В ПГУ создали высокочувствительный магнитометрический сенсор для ранней диагностики заболеваний сердца и мозга
Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) в сотрудничестве с Научно-исследовательским институтом электронно-механических приборов разработали высокочувствительный магнитометрический сенсор для регистрации сверхслабых магнитных полей, создаваемых биологическими токами в организме человека. С его помощью можно фиксировать биопотенциалы сердца и мозга, выявлять патологии на ранних стадиях, оценивать эффективность терапии и прогнозировать риски развития заболеваний. В ПГУ уже собрали прототип инновационного сенсора и проверили его потенциал.
В организме человека происходит множество процессов, создающих биопотенциалы —электрические сигналы, порождаемые работой органов и систем: сердца, мозга, мышц, нервной системы. Их регистрация через сопутствующие магнитные поля дает ценную диагностическую информацию. Так, магнитная кардиография позволяет бесконтактно выявлять ишемию миокарда и аритмии, а магнитоэнцефалография применяется для диагностики эпилепсии, мигрени и ряда психических расстройств.
Однако существующие датчики, например, датчики Холла или анизотропные магниторезистивные сенсоры (AMR), зачастую не обеспечивают нужного уровня чувствительности либо оказываются громоздкими и дорогостоящими.
«Измерение биопотенциалов открывает новые возможности в медицинской практике. Однако для надежного измерения таких сигналов требуются сенсоры исключительной чувствительности. Магнитные поля, генерируемые организмом, крайне слабы и лежат в диапазоне пико- и нанотесла», — рассказала один из разработчиков, аспирант ПГУ Анастасия Шепелева.
В основе сенсора, разработанного учеными ПГУ, лежит эффект гигантского магнитного импеданса (ГМИ). Его суть в том, что при пропускании высокочастотного тока через проводник — аморфное микроволокно — его электрическое сопротивление резко меняется даже под воздействием очень слабого внешнего магнитного поля. Благодаря этому эффекту сенсор способен фиксировать минимальные изменения магнитного поля, характерные для биопотенциалов.
«Сенсор измеряет сверхмалые магнитные поля в диапазоне ±5 эрстед с чувствительностью не менее 1000 мВ/Э. Такая чувствительность на несколько порядков превосходит показатели многих традиционных датчиков. Это делает устройство особенно перспективным для регистрации слабых биологических сигналов», — пояснила Анастасия Шепелева.
В ПГУ разработали собственную методику отбора волокон с характеристиками, максимально подходящими именно для ГМИ-датчиков. Исследователи подобрали оптимальные параметры, чтобы добиться наилучшей чувствительности и стабильности показаний.
Основной чувствительный элемент сенсора — аморфное микроволокно из сплава на основе железа и кобальта. Его диаметр тоньше человеческого волоса и составляет всего 10–90 микрометров. Аморфная структура, при которой атомы расположены хаотично, аналогично структуре стекла, придает материалу высокие магнитные свойства, необходимые для реализации эффекта ГМИ. Стеклянная диэлектрическая оболочка надежно изолирует микроволокно и защищает его от внешних воздействий, сохраняя при этом высокую чувствительность. Интеграция объемной микромеханики, тонкопленочной микроэлектроники и МЭМС-технологий позволяет создать компактную трехмерную структуру, в которой все компоненты оптимально взаимодействуют друг с другом.
На базе ПГУ уже изготовлены макетные образцы сенсоров сверхмалых магнитных полей. Ученые провели исследования технологии получения аморфного микроволокна, изучили выходные характеристики образцов.
«Это позволит перейти от макетных образцов к промышленному производству и сделать технологию доступной для широкого круга медицинских и исследовательских учреждений», — уверена руководитель исследования, заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника и метрология» ПГУ, доктор технических наук, профессор Екатерина Печерская.
По мнению ученых, портативные устройства на базе нового сенсора можно будет использовать не только в клиниках, но и дома, а также в машинах скорой помощи. Компактность и высокая чувствительность открывают путь к созданию систем долгосрочного наблюдения, в том числе имплантируемых кардиографов.
Проект реализуется в тесном сотрудничестве с ведущими вузами и индустриальными партнерами из Пензы, Зеленограда и Санкт-Петербурга.