(57)【要約】      （修正有）【課題】室温で動作する薄膜磁界センサにより心磁界を計測する手段を提供する。【解決手段】誘電体基板をミアンダ型導体と地導体ではさんだ構造の伝送線路と、ミアンダ型導体に電気的絶縁層を介して配置した軟磁性薄膜と、該軟磁性薄膜へバイアス磁界を印加し心臓近傍の体表面に配置するバイアスコイルと、ＤＭＴＤ法による位相差計測回路もしくは時間差計測回路により構成される磁界センサを組み合わせることにより心磁界を計測できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板をミアンダ型導体と地導体ではさんだ構造の伝送線路と、ミアンダ型導体に電気的絶縁層を介して配置した軟磁性薄膜と、該軟磁性薄膜へバイアス磁界を印加し心臓近傍の体表面に配置するバイアスコイルと、ＤＭＴＤ法による位相差計測回路もしくは時間差計測回路により構成されることを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
アモルファスのコバルト（Ｃｏ）とニオブ（Ｎｂ）とジリコニウム（Ｚｒ）からなる磁性薄膜であり、その異方性磁界が２  Ｏｅ（１５９  Ａ／ｍ）以下である請求項１記載の軟磁性薄膜で構成される磁界センサ。
【請求項３】
１ターンのミアンダ型導体である請求項１記載のミアンダ型導体で構成される磁界センサ。
【請求項４】
センサヘッドを人体胸部へ非磁性体の固定具で近接配置し、心磁界を計測することを特徴とする請求項１または２または３のいずれかに記載の磁界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、心磁界等の生体磁気信号計測の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の心磁界等の生体磁気信号は超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）によって専ら測定されてきたが、ＳＱＵＩＤは非常に高価であり、液体ヘリウムや液体窒素等により冷却をしなければならないため、汎用性の点で問題があった。出願者らは従来のミアンダ型磁気インピーダンスセンサをＤｕａｌ  Ｍｉｘｅｒ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ法（ＤＭＴＤ法）との組み合わせで位相差計測（時間差計測）を適用した
【特許文献１】。しかし従来のミアンダ型磁気インピーダンスセンサは磁性薄膜へ直接キャリア電流を通電する構造であり、高抵抗で、共振しやすい特徴から、ノイズが増大しやすく、高いＳＮ比を得ることは困難であった。また直線状伝送線路型センサとＤｕａｌ  Ｍｉｘｅｒ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ法（ＤＭＴＤ法）とを組み合わせることによりセンサの磁界感度が１０-12  Ｔ／Ｈｚ1／2台の分解能に相当することを示した
【非特許文献１】。しかしこの方法では直線状伝送線路を用いて磁界検出を行うものであり、センサの長さが不足し、信号レベルを十分に確保することが困難であった。またこの方式では生体等の被測定対象にセンサを近接配置することが困難であった。さらにセンサ素子を共振構造とすることによる高感度化も提案した
【特許文献２】、
【非特許文献２】。しかしこの方法ではセンサ素子を共振構造とするとセンサからのノイズレベルが増大し、生体磁気信号の低周波磁界(主として１Ｈｚ〜２０Ｈｚ)において必要なＳＮ比を確保することは困難であった。
【特許文献１】特開２００５−９１１５６号公報
【特許文献２】特願２００６−６２００２号公報
【非特許文献１】小澤哲也，馬渡宏，薮上信，石山和志，荒井賢一，日本応用磁気学会論文誌，ｖｏｌ．２９，  ８３１−８３７  （２００５）．
【非特許文献２】村山芳隆，小澤哲也，薮上信，石山和志，荒井賢一，日本応用磁気学会誌，ｖｏｌ．３１，  １７−２２  （２００７）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
生体磁気信号計測は液体ヘリウム等で冷却されるＳＱＵＩＤによって実現されているが、コスト、汎用性、ヘッドのアクセス性等の課題があった。このためＳＱＵＩＤを用いた生体磁気信号は大学病院等の大病院のみで実施され、その普及は限定的なものとなっている。本特許ではこの課題を室温で動作する汎用性のある薄膜磁界センサで達成することを目的とする。室温で動作する本薄膜センサで心磁界等の生体磁気信号が計測できれば、コストは劇的に低価格化され、一般病院等へも普及可能な医療機器となりうると考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明では、ミアンダ型に構成した伝送線路と異方性磁界を低減した磁性膜により構成される伝送線路型センサと、Ｄｕａｌ  Ｍｉｘｅｒ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ法（ＤＭＴＤ法）による高精度時間差計測を組み合わせることにより、生体磁気信号計測に必要な高いＳＮ比を得ることを意図した。ミアンダ型導体により回路共振よりも低バイアス側で動作させ、通電するキャリア周波数は使用する磁性薄膜の強磁性共鳴周波数に同調させることで所望のＳＮ比を得ることができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明により低コストで製作可能な室温で動作する薄膜磁界センサにより心磁界等の生体磁気信号が計測できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態として一実施例を図1〜図９に基づいて説明する。
【０００７】
