автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка и оптимизация импульсно-релаксационной СКВИД-магнитометрической системы для биомагнитных и кардиологических исследований

рг а Ой

Національна академія наук України Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова

На правах рукопису

УДК 537.31.2.62 621.317.42

МІНОВ Юрій Дмитрович

РОЗРОБКА ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ІМПУЛЬСНО-РЕЛ А КАСАЦІЙНОЇ СКВІД-МАГНІТОМЕТРИЧНОЇ СИСТЕМИ ДЛЯ БІОМАГНІТНИХ ТА КАРДІОЛОГІЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

05.-13.М — обчислювальні машини, системи, мережі, елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті кібернетики імені В. М. Глущ-кова НАН України.

Наукові керівники: член-кореспондент НАН України,

доктор технічних наук, професор ВОЙТОВИЧ І. Д.,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник СОСНИЦЬКИЙ В. М.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

БОНДАРЕНКО С. І.,

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ЧЕБОРИН О. Г.

Провідна організація: Інститут металофізики НАН України.

9.У у

Захист відбудеться «—-—. 199 /р 0 ------------------------------

год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 01.39.04 при Інституті кібернетики імені В. М. Глушкова НАН України за адресою:

252022 Київ 22, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічному архіві інституту.

? з * * о

Автореферат розісланий «——» с- 199 /^р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Гуменюк-Сичевськи.й В, І.

Актуальиїсть теми.

Створення нових наукоемких технологій, розробка та вдосконалення нових методів діагностики й неруйнівного ксніролю для потреб

народного господарства і медицини неможливі без розвитку засобів вимірювальної техники, заснованих на використанні нових фізичних ефектів. Одним з перспективних напрямків у галузі вимірювань надслабких магнітних полів є використання ефекту квантової інтерференції у

надпровідниках. Надпровідникові квантові інтерференційні детектори (СКВІДи) мають чутливість на рівні (10-: 15) 15 Тл/^Гц, що дозволяє реєструвати навіть надслабкі магнітні поля, пов'язані з біологічною активністю живих організмів. Беручи до уваги той факт, uto магнітні поля практично не спотворюються біологічними тканинами, а вимірювання безконтактне та пасивне, можна стверджувати, що дослідження з використанням СКВ'Д-магнітометрів є новим напрямком вивчення життєдіяльності біологічних об’єктів, здатним дати нову, найбільш повну інформацію, яку неможливо одержати традиційними засобами. В результаті виконання цієї дісертаційної роботи стало можливим одержати таку інформацію про серцево-судинну систему людини, що послугувало основою для розробки нових методів діагностики її захворювань.

Перша магнітокардіограма (МКГ) була зареєстрована в 1970 році в США. З того часу йшло безперервне вдосконалення з відповідним підвищенням коштовності вимірювальної техніки, засобів машинної обробки та подання інформації, методик проведення вимірювань. Зараз у світі активно працюють декілька біомагнітних лабораторій, які проводять дослідження з використанням СКВІД-магнітометричних систем: в США, Фінляндії, Германії, Нідерландах, Росії, Італії, Україні, Японії та інших країнах. Для нормальної роботи вони звичайно потребуюсь коштовних магнітоекранованих камер, висококваліфікованого обслуговування та-безперервного охолодження чутливих елементів системи рідким гелієм. Усі ці фактори обмежують застосування таких систем у клінічних умовах, незважаючи на визнану діагностичну значущість. Тому є досить важливим створення СКВІД-матітометра, здатного працювати в умовах промислових завад міської клініки, без магнітного екранування. Головними перешкодами на цьому шляху слід вважати флуктуації магнітного поля Землі з амплітудою близько 3-Ю"13 Tc/V Гц поблизу нульової частоти, значну амплітуду промислової завади 50 Гц, а також шум, пов'язаний з роботою асинхронних двигунів, зміною навантаження в електричній мережі та ін. існує кілька методів боротьби з переліченими шумами (використання антен градієнгометричного типу, обмеження смуги

частот, адаптивна цифрова фільтрація та ін.), проте обов'язковою умовою успішного застосування цих методів є значний динамічний діапазон вимірювальної системи при відсутності спотворювань у вимірювальному сигналі. Існує протиріччя в одночасному вимірюванні надслабкого сигналу і сильної завади, яка перевищує його на 4г5 порядків. Його можна подолати вибором відповідного принципу роботи та побудови СКВІД-магніто|изтричної системи.

