкГн; вх|'дний

струм на квант Ф0 - 0,6 мкА; полоса частот 33 - 0+50 кГц; внутршня

чутлив1сть до магн'пгного потоку - 84О"6 Ф0 Гц",/2; максимальна швидкод1я

на частот! 4 кГц - 2-Ю6 Ф0/с; динам'тний д'шпазон - 130 дБ.

Зважаючи на запежжсть частоти ГРК не т!льки в!д критичного струму 1С, але ! в°|д струму змшцення 1„ (1), так! фактори, як нестаб!льн!сть цього струму, наведения завад на шин! зм!щекня та низькочастотж флуктуаци величини критичного струму, можуть проявлятися у вигляд! удаваного сигналу на виход1 представленого вище РК-магн!тометра, особливо коли йдеться про його використання в системах, що потребують довгочасноУ стабшьност! ртня вихвдного сигналу. Усунути зазначений недол!к. дозволяе запропоноаан? схема рк-СКВ1Д-магнггометра з автомодул яцкю за рахунок використання одночасно двох робочих точок на керуючш характеристик СКВ1Ду з подальшим формуванням на вход! ¡нгегратора ¡мпульсного сигналу 13 скважжстю, пропорц!йною вим!рюваному магжтному потоку.

Розрахунок петльового коефщ1енга шдсилення магжтометра з автомодулящею показуе, що кр|'м усунення зззначеного вище недолжу а режим! роботи рк-СКВ1Ду з автомодуляфею його коеф|ц:ент

/' тдх ~~ /' min

/'п

перетворювання п!двищуеться в 1/2(1 -уд раз!в, де Y/ =

вщносна глибина модуляци частоти РК.

Важливим питаниям при побудов! РК-магн1тометра з

автомодуляц!ею е виб1р и ампл!туди Фм. Показано, що оптимальною е Фм = 0,25 Ф0. При цьому динам!чний дшпазон магжтометра максимальней. Анап1зуеться також вялив асимегри керуючоТ характеристики СКВЩу на вихщний сигнал РК-магжтсметра з а&томодулящею. Оскшьки показано, що додагковий еихщний сигнал магн!тометра при цьому

пропорщ'йний ступеню асиметрГГ СКВЩу та Фм , то в!н е послйним ! не позначаеться на характеристиках даного РК-магжтометра.

Е03Д1Л_5 присвячений побудов1 б!омагн!тних сасептометр!в на 6a3i розробленого ¡мпульсно-релаксащйного СКВ1Д-магн!томегра.

На рис. 3 , де 1 - СКВЩ-магжтомегр; 2 - лщсилювач потужност!; 3 -задаючий генератор; 4 - синхронний детектор; 5 - датчик перем!щення л!жка; 6 - джерела живленнн; 7 - АЦП; 8 - ПЕОМ; 9 - система катушок намагжчування; 10 - СКВЩ-датчик; 11 - крюстат; 12 - градкнтометр; 13 -емк!сть з водою; 14 - печ!нка; 15 - тшо пащента; 16 - л!жко позиц!ювання, представлено розроблений сасептометр з коакаальним

град!ентометром другого порядку (0 22 мм, база 60 мм) та горизонтально розмицекими кот ушками намагнмуван.чя (до! секцм

розм1ром 2,0 х 2,0 м на ы'дстаж 1,09 м, створю-ване поле 90 мкТл). Бюсасептомет.р може працювати у двох режимах: 1) вим1рювання маг-жтогепатограми (МГГ), частота поля намаг-жчування 14 Гц; 2) вим!рювання магнгго-плетизмограми (МПГ) -111 Гц. Сигнал, створюваний в град1енто-метр! безпосередньо полем намагжчування, по-давлясться механ!чною балансировкою град!ен-тометра (до 10"3) i Рис. 3 остаточно виключаеться

4 3

МПГ печЫки

29,2 рТ / МПГ серця

в \

активною компенсац1ею в кол|' 33 магжтометра.

Подано розрахунок наведеннх у даному б'юсасептометр! машггних пол1в та вим1рюваних сигнал!в, який дозволив визначити вклад р1зних частин т!ла пац!ента та деталей само! установки. Так, зокрема, показано, що найближча до печ|'нки тканина - легеж дае несулевий вклад у вим!рюваний сигнал лише при високих концентрац!ях зал!за в печ!нц!, а у норм) вклад сигналу в!д легежв все ж необх!дно враховувати. 3 ¡ншого боку, шляхом вибору необкадноГ говщини кришки емкост! з водою можна взаемно виключити вклад у сигнал, що вимфюеться, и само? та заглиблення в н!й.

