FI89131B - Magnetometerdetektor och deras montage i en flerkanalig anordning foer maetning av maenskans hjaernfunktioner alstrande magnetfaelt - Google Patents

Description

1 89131

Magnetometrianturi ja niiden asennelma monikanavaiseen ihmisen aivotoimintojen synnyttämiä magneettikenttiä mittaavaan laitteeseen. - Magnetometerdetektor och deras montage i en flerkanalig anordning för mätning av mänskans hjärnfunktioner alstrande magnetfält.

Keksinnön kohteena on piille tehdyistä ohutkalvokomponenteista ja lasikui-5 dusta valmistettava anturielementti ja lasikuituinen tukirakenne, johon kiinnitettyinä elementit muodostavat magnetoenkefalografisiin (MEG) mittauksiin soveltuvan anturijärjestelmän. Tällaisia laitteistoja käytetään etenkin eliön hermotoiminnoista peräisin olevien heikkojen, ajasta ja paikasta riippuvien magneettikenttien detektoimiseen; menetelmän merkitys lääketieteellisessä 10 tutkimuksessa ja diagnostiikassa on tulossa yhä suuremmaksi. Erityisesti voidaan tutkia aivotoimintoja ja niiden häiriöitä ihmisessä ilman, että tutkittavaan henkilöön tarvitsisi koskea tai että häntä tarvitsisi altistaa elektromagneettiselle säteilylle tai radioaktiivisille merkkiaineille. Etuna laajalti käytössä oleviin niinikään aivojen sähköistä toimintaa kartoittaviin elektroenkefalo-15 grammeihin (EEG) eli kallon pinnalta mitattuihin sähköpotentiaalijakaumiin on se, että magneettisissa signaaleissa ihmiskudoksen johtavuusepähomogee-nisuuksista aiheutuvat vääristymät ovat verrattomasti pienempiä kuin EEGissä. Täten on mahdollista paikantaa aivotoimintoihin liittyviä lähdevirto-ja muutamien millimetrien ja millisekuntien paikka- ja aikaerottelukyvyllä. 20 Menetelmää on selostettu tarkemmin esimerkiksi julkaisussa CRC Critical Reviews in Biomedical Engineering, voi. 14 (1986), n:o 2, ss. 93-126.

Tällaisten laitteistojen tulee kyetä havaitsemaan magneettisia signaaleja, joiden vuontiheys on tyypillisesti 100 fT tai sen alle. Lisäksi mittaus on kyettävä tekemään samanaikaisesti useasta paikasta; jopa yli sadan magneettisen signaa-25 Iin mittaaminen yhtäaikaisesti eri puolilta päätä on tarpeen. Ainoa tunnettu laite, jolla on riittävä herkkyys näiden signaalien mittaamiseksi, on ns. suprajohtava kvantti-interferenssilaite eli SQUID-magnetometri. Moderni SQUID ja sitä syöttävät anturikelat valmistetaan mikropiirin tavoin integroituna ohut-kalvotekniikalla sopivalle alustamateriaalille, tyypillisesti ohuelle, tasaiseksi 30 hiotulle piilevylle (ks. esim. Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications, toim. H. D. Hahlbohm ja H. Lubbig, Walter de Gruyter, Berlin 2 89131 1985 ss. 729-759). SQUlD-magnetometrin toimintaa on selostettu laajalti esimerkiksi aikakauslehdessä Journal of Low Temperature Physics, voi. 76 (1989), n:o 5/6, ss. 287-386. Laite vaatii toimiakseen hyvin matalan lämpötilan. Yleisimmin laite on upotettuna tyhjöeristetyssä dewar-astiassa olevaan normaali-ilmanpai-5 neiseen nestemäiseen heliumiin, jolloin lämpötila on 4 K.