Вирішальною умовою успішною використання вимірювальної системи в клінічній практиці е нескладне налагодження і обслуговування, стабільність параметрів системи та постійна готовність до роботи.

, На виконання цих умов впливають принцип роботи та складність електронної схеми магнітометра, а також ступінь автоматизації процесів налагодження і вимірювання. Стабільність параметрів системи безпосередньо пов'язана з постійністю у часі параметрів СКВІДу та астатизмом вимірювальної антени, який не повинен змінюватись під час коливань рівня гелію в кріостаті та термоциклювань. Так, вимірювальні СКВЩ-системм фірми Сименс та Філіпс (Германія), ВТІ (США) потребують постійного підтримування у кріостаті температури рідкого гелію, що є необхідною умовою збереження їх параметрів та довговічності,

Під час МКГ-досліджень слід звернути увагу на вплив 1/f шуму, який’ може призвести до значних змін нульового рівня, що неприпустимо при вирішенні цілого ряду завдань діагностики. Усі ці питання розглядаються в представленій роботі. .

Мета роботи. Розробка та оптимізація імп'’пьсно-релаксаційної

СКВІД-магнітометричної кардіологічної системи, здатної працювати в умовах промислового міста без магнітного екранування, проведення клінічних досліджень.

Наукова новизна. -

1. Результети досліджень та оптимізації імпульсно-релаксаційного

режиму роботи гісгерезісного СКВІДа з позитивним потоковим зворотним зв'язком дозволили в кілька разів збільшити коефіцієнт перетворення

вхідного сигналу в частоту релаксаційних коливань (РК) та знизити вплив флуктуацій струму живлення на вихідний сигнал.

2. Аналіз шумових властивостей СКВІДа показав, що наявність в

реальному магнітометрі сильного негативного зворопнло зв’язку усуває зворотний динамічний вплив інтерферометра на індуктивність вхідної

котушки.

3. Експериментальні дослідження діаграм спрямованості ірадіентомегрг> першого порядку довели, що існує сильна залежність

потокової чутливості антени від кута між магнітним диполем і вертикальною віссю. '

4. Запропонована конструкція механізму балансировки

градієнтометра дозволила усунути вплиь змій рівня гелію в кріостаті на ступінь балансу антени. ’

5. Використання в трансформатор: потоку надпровідної

пластини спеціальної форми (концентратора потоку) дозволило збільшити значення параметра зв'язку, а також використовувати вхідні котушки, значно більших розмірів, ніж вхідний контур СКВІДу.

6. Використання біомагнітної вимірювальної системи в умовах кардіологічної клініки дозволило розробити нові діагностичні методи та критерії оцінки стану серцево-судинної системи людини.

Новизна технічних рішень підтверджена трьома авторськими

свідотствами на винаходи.

Практична цінність. 1. Використання одержаних результатів дозволяє оптимальним чином проектувати чутливі елементи та вхідні ланцюги РК СКВІД-магнітометрів.

2. В результаті проведених досліджень розроблено імпульсно-релаксаційний СКВІД-мггнітометр "Курс-М’’, який є основою вимірювальної кардіологічної системи.

3. Розроблена та впроваджена в клінічну практику автоматизована СКВІД-магнітометрична система, за допомогою якої. проведено діагностичне обстеження більше 600 пацієнтів. Завдяки цьому створено нові методи діагностики серцево-судинних захворювань.

Основні положення, що виносяться на захист.

1. Результати досліджень РК СКВІДів з додатковим позитивним

зворотним зв'язком, які дали змогу послабити вплив флуктуацій струму живлення й збільшити в кілька разів ухил керуючої характеристики, що зменшило вплив шумів з боку електронного блока. •

2. Результати оптимізації конструкції трансформатора потоку, які сприяють підвиі іенню чутливості СКВ!Д-магнітсмзтра.

