Устройство для определения координат магнитных наночастиц, расположенных в поражённых раком клетках биологического объекта

Полезная модель относится к измерению магнитных сигналов организма или его частей для диагностических и лечебных целей.
Известно устройство (патент РФ №2587902) для обнаружения, измерения или определения местонахождения одного или нескольких заданных типов раковых клеток или биологических веществ in vivo, содержащее: а) намагничивающую подсистему, сконфигурированную для намагничивания наночастиц, которые связаны с одним или несколькими заданными типами раковых клеток или биологических веществ у пациента; b) сенсорную подсистему, сконфигурированную для обнаружения остаточного магнитного поля в области пациента после того, как несвязанные наночастицы вернутся к случайной намагниченности, и в течение времени перехода связанных наночастиц от однородной к случайной намагниченности, с) систему управления и анализа, сконфигурированную для анализа остаточного магнитного поля для обнаружения, измерения или определения местонахождения одного или нескольких заданных типов раковых клеток или биологических веществ у пациента.
Недостатком данного устройства является сложность, а также невозможность точного определения координат местонахождения одного или нескольких заданных типов раковых клеток.
Технической задачей заявляемого решения является упрощение конструкции и повышение точности определения координат раковых клеток.
x
y
z
Указанный технический результат достигается тем, что предложено устройство для определения координат магнитных наночастиц в пораженных раком клетках биологического объекта, содержащее экранирующую камеру, намагничивающую систему, охлаждающую систему, сенсорную систему, систему управления и преобразования сигналов. Согласно заявленному решению сенсорная система выполнена из N СКВИДов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), установленных на трех магнитно-прозрачных элементах, расположенных в трех взаимно ортогональных плоскостях XY и XZ, YZ, при этом СКВИДы установлены по осям X, Y, Z на заданных расстояниях d, d, d соответственно и размещены с возможностью последовательного включения и снятия сигнала через ключи управления, каждый из СКВИДов представляет собой магнитометр-градиометр, сформированный на изолирующей подложке, содержащий входной контур и измерительный контур, причем измерительный контур состоит из К джозефсоновских структур и индуктивно связан с входным контуром, представляющим собой два равных витка из сверхпроводящей пленки, включенных навстречу друг другу, на центральной перемычке которых расположены К джозефсоновских структур, включающих К+1 слабую связь и К контуров квантования, а на внешней части подложки размещен экранирующий контур, при этом магнитно-прозрачные элементы выполнены с внутренней стороны со слоем теплоизоляции, а с наружной стороны с двумя слоями: охлаждающим слоем и слоем теплоизоляции, слой теплоизоляции выполнен в виде вакуумной оболочки, измерительный контур содержит от 72 до 120 джозефсоновских структур и индуктивно связан с входным контуром, представляющим собой два равных витка из сверхпроводящей пленки, включенных навстречу друг другу, на центральной перемычке которых расположены от 72 до 120 джозефсоновских структур, включающих от 72+1 до 120+1 слабую связь и от 72 до 120 контуров квантования соответственно, охлаждающая система выполнена с обратной стороны изолирующей подложки в виде охлаждающего слоя, который содержит катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов с возможностью подключения к источнику электрического напряжения, при этом вся изолирующая подложка со сформированными на ней системой из N СКВИДов с двух сторон заключена в вакуумную оболочку из немагнитного материала, содержащую контактные электроды.
Возможность достижения технического результата обеспечивается за счет увеличения амплитуды выходного сигнала и повышения чувствительности на предельных значениях динамического диапазона измерений, повышения точности измерений, стабильности и надежности работы СКВИДа с К джозефсоновскими структурами через сверхпроводящую пленку контактирует с входным контуром, представляющим собой два равных витка из сверхпроводящей пленки, включенных навстречу друг другу, на центральной перемычке которых расположены К джозефсоновских структур, которые индукционно связаны с входным контуром, а на внешней части подложки размещен экранирующий контур. Для ввода тока смещения и тока модуляции используются внешние прижимные или паяные контакты, индуктивно не связанные с приемным контуром и выполненные из золота или платины, при этом устраняются внешние шумовые сигналы от подводящих электродов из нормального металла. При таком выполнении СКВИД магнитометра-градиометра увеличивается амплитуда выходного сигнала (как на дифракционной решетке) и повышается чувствительность на предельных значениях динамического диапазона измерений. При этом повышается точность измерения благодаря увеличению отношения сигнал/шум К параллельно расположенных джозефсоновских структур, кроме того повышается стабильность работы и надежность за счет взаимозаменяемости каждой пары, а дополнительный внешний контур экранирует от внешних электрических и магнитных помех, так как он изготовлен из сверхпроводящей пленки.