Tämän keksinnön kohteena on erityisesti mekaaniselta rakenteeltaan uuden-tyyppinen SQUID-magnetometrielementti ja devvar-astiaan asetettava, koko pään kattava tukirakenne, johon elementit kiinnitetään. Lähes kaiken mittausmenetelmällä saatavissa olevan informaation kerääviä, koko pään kattavia 10 MEG-laitteistoja ei ole toistaiseksi rakennettu. Eräs tällainen, yli sata yksittäistä magnetometrikanavaa käsittävän laitteiston runko, johon tässä kuvatut elementit ja tukirakenne voidaan kiinnittää, on kuvattu samanaikaisesti jätetyssä patenttihakemuksessa n:o 906340 .

Magnetometrielementissä on kyettävä mekaanisesti liittämään anturikelan ja 15 SQUIDin sisältävän ohutkalvon alustamateriaali, pari kolme senttimetriä halkaisijaltaan oleva ohut piisiru, eristävästä materiaalista valmistettuun alustaan, joka puolestaan liittää piillä olevat ohutkalvokomponentit mekaanisesti tukirakenteeseen ja sisältää sähköisiä kontakteja varten tarvittavat rakenteet. Piin ja alustan liitoksen tulee kestää toistuvat jäähdytykset huoneenlämpötilas-20 ta nesteheliumin lämpötilaan laitetta testattaessa ja huollettaessa. Piin vähäisen lämpölaajenemisen vuoksi ei näin suuren piipalan liittäminen eristemateriaaliin liimaamalla onnistu, koska eristemateriaalit supistuvat jäähdytettäessä yleensä paljon enemmän. Kaupallisesti saatavien liittimien mekaaninen kiinnittäminen suoraan piille ei myöskään ole mahdollista.

25 Magnetometrielementtien signaalikelojen tulee olla sijoitettavissa mahdollisimman lähelle dewar-astian pohjaa ja koko komponentin tulee olla matala. Ensimmäinen vaatimus johtuu tarpeesta minimoida anturielementin ja dewarin ulkopuolella aivoissa sijaitsevan magneettikentän lähteen välinen etäisyys, koska havaittava signaali on kääntäen verrannollinen tämän etäisyy-30 den kolmanteen potenssiin. Jälkimmäinen vaatimus selittyy tarpeesta saada magnetometrirunko sopimaan sisään mahdollisimman pienestä dewarin kaulasta heliumin kiehuman minimoimiseksi. Mikäli magnetometrillä halutaan mitata koko pään alueelta, edellyttää kanavien sijoittaminen pään vastakkaisille puolille dewarilta noin 25 senttimetrin sisähalkaisijaa lisättynä pään vastak- 3 35131 kaisilla puolilla sijaitsevien magnetometrielementtien korkeudella. Aikaisemmin toteutetuissa laitteissa on kanavaelementtien korkeus kiinnityselimineen ollut useita senttimetrejä. Näin suurihalkaisijaisen dewarin kiehuma aiheutuu jo pääosin suuresta kaulasta, joten kaulan pitäminen mahdollisimman 5 pienenä on käytön kannalta olennaista.

Toinen lähestymistapa olisi tehdä dewari siten, ettei magnetometrirunkoa lainkaan kuljeteta sisään kaulan kautta vaan se rakennetaan joko kiinteästi sisälle dewarin valmistusvaiheessa (EP0200958) tai tehdään dewarin tyhjöstä avattava (esim. Advances in Biomagnetism, toim. S. J. Williamson, M. Hoke, G. Stroink ja 10 M. Kotani, Plenum, New York 1989, ss. 677-679). Ensinmainittu vaihtoehto vaikeuttaa anturikelojen huoltoa tai tekee sen suorastaan mahdottomaksi. Kun lisäksi halutaan, että ainakin SQUIDejä voidaan huoltaa, täytyisi ne asentaa dewarin kaulasta ulos mahtuvaan osaan kauas anturikeloista ja kelojen ja SQUIDien välissä jouduttaisiin käyttämään monikanavaisia suprajohtavia liit-15 timiä, jotka eivät ole luotettavia. Avattava dewarin tyhjö taas muodostaa ilmeisen vaaratekijän. Näitä dewareita käytetään pienissä, melko suljetuissa magneettisesti suojatuissa huoneissa potilaiden läsnä ollessa, joten dewarin tyhjön murtumisella käytön aikana olisi vakavat seuraukset. Dewari on tehtävä mahdollisimman konventionaalisella ja luotettavalla tekniikalla.