3. Розрсблена Імпульсно-релаксаційна СКВІД-магнітометрична кардіологічна система для клінічних досліджень в умовах електромагнітних перешкод промислового міста.

Апробаціл роботи. Осювні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на:

- Х+ХУІІІ (1983-Т-1995) семінарах з прикладної надпровідності, м.Київ;

-Міжнародних симпозіумах "Фізика низьких температур і кріоелектроніка" (Йена, НДР, 1983,1984,1986);

-V Всесоюзній нараді "Проблеми створення перетворювачів форми інформації",(Київ, 1984); .

-І! нараді наукового центру ’СКВІД" по прикладним дослідженням (Свердловськ, 1989);

' -Європейській конференції з прикладної надпровідності (EUCAS'93), (Геттінгем, Германія, 1993);

-Kill ІМЕКО World Congress (Турін, Італія, 1994);

-European Iron Club (Гамбург, Германія, 1995);

-Науково-технічній конференції фізичні методи і засоби контролю матеріалів та виробів" (Львів, 1996);

-Міжнародній конференції "Biomag-96" (Санта Фе, США,1996).

Магнітометр "Курс-М" експонувався на Лейпцігському осінньому ярмарку і був відмічений великою Золотою медаллю.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 32 наукові праці і одержано 3 авторські свідотцтва на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, заключення, списку літератури та додатка. Робота викладена на 105 сторінках машинописного тексту і включає 42 рисунки. '

Зміст дисертації.

У вступі наведені приклади застосування СКВІД-магнітометрів як інструменту для дослідження нздслабких магнітних полів. Обгрунтовані переваги його застосування для дослідження полів біологічних об'єктів. Це в першу чергу надчутливість (10^-15)" 5 Тс/\'Гц, безконтактність, пасивність, можливість отримувати найбільш достовірну інформацію про джерело сигналу.

Як класичний приклад електричної та магнітної активності біологічного об’єкта розглянуто виникнення хвилі деполяризації в серцевому м’язі. Показані переваги МКГ з динамічним картуванням перед ЕКГ. Сформульовані основні напрямки вдосконалення СКВІД-магнітометрів. Сформульована мета дисертаційної роботи.

В першому розділі розглядаються основні рівняння, що характеризують динаміку виникнення РК в нешунтованих джозефсо-нівських контактах. Одержано рівняння для періоду РК з урахуванням впливу джозефсоніоської індуктивності Lc, ємності контактів С та нормального опору Rn.

Запропоновано та досліджено метод введення додаткового позитивного зворотного зв'язку (ДПЗЗ) в схемі ГРК з метою послаблення впливу на вихідний сигнал флуктуацій струму живлення. Для

цього базисна схема ГРК (рис.1) модифікується шляхом зміни схеми підключення СКВІДу до шини живлення (рис.2).

1 2 Рис. 1. Сім’я керуючих характеристик для базисної схеми СКВІДа

Рис. 2. Сім’я керуючих характеристик для модифікованої схеми СКВІДа

У даній схемі за рахунок індуктивного зв'язку шини живлення із СКВІДом у нього вводиться додатковий магнітний потік:

Фь. = М, Іь (1)

Частота РК залежить тепер від струму живлення Іь як безпосереднио, так і через додатковий магнітний потік Фь, (1). Сенс такого підключеним полягає у видозміні функції Р(ІЬ) з метою зменшення похідної аг/сііь - сІР/с1Іь + (СІР/СІІС) (сіІсАіФь,) (2)

ІФШ

10 ‘

вйА/

/ у /11 и А

МНг

_____1.____

0 5 1 0 1 5 2.0

Рис. 3. Залежність коефіцієнта перетворення нестабільності струму живлення СІШІДа у частоту РІС

Рис. 4. Належність частоти ГІ’К під струму живлення Іь

Розрахунок показує, іцо на сигнальній характеристиці існують області, в яких виконується умова dF/d!b = 0. На рис.2 наведена експериментально знята сім'я керуючих характеристик для схеми ГРК з ДПЗЗ при кількох значеннях струму живлення Іь.

