Прилад мієлофон з творів Кіра Буличова був заснований на надзвичайно рідкісних кристалах і дозволяв читати думки оточуючих. Можливо, фантаст був недалекий від істини: за допомогою надчутливих датчиків магнітного поля, що розробляються в Російському квантовому центрі, можна буде реєструвати дуже слабкі біоструми - в перспективі, і в мозку.
Після того як лікар вимовляє «Давайте знімемо кардіограму!», Ви вже прямуєте до кушетки і збираєтеся знімати черевики і сорочку, щоб медсестра змогла закріпити на грудях і кінцівках десяток електродів. Але все виявляється зовсім не так: ви підходите до сусіднього столу, поруч з яким на тримачі закріплена невелика коробочка. Проходить кілька секунд - і все, кардіограма знята. Ніяких крісел, ніяких проводів, ніяких електродів.
Та й сама ця кардіограма теж непроста: з її допомогою лікар може більш ніж за добу виявити ознаки швидкого інфаркту, може побачити ознаки протікає безсимптомно ішемічної хвороби серця. За своєю інформативності така коробочка може дати результат, який можна порівняти з можливостями самого дорогого і складного діагностичного комплексу - позитрон-емісійного томографа. Це картина з зовсім близького майбутнього: вже зараз в лабораторіях Російського квантового центру вчені працюють над діючими прототипами магнітних сенсорів, які в майбутньому зможуть слухати не тільки серце, але, можливо, і мозок.
Як працює сенсор на основі феримагнетика
Основний елемент сенсора - плівка з феримагнетика. Для створення сенсорів використовують ферит-гранат з іонами рідкоземельних металів, наприклад ітрію, лютецію або тулия. Монокристалічного плівку феррит-граната вирощують за допомогою методу епітаксії на спеціальній підкладці з галій-гадолиниевой граната. Кристалічна підкладка відрізняється тим, що майже не має дефектів, це «найправильніший» кристал, відомий сьогодні. В результаті вирощена плівка позбавлена неоднорідностей. Щоб зробити сенсор, потрібно створити на поверхні плівки спеціальний рельєф - це непросте завдання, оскільки плівка відрізняється винятковою твердістю. Отриманий квадрат плівки розміром в десяток міліметрів поміщають всередину керуючих котушок, які створюють обертове з частотою в сотні кілогерц зовнішнє магнітне поле. Воно змушує намагніченість цієї плівки теж описувати коло. В результаті магнітні моменти мільярдів атомів починають обертатися в унісон. Якщо сенсор виявляється навіть в дуже слабкому зовнішньому магнітному полі, то в цьому обертанні виникає асиметрія, з'являються гармоніки, які реєструються самими керуючими котушками. Ще більшою чутливістю володіє метод реєстрації за допомогою лазерного променя: коливання намагніченості змінюють інтенсивність відбитого лазерного випромінювання.
Від струмів до полів
Винахід електрокардіографії (ЕКГ) в кінці XIX - початку XX століття вперше дозволило медикам в прямому ефірі спостерігати за роботою серця. Електричні струми, що проходять по серцю в міру його скорочень, відбивалися на фотоплівці (а потім на папері) у вигляді чергувань піків - їх форма могла вказувати на ішемічну хворобу серця, на інші типи уражень. Однак у ЕКГ при всьому її зручність були і залишаються істотні недоліки. Наприклад, з її допомогою ми можемо реєструвати не всі струми, а тільки ті, які течуть у бік електродів, що знімають показання. Крім того, ЕКГ фіксує не самі струми безпосередньо, а різницю потенціалів на шкірі, які пов'язані з струмами серця лише опосередковано. В результаті у ЕКГ виникають «сліпі зони», ділянки серцевого м'яза, стан яких не видно або видно недостатньо добре в загальноприйнятої електрокардіографії. Через це медики не могли, наприклад, виявляти деякі типи «безсимптомною» ішемічної хвороби серця і деякі інші патології.
Ферит-гранатова плівка на предметному столику мікроскопа. Це основа надчутливих сенсорів магнітного поля.
