Новый прибор размером с бусину сможет с высокой точностью измерять сердечные колебания и выявлять по ним заболевания человека на ранних стадиях или в процессе их протекания. В отличие от аналогичных существующих СКВИД-систем, которые сегодня используются в магнитокардиографии и занимают целую комнату, разрабатываемое устройство может быть установлено на тело пациента и передавать полученные данные по wi-fi.
Разрабатываемый магнитокардиометр будет состоять из высокочувствительного магнитоэлектрического датчика размером с бусину — примерно 5 х 5 мм² — и схемы обработки, передачи сигнала на монитор доктору в виде магнитокардиограммы. Для этого датчик будет устанавливаться на на грудину пациента в область сердца и предоставлять прямые, непосредственные замеры.
Прибор будет способен улавливать даже самые слабые амплитуды сердечных колебаний за счет новой технологии. Она заключается в использовании крутильной моды, подключенной к ферромагнитному резонансу. Сегодня эти два эффекта применяются в различных датчиках измерения физических величин по отдельности. Ученые же и студенты Политехнического института Новгородского университета смогли добиться их совместной работы и получить в результате высокую чувствительность устройства.
Но обо всем по порядку.
В чем ноу-хау разработки?
— Сердечные колебания создают очень слабые магнитные поля. И чтобы их измерить, нужно повышать чувствительность измерительной аппаратуры, — прокомментировал Мирза Имамович Бичурин, научный руководитель проекта и Лаборатории микро- и нанотехнологий ИНТЦ «Валдай» НовГУ, где ведется разработка. — Наш проект как раз направлен на то, чтобы разработать ткаой магнитокардиометр, который будет измерять мизерные значения магнитного поля — до уровне нескольких пикотесл (1пТл = 10-12 Тл) и фемтотесл (1фТл=10-15Тл). А также на измерение данного сигнала при низкой частоте менее 1 Гц. Первую задачу мы планируем решить с помощью использования эффекта магнитоакустического резонанса. Для этого мы совместим сигнал от крутильной моды электромеханического резонанса в пьезоэлектрической компоненте с сигналом от ферромагнитного резонанса в магнитной компоненте магнитоэлектрической структуры. Предварительные оценки показали возможность получить при таком совпадении гигантское усиление входного сигнала. Вторая задача будет решена с помощью схемного блока. Для этого планируется применение смесителя сигналов, выделение низкочастотного полезного сигнала, дальнейшее его усиление и передачу по Wi-Fi.
Как измеряются низкочастотные колебания сердца сейчас?
С помощью СКВИД-систем, громадной аппаратуры размером с комнату, которая работает при температурах жидкого гелия. Этот полупроводниковый датчик способен так же измерять слабые магнитные поля на уровне пикотеслы и фемтотеслы. Однако такое оборудование дорого стоит и требует больших затрат на техобслуживание. Поэтому оно есть не во всех странах и функционирует в основном на базе серьезных научно-медицинских центров.
— Сегодня в мире сделано много магнитоэлектрических датчиков, которые измеряют магнитные поля в широком спектре — от минимальных до максимальных значений, — отметил Мирза Имамович Бичурин. — Но добиться высокочувствительных измерений в компактных размерах пока не удавалось никому.
Как добавили разработчики, такая магнитокардиограмма вместе с электрокардиограммой дадут полную картину сердечного состояния человека. Благодаря этому можно будет выявлять сердечно-сосудистые заболевания пациента на ранних стадиях.
Кроме применения в биомедицине, новое устройство сможет эффективно применяться в науке, технике, геодезии и других областях, где нужны точные измерения малых или сверхмалых значений физических величин (давления, силы тока, магнитного поля и других).
Текущий статус — планы
На данный момент разработчики подбирают подходящую пьезоэлектрику и другие материалы для устройства. Уже успешно протестирован эффект получения крутильной моды на биморфной структуре ниобата лития. В следующем году запланирована работа с ферромагнитным резонансом, схемотехникой и внешней конструкцией устройства. В 2026 году к датчику будут подключен модуль wi-fi для передачи полученных данных оператору по беспроводной сети. А затем начнется его внедрение в региональные медучреждения и тандемная работа с врачами для усовершенствования устройства.
Все работы проводятся за счет средств гранта Российского научного фонда в размере 7 млн рублей, которые команда разработчиков выиграла на региональном этапе в 2024-ом на три года реализации.
Ученые Политехническог института НовГУ также ведут совместную научно-исследовательскую работу по магнитноэлектрическим датчикам вместе с коллегами из Нанкинского университета науки и технологии (Китай). Вместе с ними они планируют разработать высокочувствительные датчики для подводных лодок, геодезии и промышленности.
Автор: Елена Странникова