Результати досліджень впливу нестабільності струму живлення Іь на частоту ГРК для схеми з ДПЗЗ в залежності від положення робочої точки на керуючій характеристиці наведені на рис.З. На залежність сіф0 /dlb (F) у точці, відповідній частоті РК 0,9 МГц, вплив нестабільності струму живлення на вихідний сигнал був мінімальним і ие перевищував 5 -104 Ф0 /мкА. Для цього випадку залежність частоти РК (рис.4) від струму живлення Іь (крива 2), має характерну поличку, відповідну частоті 0,9 МГц. В межах полички відбувається стабілізація частоти РК. Крива 1 відповідає иідеутності ДПЗЗ, крива 3 - наявності сильного ДПЗЗ. Застосування стабілізації частоти РК дозволило значно спростити схему джерела струму живлення- та послабити вплив електромагнітних перешкод на ланцюги живлення СКВІДу. Крім того, з метою підвищення чутливості РК СКВІДа нами була запропонована та досліджена схема ГРК, яка дозволяє значно збільшити ухил керуючої характеристики та зменшити шуми, що проникають з боку електронного блока. Це досягається ввімкненням додаткової індуктивності зв’язку у шунтуючий ланцюг (рис.5).

Рис.5. Сім’я керуючих характеристик ГРК для кількох значень струму

При цьому в кожному періоді РК струм, що повертається з індуктивності шунта у СКВІД під час переключення ДГ) в надпровідний стан із резиствного, через індуктивний зв'язок із СКВІДом вносить в ньшо додатковий магнітний потік:

F MHz

4

2

живлення

ФЬ2 = М2 1с (3)

Керуюча характеристика зміщується вздовж осі магнітного потоку в той чи інший бік о залежності від напрямку магнітного потоку фь2 (3). При цьому мінімуми керуючої характеристики зміщуються вздовж потоку на величину М2 Іс тах, а максимуми - тільки на величину М2 !ст|„. Крутий схил має довжину по магнітному потоку Ф„/2-М2 (Іс ,пах - Іс а пологий ^о/2+М2 (іс тм - 1с тп). Ці висновки мають експериментальне підтвердження (рнс.5).

. Сім'я керуючих характеристик ГРК з додатковою індуктивністю в шунтуючому ланцюгу для декількох значень струму живлення представлена на рис. 5. При взаємоіндукції між СКВІДом і додатковою котушкою Мг=60нГн одержано збільшення коефіцієнта перетворення з 10 мГц/Фс до ЗО мГц/Ф0 і збільшення роздільної здатності по потоку з 5 •10 б Фо/л'Гц до З Ю'6 Ф0П Гц.

Запропоновані методи можуть бути використані для суттєвого покращення характеристик СКВІД-магнітометра на РК.

Другий розділ дисертації присвячений розробці принципу побудови кріоелектронного магнітометра на основі підносно низькочастотних (одиниці мГц) СКВІДіа. Розглянута робота магнітометра як послідовне перетворення магнітного потоку (МП) у частоту РК, формування імпульсів однакової вольт-секундно'і площі, інтегрування послідовності імпульсіа і перетворення вихідної напруги інтегратора у МП зворотного зв'язку (33). Одержано вираз для петльового коефіцієнта підсилення при розімкнутому 33:

С=2уГитоК1К2(гаКзС1+Х)/^К£К4К5(о)Е1С1+1)(мК2С2+1), (4)

де у- глибина модуляції частоти РК; ІТ, г амплітуда та'довжина імпульсів на виході формувача; К£, І£- опір НЗЗ і струм НЗЗ, що виробляє квант МП в СКВІДІ; К^С; - елементи інтегратора.