Работа СКВИД магнитомера-градиометра основана на зависимости критического напряжения на К-контурном СКВИДе от величины внешнего магнитного потока, наведенного во входном контуре. Повышенная чувствительность магнитометра к изменяющемуся магнитному потоку достигается тем, что контур квантования СКВИД состоит из К джозефсоновских структур, а для такой системы известно, что колебания напряжения и тока в каждом из джозефсоновских переходов синхронны и связаны с внешним магнитным потоком. Поэтому напряжение, при котором возникают ступеньки с током на ВАХ равно сумме напряжений отдельных переходов, т.е. оно возрастает пропорционально К+1, где К+1 - количество слабых связей, это ведет к более быстрому росту амплитуды джозефсоновской генерации от измеряемого магнитного потока. При этом мощность генерируемого сигнала растет пропорционально К+1 квадрат, а шумовое напряжение пропорционально корню из К+1, и тем самым улучшается соотношение сигнал/шум.
На фиг. 1 представлена общая схема сенсорной системы. На фиг. 2 представлено сечение А-А сенсорной системы, изображенной на фиг. 1, снабженной охлаждающим слоем и слоем теплоизоляции (вакуумная оболочка). На фиг. 3 представлен СКВИД магнитометр-градиометр, используемый в заявляемом устройстве.
x
y
z
Сенсорная система выполнена из N СКВИДов - 1, установленных на трех магнитно-прозрачных элементах - 2, расположенных в трех взаимно ортогональных плоскостях XY и XZ, YZ, при этом СКВИДы установлены по осям X, Y, Z на заданных расстояниях d, d, d соответственно и размещены с возможностью последовательного включения и снятия сигнала через ключи управления - 3, каждый из СКВИДОВ представляет собой магнитометр-градиометр, сформированной на изолирующей подложке - 4, при этом магнитно-прозрачные элементы выполнены с внутренней стороны со слоем теплоизоляции - 5, а с наружной стороны с двумя слоями: охлаждающим слоем - 6 и слоем теплоизоляции. СКВИД магнитометр-градиометр, используемый в заявляемом устройстве сформирован на изолирующей подложке - 4, содержащий входной контур - 7, с электродами тока смещения 8 и 9, измерительный контур - 10, с электродами тока модуляции 11 и 12, измерительный контур состоит из К джозефсоновских структур и индуктивно связанных с входным контуром, представляющим собой два равных витка из сверхпроводящей пленки, включенных навстречу друг другу, на центральной перемычке которых расположены К джозефсоновских структур, включающих К+1 слабую связь - 13 и К контуров квантования - 14, а на внешней части подложки размещен экранирующий контур 15.
x
y
z
Устройство для определения координат магнитных наночастиц работает следующим образом: предварительно включается система охлаждения и при достижении заданной температуры обеспечивающей сверхпроводимость СКВИДОВ (например, при температуре жидкого гелия или жидкого азота) биологический объект с предварительно введенными магнитными частицами - 16 (фиг. 1) располагается под тремя магнитно-прозрачными элементами, расположенных в трех взаимно ортогональных плоскостях XY и XZ, YZ на которых установлено N СКВИДов, при этом СКВИДы установлены по осям X, Y, Z на заданных расстояниях d, d, d, затем с помощью экранирующей системы закрывается от всех внешних источников магнитных полей, затем с помощью намагничивающей системы производится намагничивание предварительно введенных магнитных наночастиц, после этого система управления и преобразования сигналов через ключи управления снимает магнитные сигналы от биологического объекта с помощью сенсорной системы состоящей из N СКВИДов обрабатывает, вычисляет и сохраняет координаты магнитных наночастиц вместе с координатами других источников магнитных полей за заданный интервал времени.