20 MEG-laitteiden sekä tieteellisen että kliinisen käytön kannalta keskeinen tavoite on aivotoiminnasta aiheutuvan magneettikentän lähteiden mahdollisimman tarkka paikantaminen aivokuorella. Tämä tavoite saavutetaan vain, jos 1) mitataan kenttää alueelta, joka kattaa aivot kokonaan ja 2) jos mittalaitteen geometria ja sijainti aivoihin nähden on tarkoin tunnettu. Yksittäisten magne-25 tometrielementtien sijoittamiseen koko pään alueelle tarvitaan siis geometrialtaan likimäärin puolipallon muotoinen magnetometrirunko. Rungon sisähal-kaisijan on oltava vähintään 25 senttimetriä ja absoluuttisen mittatarkkuuden parempi kuin yksi millimetri, mikä vastaa parasta realistista neurologisen virtalähteen paikannustarkkuutta. Erityisesti pitää tietää rungon mitat, muoto ja 30 sijainti heliumnesteen lämpötilaan jäähdytettynä dewarissa.

Tämän keksinnön mukainen rakenne, jolle on tunnusomaista patenttivaatimuksissa 1-7 esitetyt seikat, täyttää edellä kuvatut magnetometrielementtien luotettavaan kiinnittämiseen ja koko magnetometrijärjestelmän mittatarkkuuteen liittyvät vaatimukset. Signaalikelat sisältävän piilevyn mekaaniseen 4 89131 kiinnitykseen käytetään lasikuituiseen piirilevyyn leikattua jousta. Termisessä kierrätyksessä helposti rikkoutuvaa liimasaumaa ei tarvita. Signaalikelat ovat tasomaisia ja kanavaelementin signaalikeloja vastaan kohtisuora korkeus on alle senttimetrin, eikä tarvittavan dewarin kaula muodostu liian suureksi 5 vaikka mittaavia elementtejä sijoitettaisiin pään vastakkaisille puolille. Tukirakenne, johon yksittäiset elementit kiinnitetään, muodostuu yhtenäisestä, esimerkiksi lasikuidusta valmistetusta kuoresta, johon yksittäisten kanavaele-menttien kiinnityspaikat työstetään aihiota työstökoneesta välillä irroittamatta. Näin varmistetaan, että etäällä toisistaan olevien kanavien keskinäinen sijain-10 ti on tarkka. Kukin yksittäinen kanavaelementti kiinnitetään tukirakenteeseen joustavasti siten, että elementin lopullisen asennon dewarin pohjaan nähden määräävät elementtiin kuuluvat kolme jalkaa, jotka on siten sijoitettu ja mitoitettu, että elementti asettuu signaalikelojen keskipisteen kautta kulkevan pohjan tangenttitason suuntaiseksi. Näin saadaan signaalikelat mahdollisiin-15 man lähelle tutkittavaa kohdetta. Kanavien sijoittaminen näin lähelle pohjaa käyttäen jäykkää, dewarin pohjan mittoja tarkasti noudattavaa tukirakennetta olisi mahdotonta ottaen huomioon tukirakenteen muodon, suhteellisen suuren absoluuttisen koon ja erityisesti tukirakenteen muodonmuutokset jäähdytettäessä sekä mahdolliset erot rungon ja dewarin pohjan lämpölaajenemises-20 sa. Dewarin putkimaiseen sisäseinään liittyvä pohjan puolipallomainen, tukeva ja yhtenäinen osa deformoituu jäähdytettäessä vähemmän kuin tukirakenne ja määrää siten jäähdytetyn laitteen kanavaelementtien asennon luotettavammin kuin kanavaelementtien kiinnitysreikiä ja metallisia liittimiä sisältävä tukirakenne.