Вимірено максимальну швидкість стеження за вхідним сигналом, яка дорівнювала приблизно 2-Ю5 Ф„/с на частоті б кГц. Така велика швидкодія притаманна тільки магнітометру на РК. На рис. б представлені залежності швидкодії 33 та коефіцієнта підсилення Э від частоти сигналу.

Проведено аналіз енергетичної чутливості РК СКВІДу з урахуванням присутності в реальному магнітометрі сильного НЗЗ. Показано, що шум РК СКВІДа визначається класичним тепловим режимом роботи при температурі 4,2 ’К та нерівно важними флуктуаціями, пов'язаними з РК, які додатково підвищують шумову температуру СКВІДа. Наведені основні робочі характеристіки РК-магнітометра " КУРС-2М".

Коефіцієнт перетворення магнітний потік-частота - 20 МГц/Ф0; динамічний діапазон - 140 дб; роздільна здатність по МП - 5 цФ0/л,Гц; чутливість до магнітного поля - ЗОГГ/'/Гц; смуга частот по рівню 3 дб -(Н50 кГц; максимальна швидкодія - ке менше З Ю6 Ф0/с.

Описаний процес калібровки магнітометра та наведені параметри калібровочмої котушки, за допомогою якої була проведена атестація магнітометра, що виявила відносну похибку вимірювання величини магнітної індукції у межах 2,2%.

-401______і_______і------ 4

2 3 4 6

част ота, Ід Т

Рис. 6. Частотні характеристики РК-магнітометра "Курс-М"

Аналіз недоліків, властивих магнітометрам з використанням принципів ВЧ- і ПТ- СКВІДів, показує, що імпульсно-релаксаційний режим роботи найкращим чином забезпечує вимоги, які ставляться до кріоелектронних вимірювальних систем у випадку їх роботи в умовах високого рівня електромагнітних перешкод промислового міста. Це в першу чергу висока швидкодія, значний динамічний діапазон при чутливості, близькій до чутливості ПТ-СКВ!Дій.

У третьому розділі проведено оптимізацію СКВІД-детектора як одного з найважливіших елементів магнітометра. Вирішено проблему узгодження СКВІДа, що працює в режимі РК, з імпульсним підсилювачем. Для цього схема ДМП (рис.7) доповнена двома опорами і [?2. Коли СКВІД перебуває у надпровідному стані, опори Р1 і Я2 ввімкнені паралельно і їх сумарний опір становить 50 Ом. Це забезпечує добре узюдження ДМП з мікрокабелем та підсилювачем імпульсів. Крім того, той самий сигнальний мікрокабель з хвильовим опором 50 Ом використовується водночас для подачі до СКВІДа струму живлення. Вхідна котушка трансформатора потоку затушована опором близько 2 Ом, що

разом з вхідною індуктивностю утворює ФНЧ з частотою зрізу близько 100 кГц. .

Рнс.7. Електрична схема ДМП з вимірювальною антеною: 1-коаксіальігай мікрокабель, 2-ніобійові термінали,

З та 4- відповідно внутрішній та зовнішній надпровідні

екрани.

Оптимізована конструкція трансформатора потоку з урахуванням індуктивності вимірювальної антени та геометрії тонкоплівкового СКВІДу. Наведені результати експериментальних досліджень залежності коефіцієнта зв'язку трансформатора потоку від відстані в між вхідною котушкою і контуром СКВІДа. Дослідження проводились для одношарової та двошарової вхідних котушок, намотаних ніобійовим дротом діаметром 50 мкм. Вони підтвердили розрахунки, згідно з якими • коефіцієнт зв’язку змінюється несуттєво майже до відстані в, приблизно рівній радіусу дроту вхідної котушки. Результати досліджень представлені ма рис.8.

к

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3

0.2 0.1

б, ткт

Об 16 26

Рис.8. Графік залежності коефіцієнта зв’язку трансформатора потоку від товщини ізоляції: 1-одношарова, 2- двошарова вхідні котушки.