У 1963 році двоє американських вчених - Герхард Боул і Річард МакФі - спробували вперше обійти цю проблему і вловити НЕ різниця потенціалів на шкірі, а магнітні поля, які породжуються безпосередньо струмами в серцевому м'язі. Вони використовували магнітні котушки з металевими сердечниками, але результати виявилися більш ніж скромними: індукція магнітного поля, яке генерують біоструми, становить лише 10-14-10-10 Тл (для порівняння: величина магнітного поля Землі близько 5 • 10-5 Тл). Тому на першій стадії вчені фіксували в основному шуми. Ситуація покращилася, коли магнітокардіограмму спробували зняти в спеціальній кімнаті, ізольованій від зовнішніх магнітних полів, але в клінічний метод МКГ перетворилася тільки з появою СКВИДов (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), надпровідних магнітних датчиків, які фіксували надслабких магнітні поля (до 1014 Тл) завдяки квантовому ефекту Джозефсона.
Схема надчутливих сенсорів магнітного поля.
Історія клінічної практики магнітокардіографії не була простою - багато лікарів раніше заявляли, що цей метод не дає істотного поліпшення діагностики в порівнянні з ЕКГ. Однак останні дані, особливо японських медиків, де магнітна діагностика поширена ширше, вказують, що МКГ дає істотні переваги.
СКВІДи дозволили створити перші медичні кардіографи, придатні для широкого використання в клінічній практиці. Однак навіть сучасні прилади такого типу вкрай дороги (вони коштують близько $ 1-1,5 млн), для їх роботи потрібно, щоб датчики, джозефсоновские контакти, перебували в надпровідного стану. А це означає, що Магнітокардіограф вимагають складної і дорогої кріогенної системи, що працює з рідким гелієм. Ці пристрої можна порівняти за складністю і дорожнечею з комп'ютерним томографом, і при всіх своїх перевагах вони начисто програють звичайної електрокардіографії, оскільки та значно дешевше і простіше.
Дешево і чутливо
Група вчених з Російського квантового центру (РКЦ) знайшла спосіб вирішити цю проблему: вони створили високочутливі магнітні сенсори, здатні працювати при кімнатній температурі, компактні і в сотні разів дешевші, ніж техніка на базі СКВИДов. «Ми використовуємо квантовий ефект - обмінна взаємодія в тонких плівках з феримагнетиків, що складаються з заліза і рідкоземельних металів», - говорить доктор фізико-математичних наук Володимир білотіла, керівник групи «Магнітооптика, Плазмоніка і нанофотоніка» РКЦ, доцент кафедри фотоніки та фізики мікрохвиль фізичного факультету МГУ ім. М.В. Ломоносова. Феримагнетики - «проміжний» матеріал між феромагнетиками і антиферромагнетиками. Якщо в феромагнітному матеріалі магнітні моменти атомів за рахунок квантового обмінного взаємодії шикуються в одному напрямку (так виходять постійні магніти), а в антиферомагнетиках магнітні моменти сусідніх атомів спрямовані в протилежні сторони і компенсують один одного, то в феримагнетиках вони компенсуються лише частково.
Сенсори, які створює група Володимира Белотелова, зроблені з монокристаллической плівки ферит-граната R3Fe5O12 (R позначає рідкоземельні елемент). Щоб детектувати зовнішнє магнітне поле, магнітні моменти атомів в цій плівці розкручують керуючими котушками до частоти в сотні кілогерц. В результаті в плівці виникають мільярди узгоджено обертаються і прецессирует «Волчков» - атомів. «Якщо сенсори виявляються в зовнішньому магнітному полі, навіть дуже слабкому, то воно породжує асиметрію в цій прецесії. Виникає асиметрія і реєструється - або самими котушками, в яких з'являються так звані кратні гармоніки, або за допомогою лазера », - пояснює Володимир білотіла. Другий метод точніше, але і складніше: прецесія намагніченості змінює поляризацію відбитого від плівки лазерного променя. Цей метод забезпечує цілком достатню чутливість для магнітокардіографії - 10-11-10-13 Тл. Зараз вчені працюють над проектом, підтриманим Російським науковим фондом (РНФ), який так і називається «Надчутливі сенсори магнітного поля для магнітокардіографії».
Дослідження спінових хвиль в ферит-гранатових плівках в лабораторії магнітооптики Російського квантового центру - передній край сучасної науки. Результати цих досліджень допоможуть зробити прориви в самих різних областях технології.
Сенсор такого типу вже створений, але на шляху до серійного виробництва має бути ще багато зробити: потрібно, наприклад, змусити сенсори не "чути" магнітне поле Землі, поля електричних і електронних приладів - весь той магнітний шум, який нас постійно оточує. Для цього датчики будуть працювати в групі. Поле серця набагато сильніше залежить від точки в просторі (воно більш неоднорідне), ніж магнітний шум. Тому картина з групи сенсорів дозволяє після математичної обробки «відняти» перешкоди. Але спершу потрібно відкалібрувати датчики, навчити їх працювати хоча б в «тепличних умовах».