Наведен! результата

виконаних на дан!й установц! експериментальних досл/джень МГГ та МПГ. Вим!рювання МГГ здоровоТ людини та зварю-вальника, який страждае на профес!йн! захворювання, а також дан! калибровки за розчинаии

хлориду зализа з рЬними його концентрацтми показали, що за допомогою описано/ установки можна ф!ксувати як нормальну концентрац!ю (0,1-И мг/г), так ! переобтяження (б!льш н!ж 1 мг/г) залЬом печжки. Використання змшного магштного поля з частотою, що перевищуе спектр частот магжгокардюграми (МКГ), дозволило нам розв'язати задачу вид!лення сигналу МПГ серця на фош сигналу МКГ у масштаб-! реального часу (рис. 4,а), а досягнута при цьому висока чутлив!сть - вим!ряти МПГ печ!нки (рис. 4,6). Вим|'рюючи МПГ серця звар>овальник!в, вдалося зарееструвати наяажсть у них залЬа у кров) (рис. 4,в) та у серцевому м'яз! (рис. 4,г).

Запропонована та проанал!зована конструкц!Я бюсасептометра з планарним градиентометром I- вертикально розмгщенимн когушками намагжчування. Проведен! анал!з та експериментальж доотдження даного б!осасептометра на модельних зразках виявили ряд його переваг (компактшсгь, висока просторова роздтьна здатн!сть). Маш' поля намагжчування, робота поза областю 1/7 шум|в, використання планарною

г _ / 5,1 рТ

^ / V МПГ серця

Рис. 4

град!ентометра створюють передумови для можливого переводу тако! системи на високотемпературж надпровщников! (ВТНП) СКВ1Ди.

У-ВИСНОВку сформульоваж таю основн! результати дисертаци:

1. Внаслщок проаеденого аналЬу ¡снуючих систем маГжтноТ бюпси обгрунтований виб:р бюсасептометра змжного струму з просторово однорщним полем намагжчування. Сформульован! основн! вимоги щодо необхвдноТ для нього СКВ1Д-магн!томегрично!' системи: широкий динам!чний д!апазон (¿120 дБ), висока швидкод!я (>105 Ф0с), завадозахищежстъ.

2. На основ! 31ставлення переваг 1 недол!юв традицжних вч- та пс-^КВ1Д-систем запропоноване використання ¡мпульсного режиму роботи СКВ1Ду, що поедкус висою динам|'чж характеристики, притаманн! вч-СКВ1Дам, та достатню чутливкть (близьку до чутлиоосп пс-СКВ1Д'|в).

3. В результат! проведеного дослщження ¡мпульсного режиму роботи нешуитованих двоконтактних СКВ1Д!в виявлен! його переваги перед режимами роботи традиц!йних вч- та пс-СКВ1Дт:

- велика ампл'|туда ¡мпульсу переключения, що припускае безпосередне подключения гмдсилюаача до СКВ1Ду;

- висок! динам|'чж характеристики;

- перешкодозахищежсть;

- спрощення технологи виготовлення СК81Д!в.

Експериментально шдтверджена залежжсть чутливост! СКВ1Ду в<д

частоти тестуючого струму змщення. В той же час аналЬ вкладу шум ¡в електрожки зчитування показав, що суттеве П1двищення частоти струму змщення СКВ1Ду в ¡мпульсному режим") обмежене елементною базою електрожки зчитування.

4. Виконаний деталыний анал!з РК в пстерезисних СКВ1Дах дозволив врахувати вплив джозефсоншськоГ ¡ндукгивносп, реально! форми ВАХ при оптим1зацн параметр1в ГРК з метою .одержання максимально! глибини модуля цн частоти та досягнення високо! диференц!ально! чутливост! по магжтному потоку. При цому також показано, що шунтуючий ^¿-ланцюг не обмежуе чутливост! СКВ1Ду в режим'| РК.

5. Проведен! теоретичж та експериментальм! дсслдакення режиму РК у СКВ1Дах послугували основою для створення нового класу СКВЩ^ магжтометричних систем - рк-СКВ1Д|в, як! мають високу швидкод!ю, хорошу енергегичну чутлив1сть, високу перешкодозахнщен!сть, просту конструкфю.