Запропоновано і досліджено метод коригування індуктивності надпровідної вхідної котушки за допомогою свинцевої пластини

спеціальної форми, з напізрозрізом вздовж осі симетрії. Використання додаткової надпровідникової пластини дозволило не тільки коригувати індуктивність вхідної котушки, але й використовувати котушки значно більших розмірів, ніж вхідний контур СКВІДа. В цьому випадку пластина певним чином концентрує магнітний потік котушки в центральному отворі контура СКВІДа,

Четвертий розділ присвячений практичним кардіологічним дослідженням, здійснюваним з використанням імпульсно-релаксаційної СКВІД-магнітометричної системи. Наведено технічні характеристики та опис конструкції багатоканального вводу в комп'ютер аналогових сигналів від кріоелектронних магнітометрів "Курс-2М" та електрокардіографа.

Описано програму вводу та первинної обробки біомагнітометричної інформації, за допомогою якої здійснюється керування пристроєм багатоканального вводу аналогових сигналів для забезпечення прийому сигналів по МКГ- та ЕКГ- каналах з заглушенням мережевої перешкоди в МКҐ каналі і підвищенням відношення сигнал/шум за рахунок накопичення. Програма оформлена у вигляді модуля АУЕ92.0ВІ, працює в режимі реального часу, забезпечуючи оперативну обробку та відображення сигналів безпосередньо в процесі вимірювань, це скорочує час обстеження пацієнта і обробки інформації та зменшує об'єм пам’яті, необхідної для збереження даних. .

Для заглушення мережевої завади використовується цифровий п'ятиполосний фільтр з номінальними частотами 50, 100, 150, 200 і 250 Гц. Ширина смуги заглушення на рівні бдб дорівнює ±0.235375 Гц. Частоти, вищі 250 Гц, у вхідному сигналі відсутні, тому що перед пристроєм вводу знаходиться аналоговий фільтр нижчих частот.

■ Описані склад, конструкція, особливості розміщення і роботи кардіологічної системи. Усі елементи системи позиціонування та вимірювального стояка виготовлені з немагнітних матеріалів (дерево, текстолит, калролон). Вжиті заходи , що зменшують сейсмічні впливи на вимірювальний стояк з кріостатом.

- Описано порядок приймання і запису магиітокардіосигналів. Для реєстрації МКГ, їх первинної обробки і підготовки інформації, яка необхідна для інтерпретації експериментальних даних і медичної діагностики, використовуються три блоки програм:

-введення в ПЕОМ і попередня обробка МКГ ;

-морфологічний аналіз кривих МКГ та побудови миттєвих карт для різних інтервалів кардіоциклу;

-побудова електродинамічних моделей серця і оцінка їх параметрів, локалізація джерел аритмогенної активності міокарду .

В залежності від вимог лікаря - оператора можуть бути обрані наступні режими роботи:

-синхронне накопичення даних МКГ і референтного каналів з частотою дискретизації 500 або tCOO Гц безперервною тривалістю до З хвилин;

-накопичення даних з використанням процедури real-time усереднення; _

- трипале накопичення сигналів з метою виявлення повіль-нопротікаючих процесів і наступного дослідження ■ методами аналізу часових рядів (частота дискретизації 125 Гц, час запису 10 хвилин).

Описано основні МКГ-вимірюаання з використанням

біомагнітиої системи. Це діагностика порушень процесу реполяризації передсердь та шлуночків, ризик-аналіз, аналіз ST-T сегмента, діагносіика перевантаження залізом крові методом МКГ-картування, виявлення додаткового шляху проведення при WPW синдромі.

-м 1 / / а

\rj \ \ Ь

Рис. 9. а- МКГ здорової людини, б- МКГ з перевантаженням крові залізом

На рис. 96 наведено приклад МКГ у випадку перевантаження кроні залізом, що спостерігається у людей з професійними захворюваннями.

Описано перспективні напрямки робіт з використанням

біомагнітиої вимірювальної системи. Разом з НІЩ 'СОНАР" проводились дослідження динаміки розподілу і накопичення дрібнодисперсних феромагнітних матеріалів в організмі шарин.

Проводились експеримент по вивченню за допомогою СКЙІД магнітометра електрохімічних процесів, »окрема процесу коропі.