Тепличні умови в даному випадку - це гігантський металевий контейнер з дверима 10-сантиметрової товщини. Це розташована в напівпідвалі будівлі Російського квантового центру безмагнитная камера, всередині якої три людини і експериментальне обладнання ізольовані від магнітного поля Землі. За словами Володимира Белотелова, магнітоізолірующая камера послаблює зовнішнє поле приблизно в тисячу разів. Вчені вже намагаються зняти магнітну кардіограму у щурів: пацюка, попередньо приспавши, укладають на дошку, в якій знаходиться датчик. Починається експеримент: учені паралельно знімають «звичайну» і магнітну кардіограму. «Це тільки перший крок, нам ще потрібно навчитися відсікати перешкоди і шуми, очищати корисний сигнал, але ми розраховуємо, що вже через пару років у нас буде готовий до виробництва прилад», - каже Володимир білотіла.
Робота для феримагнетика Можливі застосування надчутливих магнітних сенсорів зовсім не обмежуються медичними приладами, зазначає колега Белотелова, Петро Ветошко, який запропонував використовувати для сенсорів плівки ферит-граната. За його словами, один з можливих варіантів використання - дефектоскопія. Сенсори можуть відчувати дуже слабкі варіації намагніченості, що виникають на мікроскопічних тріщинах в металі. Зараз для магнітної діагностики металевих конструкцій використовуються сенсори на базі СКВИДов, тому це досить дорогий метод дослідження (його використовують, зокрема, для пошуку дефектів в конструкціях космічних апаратів). Застосування сенсорів на базі феррит-гранатів може зробити цей спосіб дефектоскопії значно доступнішими. Магнітні сенсори можуть використовуватися в системах передачі інформації, наприклад, на підводні човни за допомогою так званих наднизькочастотних магнітних хвиль. Крім того, магнітні сенсори можуть вирішити проблему обміну даними з електронікою бурових снарядів. Дані на буровий снаряд, який знаходиться на глибині в кілька кілометрів під землею, не можна передавати за допомогою проводів - ніякі кабелі не витримують навантажень. Зараз для цього використовуються коливання тиску в бурової рідини - спеціальний клапан створює їх, а датчик тиску перетворює їх в електричні сигнали. Однак швидкість передачі даних при цьому не перевищує одного біта в секунду. Магнітні сенсори можуть вирішити цю проблему, значно підвищивши швидкість передачі інформації.
Серце і мозок
Однак вчені не планують зупинятися на досягнутому. Група Белотелова вже працює над ще більш чутливими сенсорами - з використанням плазмонів. Якщо на монокристалічних магнітну плівку нанести тонкий шар металу з прорізами, то при взаємодії з лазерним випромінюванням на кордоні двох середовищ виникають квант-поляритони - квазічастинки, що представляють собою стійкі колективні коливання електронного газу, що взаємодіє з фотонами електромагнітного поля. «Поляритону дуже чутливі до зміни магнітного поля», - каже білотіла. За його словами, використання цієї технології дозволить вирішити значно складніше завдання, ніж створення Магнітокардіограф, - магнітоенцефалографія (Мег), тобто зчитування коливань магнітного поля, що породжується дуже слабкими струмами в мозку.
Зараз для реєстрації цих слабких струмів використовується електроенцефалографія (ЕЕГ), але вона має ті ж недоліки, що і ЕКГ: по електричним потенціалом на шкірі голови потрібно відновити, які струми протікають в глибині мозку. Можна, звичайно, вживити електроди прямо в мозок - такий метод іноді використовується в наукових експериментах (наприклад, для управління протезами), але цей спосіб навряд чи підходить для рутинних обстежень. Уміння більш точно реєструвати електричні струми в мозку відкриває масу можливостей - від створення дійсно зручних інтерфейсів «мозок-комп'ютер» і «читання думок» до маси медичних застосувань. Плазмонів датчики можуть забезпечити необхідне для цього мікрон просторову роздільну здатність, але за це треба буде платити зниженням чутливості. «Щоб зробити крок в сторону магнітоенцефалографії, нам потрібно підняти чутливість датчиків на три порядки величини. Це завдання, над якою ми зараз думаємо », - каже Володимир білотіла.
Стаття «На шляху до мієлофоном» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2015 ).