6. В результат! анал!зу роботи ¡мпульсно-релаксацжного СКВ1Д-магн!тометра отримано анал!тичний вираз для петльового коеф!ц1ента тдсилення магжтометра з роз!мкненим колом 33, що дозволяс проектувати коло 33 з наперед заданими параметрами. ПроаналЬовано вплив нестаб!льност! струму зм1щрй<йя на вих!дний сигнал магнетометра та

запропоноваж схемж решения, яю дозаоляють не ильки усунути цеи ефект, але й шдвищити коефщтнт перетворення СКВЩу.

7. На 6aai розробленого ¡мпулзсно-релаксацшного магжтометра, з .урахуванням виконаного розрахунку наведених в 6iocacenToMeTpi магжтних полш, проведеного анал!зу i екслерименгальних досгнджень 6i6cacenroMeipie як з коакаальним, так i з планарним град1ентометрами створено кр'юелектронний комплекс для бюсасептометричних дослщжань, який вдоначаеться гнучмстю i ужверсальжстю при тдготовц! експерименпз, з потенц!йною можлив'/стю переведения його на ВТНП СКВЩи.

8. Продемонстрооана можлиз1Сть проведения за допомогою розробленого бюсасептсметра дослщжень як магж'тно'Г 6ionciT, так i магжтоплетизмографм. При цьому рееструвались переобтяження зашзом печжки, BMicT його у пацкнпа у HOpMi, наявн'|сть залЬа в серцевому м'язи Вперше вмконаж вмнрювання МПГ серця в змшному пол1 намагжчування, а також МПГ печжки.

ПУБЛ1КАЦИ ПО TEMI ДИСЕРГАЦМ

Основн! положения дисертаци викладен|' в таких публ!кац1ях:

1. Войтович И.Д., Королев А.Н., Сосницкий В.Н., Сутковой П.И. Устройство для исследования зависимости критического тока джозефсоновского контакта от магнитного поля // Запоминающие устройства. - Киев: ПК АН УССР, 1980.-С. 63-67.

2. Будник Н.Н., Минов Ю.Д., Сосницкий В.Н., Сутковой П.И. Исследования релаксационных колебаний в двухконтактных СКВИДах// Физико-технологические вопросы кибернетики. - Киев: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР, 1984. - С.48-53.

3. Magnetic susceptibility investigations of human blood and internal organs / V.N. Sosnitsky, I.P. Lubyanova, Minov Yu.D., ... P.I. Sutkovoj // Superconductive electronics and biomagnetism. - Kiev, 1994. - P. 63-76.

4. Computer-Aided Biomagnetic Investigation Systems / I.D. Vojtovich, V.N. Sosnitsky, Yu.D. Minov, P.I. Sutkovoj et all. // Control systems and mashines (USIM). - 1995. - N3. - P.31-46.

"5. Registration of iron ferromagnetic impurities / V.N. Sosnitsky, P.I. Sutkovoj, O.M. Mikhajlik et all. // Clinical and Laboratory Haematology. - 1995. - N17. - P.378-379.

6. Войтович И.Д., Сосницкий B.H., Сутковой П.И., Нижеиковский И.В. Импульсный магнитометр // Материалы 13 Междунар. конф. "Физика низких температур и криоэлектроника". - Йена, 1981. - С.203-207.

7. Войтович И.Д., Минов Ю.Д., Сосницкий В.Н., Сутковой П.И. Анализ характеристик импульсного магнитометра на релаксационных колебаниях // Материалы 16 Междунар. конф. "Физика низких температур и криоэлектроника ". - Йена, 1984. - С. 143-148.

-lf>

«

8. Быстродействующий импульсно-релаксационмый веберметр / И.Д. Войтович, В.Н. Сосницкий, ... П.И. Сутковой // Материалы 18 Междунар. конф. "Физика низких температур и криоэлектроника".- Йена, 1986.- С. 115-120.

9. System for magnetic susceptibility investigations of human blood and liver / V.N. Sosniisky, N.N. Budnik, ... P.I. butkovoj // Book of abstracts 10-th Intern. Conf. on Biomagnetism Biomag96.- Santa Fe (New Mexico, USA), 1996.- P.197.

10. Registration of iron overload by means of SQUID-magnetometry when coupled with low-temperature ESR spectroscopy / E.A. Bakai, V.N. Sosnitsky, ... P.I. Sutkovoj // Book of abstracts 10-th Intern. Conf. on Biomagnetism Biomag96,- Santa Fe (New Mexico, USA), 1996,- P.198.