Виявлено високу чутливість методу і можливість дослідження динаміки процесу корозії в різноманітних матеріалах і електролітах.

Висновки .

1. Запропоновано методи та експериментально досліджені можливості направленої зміни керуючої характеристики ГРК. Введення позитивного зворотнього зв’язку у шунтуючий ланцюг детектору дозволило збільшити крутизну схилу керуючої характеристики з 10 до ЗО МГц/Ф0. Результати досліджень дозволили усунути вплив флуктуацій струму живлення СКВІДа на частоту РК. Так, у діапазоні 10% зміни струму живлення, коефіцієнт перетворення його у вихідний сигнал не перевищував 5-10' Ф0/мкА.

’ 2. У результаті аналізу та експериментальних досліджень режиму РК

у гістерезисному двохконтактному СК8ІДІ розроблений і створений магнітометр,. що має високі динамічні характеристики: швидкість відсте-ження вхідного сигналу - 3-10° Ф0/с, смуга пропускання - 0-50 кГц, внутрішня роздільна здатність по потоку - не гірше 5-Ю'6 Фо/Гц1/2, динамічний діапазон - 140 дБ .

3. Проаналізовані шумові властивості РК СКВІДа. Показано, що наявність в реальному магнітометрі си/іьного негативного зворотнього зв’язку усуває зворотній динамічний вплив інтерферометра на індуктивність вхідної котушки. .

, 4. Оптимізоааио конструкцію чутливого елементу магнітометра -детектора магнітного потоку (ДМП). Вирішені питання узгодження ДМП з імпульсним підсилювачем. Застосування у трансформаторі потоку надпровідної пластини спеціальної форми (концентратора потоку) дозволило збільшити коефіцієнт зв'язку та використати котушки, що перевищують розміри вхідного контуру НКІ.

5. Проведено експериментальні дослідження просторової чутливості планарного градієнтометра 1-го порядку при обертанні магнітного диполя (котушки зі струмом) навколо його осі. Результати експерименту виявили сильну залежність величини сигналу градієнтометра від куга між магнітним диполем та вертикальною віссю.

6. В результаті опгимізації конструкції антенного блоку досягнуто високої стабільності параметрів балансировки при термоциклюваннях вимірювального зонду.

7. На основі імпульсно-релаксаційного СКВІД-магнітометра створено вимірювальну біомагнітну кардіологічну систему, що включає в собі СКВІД-магнітомеТр "КУРС-2М”, пристрій багатоканального вводу сигналу в ПЕОМ, цифровий адаптивний фільтр, пристрій позиціонування та пакет прикладних програм. За допомогою вимірювальної системи обстежено більше ніж 600 пацієнтів, підтверджено діагностичну значущість магнітокардіоі рафії та

розроблено методичні рекомендації по її застосуванню.

За темою дисертації опубліковано 32 наукові праці і одержано З авторські свідоцтва на винаходи.

Основний зміст дисертації представлено у наступних роботах:

1. Войтович И.Д., Минов Ю.Д., Сосницкий В.Н. Релаксационные колебания в СКВИДах// Proc. XV Int.Symp. Low Temp.Phys. and Cryoelectronic - Jena: FSU (Germany), 1983- P.7-32.

2. Войтович И.Д., Минов Ю.Д., Сосницкий B.H., Сутковой П.И. Анализ характеристик импульсного магнитометра на релаксационных колебаниях//Тез. докл. на 16 Междунар. конф. "Физика низких температур и криоэлектроника",- ГДР, 1984-С.37-41.

3. Войтович И.Д., Сосницкий .Н.,Миноа Ю.Д., Сутковой П.И. Интегральный криоэлектронный детектор магнитного потока // Физико-технологические принципы создания компонентов ЭВМ.- Киев, i986.- С.42-45.

4. А.с. 1243509 СССР МКИ3 G 01 R 33/035 Сверхпроводящий генератор/ Ю.Д. Миноа, В.Н. Сосницкий, П.И.Сутковой.-Заявлено 26.11.84.