図1は試作したセンサ素子の構造を示したものである。センサの伝送線路部分は1ターンのミアンダ型マイクロストリップ導体３、テフロン（登録商標）基板６、地導体５から構成され、レジストによる絶縁体７を介してアモルファスＣｏＮｂＺｒ２をマイクロストリップ導体３と近接配置する。マイクロストリップ導体３は特性インピーダンスが５０Ωとなるように、導体幅を１ｍｍとした。磁性薄膜はアモルファスＣｏＮｂＺｒ２をＲＦマグネトロンスパッタ法により２００Ｗ、Ａｒガス圧２０ｍｍＴｏｒｒで４μm〜８μm成膜し、磁界中熱処理によりアモルファスＣｏＮｂＺｒ２へ弱い一軸異方性を付与した。熱処理条件は回転磁界中熱処理を４００℃で２時間の後、静磁界中熱処理を２００℃で１時間行った。印加磁界は０．２Ｔとした。バイアスコイル１はマイクロストリップ導体３およびアモルファスＣｏＮｂＺｒ２を囲むように配置し、直径０．１ｍｍ銅線を約１７５０ターン巻き、２５ｍｍ×２５ｍｍの磁性膜の範囲内で磁界均一性が±１％以内となるように設計した。絶縁体７はレジスト（ＯＦＰＲ８００  １００ｃｐ）を約２μｍ堆積させた。
【０００８】
センサの位相変化はネットワークアナライザ（ＨＰ８７５２Ａ）)を用いてＳ２１を測定し、上記のバイアスコイル１へ直流電流を通電して、バイアス磁界を静的に変化させながら、位相変化の印加磁界依存性を測定した。微弱磁界の検出には図２に記載したＤｕａｌ  Ｍｉｘｅｒ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ法（ＤＭＴＤ法）を用いた。この回路はセンサ8へキャリアを印加すると同時に、別ルートにもレファレンスのキャリアを分岐し、２個のミキサ９で低周波化した後に、センサ８からの出力とレファレンス信号との時間差をタイムインターバルアナライザ１５（ＹＯＫＯＧＡＷＡ  ＴＡ７２０）で計測するものである。センサ８へ被測定磁界が印加されるとセンサ８から出力されるキャリアの位相が変化し、タイムインターバルアナライザ１５では時間差の変動として計測される。２台のシグナルジェネレータ(１３および１４)からキャリアとローカルキャリアを発生させ、それぞれを１５ｋＨｚ異なる周波数に設定した。周波数変換した信号はタイムインターバルアナライザ１５では１５ｋＨｚでサンプリングした。
【０００９】
図３は印加磁界に対する位相変化を示したものである。９９０ＭＨｚにおいて磁界に対する位相差の変化は最大となり、９０度／Ｏｅの位相変化率(磁界に対する感度)が得られた。
【００１０】
図４は１Ｈｚの微弱交流磁界を与えた際の実験方法の写真を示している。コイル１０は直径２ｍｍの銅線を直径５ｃｍの非磁性円筒に２０ターン施した。図５は１．８×１０−９  Ｔｏｐの微弱磁界を与えたときのセンサ８のスペクトルを示している。センサ8における磁界強度はループコイルにより別途校正した。１Ｈｚのスペクトルは１．８×１０−９  Ｔの信号磁界を示している。１Ｈｚ付近では１／ｆノイズが支配的である。信号レベルとノイズレベルの比率からＳＮ比は約６００得られており、３×１０−１２  Ｔの磁界検出分解能があることがわかる。
【００１１】
図６は健常者の胸部へ図1のセンサ8を近接配置した写真である。センサ８と人体は接触しないようにできるだけ近接させた。被験者およびセンサ８は磁気シールドルーム１１（遮蔽率：−１６ｄＢ（０．１Ｈｚ））内に置いた。ＤＭＴＤ法の機器および処理回路は磁気シールドルーム１１の外に置き、接続は５０Ω系の同軸ケーブルで接続した。図７は得られたセンサ8からの位相変化を時間領域で示したものである。１５ｋＨｚでサンプリングされた信号を２０ｍ秒間毎に平均化し、ハムノイズ（５０Ｈｚ成分）を除去した。図７によれば約1秒間隔で立ち上がりの早い心磁界のＲ波が観測されている。図８は図７の信号を高速フーリエ変換した周波数スペクトルである。１Ｈｚ付近の基本波とともに高調波成分が計測されている。上記から試作した薄膜磁界センサにより心磁界が計測できたと考えられる。
【００１２】
図９は本センサと心電計を同時に測定した際のスペクトルを比較したものである。被験者はシールドルーム11内で心電計を装着しながら、センサ8を胸部へ近接して計測した。心電図はディジタル生体アンプシステム（５２００シリーズ， ＮＦ回路設計ブロック）に，ＥＥＧヘッドボックスを接続して測定を行った。また測定の条件は、６０Ｈｚローパスフィルター、５０Ｈｚハム除去フィルターを設定した。心電計のスペクトルはＭＣＧとの比較のため１０−４倍してグラフ中に表記した。１Ｈｚ付近の基本波成分と２Ｈｚ付近の第２高調波成分の周波数がセンサのスペクトルと心電計のスペクトルにおいて、ほぼ一致した。これらの結果から本センサで計測された信号は心磁界であることが了解される。室温で動作する薄膜磁界センサとしては世界ではじめてのことと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】磁界センサの構造
【図２】ＤＭＴＤ法とセンサとの電気的接続
【図３】磁界に対する磁界センサの位相変化
【図４】磁界検出分解能を測定するための配置写真
【図５】１Ｈｚの微弱磁界を印加したときのセンサのスペクトル
【図６】心臓近傍にセンサを配置したときの写真
【図７】測定された心磁界
【図８】心磁界のスペクトル
【図９】心電計とのスペクトルの比較
【符号の説明】
【００１４】
１  バイアスコイル
２  アモルファスＣｏＮｂＺｒ
３  マイクロストリップ導体
４  コネクタ
５  地導体
６  テフロン（登録商標）基板
７  絶縁体
８  センサ
９  ミキサ
１０  コイル
１１  シールドルーム
１２  Ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔｅｒ
１３  キャリアＳＧ
１４  ローカルＳＧ
１５  Ｔｉｍｅ  Ｉｎｔｅｒｖａｌ  Ａｎａｌｙｚｅｒ（ＴＡ７２０）
１６  ＰＣ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図６】
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