11. Анализ характеристик однородна намагничивающих систем для "магнитной биопсии"/ С.С. Романович, В.Н. Сосницкий, ... П.И. Сутковой // Ф1зичж методи та засоби контролю матер1алш та вироб!в: Матер1али доп. наук.-техн. конф. - Ки'|'в-Льв'ш: Вид-во Дослщного Центру MinoceiTH УкраТни, 1996,- С. 90-91.

12. А.с. 1031314 СССР, МКИ3 G 01 R 33/08 Магнитометр / И.Д. Войтович, В.Н, Сосницкий, П.И. Сугкоаой и др. - Заявл. 16.12.01.

13. А.с. 988072 СССР, МКИ3 G 01 R 33/035 Сверхпроводящий магнитометр / В.Н. Сосницкий, П.И. Сутковой. - Заявл, 08.06.81.

14. А.с. 1274467 СССР, МКИ4 G 01 Р 33/035 Сверхпроводящий магнитометр / Ю.Д. Минов, В.Н. Сосницкий, Г1.И. Сутковой. - Заявл. 26.11.84.

15. Сосницкий В.Н., Романович С.С., Иванова СЛ., Будник Н.Н., Сутковой П.И., Минов Ю.Д. Исследование наведенных магнитных полей биологических обьектов. - Киев, 1995. - 2бс. -(Препр./ Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины; 95-5).

СПИСОК ЦИТ0ВАН01 ill ГЕР АТУ РИ

1. Gutmann P., Kose V. Graizfltifjosung von SQUID mit Hysterese // PTB Mitteilungen. - 1980. - N1, - S.1-6.

2. Снигирев О.В. Предельная чувствительность СКВИДоа постоянного тока на туннельных джозефсоновских переходах // Радиотехника и электроника. - 1984. - N11. - С. 2216-2223.

3. Vernon F.L., Pedetsen K.I. Relaxation oscillations in Jovephson ¡unctions // J. Appl. Phys. - 1968. - 39, N6. - P.2661-2664.

4. Krivoj G.S., Koinashko V.A. RF pump SQUID with lar{je output signal // Mod. Phys, Lett. - 1991. - B5. - P.365-37X

5. Gudoshnikov S.A., Maslennikcv Yu.V., Serrmnov V.K., Snigirev O.V. «nil Vasiliov A.V.// IEEE Trans. Magn.- 1939. - 25.- P. 1178.

ГШ. Сугковой РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНО-РЕЛАКСАЦИОННЫХ СКВИД -МАГНИТОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ !N VIVO.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.00 - вычислительные машины, системы и сети, элементы и устройства вычислительной техники и систем управления, Институт кибернетики имени В.М.Глушкова НАН Украины, Киев, 1996.

Защищается 23 научные работы и 5 авторских свидетельств, коюрые содержат результаты исследований в области разработки СКВИД-магнитометрических систем и их использования для изучения наведенных магнитных полей биологических объектов. Предложено новое направление СКВИД-магнитометрии - использование импульсно-релаксационного режима работы СКВИДа. Высокие динамические характеристики разработанного импульсно-релаксационного СКВИД-магнитометра позволили создать криоэлектронный комплекс для изучения магнитной восприимчивости биологических тканей in vivo на переменном поле намагничивания. Продемонстрировано его использование в клинических условиях для исследования содержания железа в печени, крови, сердечной мышце.

P.I.Sutkovoj DESIGN AND INVESTIGATION OF PULSE-RELAXATION SQUID-MAGNETOMETER SYSTEMS FOR MAGNETIC SUSCEPTIBILITY STUDY OF BIOLOGICAL TISSUES IN VIVO.

Dissertation work for a Scientific Degree of the Candidate of the Technical Science to be earned. Speciality: 05.13.08- computers, systems and nets, elements and devices of computer technology and control systems. V.M.Glushkov Institute of Cybernetics of the National Academy of Sciences of the Ukraine, Kyiv, 1996.

Twenty-three scientific papers and five inventions are defended, that contain results of investigations in region of SQIJID-magnetometer systems design and their application for biological object's induced magnetic field study. The new direction of SQUID-magnetometry has been proposed - the utilization of pulse-relaxation SQUID's operating mode. Designed pulserelaxation SQUID-magnetometer's high dynamic properties have allowed to construct cryoelectronic complex for magnetic susceptibility study of biological tissues in vivo with the alternating magnetization field. It's utilization for study of iron contents in a liver, a blood and a heart muscle have been demonstrated in the clinical conditions.

Ключов! слова:

нлдпровдамсгь, СКВ1Д, биомагнетизм, магжтна спрнйнятливгсть.