5. будник Н.Н., Минов Ю.Д., Сосницкий В.Н., Сутковой П.И., Коррекция управляющей характеристики релаксационного СКВИД-детектора//Радиотехника и электроника.-1993. -Вып.8.- С. 1526-1531.

6. Gapeljuk A.V., Primin М.А.,.Sosnitsky V.N, Vojtovich I.D., MinovYu.D A SQVID - magnetometer system used to diagnosticute some carc.al deseases//European Conference on Applied Superconductivity EUCAS'93-Gottingen, Germany, 1993. P.461.

7. Budnik N.N., Sutkovoj P.I., Sosnitsky V.N., Vojtovich I.D., Minov Yu.D Pulse-relaxation oscillation SQUID magnetometer// Proc. XIII IMEKO World Congress. - Torino (Italy), 1994-Vol.III. - P.2383-2387

8. Бобров В.А., Гапелюк А.В., Козловский В.И., Сосницкий В.Н., Миноа Ю.Д. и др. Магнитокардиография: Инструментальные средства и первое клиническое применение//Укр. кардиолог. журн.-1995.-М92-С.5-14.

9. Сосницкий В,Н.,Романович С.С.,Иванова С.Л.,Будник Н.Н., Минов Ю.Д., Сутковой П.И Исследование наведенных магнитных полей биологических обьектов.-Киев, 1995.-26 с.-(Препр./НАН Украины. Институт кибернетики им. В.М.Глушкова; 95-5).

10. V.N.Sosnitsky, N.N.Budnik,P.I.Sutkovoj,I.O. Vojtovich A.V.Gapeljuk, Yu.D.Minov, Computer-Aided Biomagnetic Investigation Systems// J. Control systems and mashines (USIM)- 1995.-N3-P.31-46.

11. Sosnitsky V.N., Gapelyuk A.V., Minov Yu.D., Stadnyuk L.A., Chaikovsky J.A The MCG mapping for individual choose of the antiarrhythmic drugs// Book of abstracts 10-th International Conference on Biomagnetism, Biomag96- Santa Fe, New Mexico, USA, Febr. 16-21, 1996- P.242.

АННОТАЦИЯ

Мимов Ю.Д. Разработка и оптимизация импульснорелаксационной СКВИД-магнитометрической системы для

биомагнитных и кардиологических исследований.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.08 - вычислительные машины, системы, сети, элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Институт кибернетики им. В.М.Глушкова НАН Украины, г.Киев,1997г.

Защищаются 32 научные работы и 3 авторских свидетельства, которые содержат сведения о разработках и исследовииях измерительных СКВИД-магнитометрических устройств для исследований сверхмалых магнитных полей, связанных с деятельностью биологических объектов, в частности сердечно-сосудистой системы человека. Предложены и исследованы методы коррекции управляющей характеристики СКВИД-магнитометра, работающего в режиме релаксационных колебаний, позволившие существенно улучшить метрологические характеристики магнитометрической системы. Проведены клинические испытания системы, показавшие ее диагностическую значимость.

ABSTRACT

Yu.D. Minov DESIGN AND OPTIMIZATION OF PULS E-RELAXATION SQUID-MAGNETOMETER SYSTEM FOR BIOMAGNETIC AND CARDIOLOGICAL INVESTIGATIONS, a manuscript.

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.GIushkov Institute of Cybernetics of the National Academy of Sciences Of the Ukraine, Kyiv, 1997.

Thirty-two scientific papers and three inventions are defended, that contain results of design of measurement SQUID-magnetometer devices for investigations of superweak magnetic fields induced by biological objects (in particularly, human heart). Utilization of pulse-relaxation SQUID's operating mode considerably increased it dynamic and noise properties. Methods of correction of SQUID control characteristics was proposed. All that allowed to metrological performances of magnetometer system. Above system was tested in clinical environment and was demonstrated diagnostic significance for heart diseases.

Ключові слова: надпровідність, СКВІД, магнітометр, релаксаційні коливання, магнітні вимірювання, иагжтокярдіографіійГ;, /