25 Keksinnön mukainen magnetometrin alapää on siis rakennettu siten, että kanavajoukon lopullisen geometrian määräävät tukirakenteen ja dewarin pohjan geometriat yhdessä. Jotta tämä onnistuisi hallitulla ja tarkoituksenmukaisella tavalla, on geometrioiden pienistä eroista — joko suunnitelluista tai lämpölaajenemisen aiheuttamista — johtuvat jännitykset vastaanottava jousiele-30 mentti valittava siten, että se estää yksittäisten magnetometrielementtien jalkojen painumisen liian kovalla voimalla dewarin pohjaa vasten magnetometrin ollessa paikallaan dewarissa.

Yksittäisen magnetometrielementin sijaintiin ja asentoon liittyy kuusi vapausastetta, joita vastaa kolme translaatio- ja kolme kiertokoordinaattia. Valitaan ' >1 5 89131 koordinaatit käyttäen dewarin pohjan pallomaisen osan määräämää pallokoor-dinaatistoa. Kun signaalikela (piilevy) asetetaan sivuamaan pohjapalloa sen tangenttitason suuntaisesti, voidaan kanavaelementtiä kuljettaa mihin tahansa pallokoordinaatiston atsimuutti- (Θ) ja polaarikulmien (φ) määräämään ase-5 maan ja lisäksi kiertää normaalinsa ympäri mielivaltaiseen asentoon (γ) ilman että kanavaelementin jalat irtoavat pohjapallon pinnalta. Nämä vapausasteet eivät vaikuta voimaan, jolla kanavaelementin jalat painuvat dewarin pohjaa vasten, eikä niiden suuntaan tarvita joustoa. Kunkin yksittäisen kanavaelementin θ, φ ja γ koordinaatit määrää magnetometrin tukirakenteena olevan 10 lasikuitukuoren työstö. Jäljellä olevat vapausasteet — elementin kierrot piile-vyn tasossa olevien akselien ympäri (α, β) ja siirtyminen pallokoordinaatiston radiaalivektorin suuntaan (r) — puolestaan siirtävät elementin jalkoja dewarin pohjan normaalin suuntaan joten näihin suuntiin elementin pitää joustaa. Edelläoleva pätee oleellisilta osiltaan mille tahansa puolipallon omaisille 15 dewarin pohjamuodoille. Eräs yksinkertainen, pieneen tilaan sopiva ja halutulla tavalla toimiva jousirakenne on esitetty jäljempänä keksinnön yksityiskohtaisen kuvauksen yhteydessä.

Seuraavassa kuvataan yksityiskohtaisesti keksinnön eräs edullinen suoritusmuoto viittaamalla piirustuksiin joissa kuva 1 esittää piistä ja lasikuidusta val-20 mistettua magnetometrin kanavaelementtiä, kuva 2 esittää lasikuituista mag-netometrirunkoa, johon kanavaelementit kiinnitetään, kuva 3 esittää yksittäisten magnetometrielementtien kiinnitykseen käytettävää lasikuituista, tasomaista jousielementtiä, ja kuva 4 esittää pään muotoa mukailevaa dewarin pohjan geometriaa, joka voidaan karakterisoida neljän parametrin avulla.

25 Kuvan 1 mukaisesti liitetään piilevy (1), jolla on ohutkalvotekniikalla valmistettu, tasomainen signaalikela ja siihen kytketty SQUID, pinnakkain kanavaelementin alustan muodostavan, suunnilleen piilevyn kokoisen lasikuituisen piirilevyn (2) kanssa käyttäen piirilevyn laitaan leikattua jousta (3), joka jännitetään siten, että piilevy pysyy paikallaan piirilevyä vasten tasonsa suuntaisen 30 puristuksen alaisena. Kukin piilevy voi sisältää yhden tai useampia joko magnetometrin tai gradiometrin muotoon tehtyä signaalikelaa ja näitä keloja lukevat SQUIDit. Magnetometrikanavien tarvitsemat sähköiset liitännät (4) tehdään ohutkalvokomponentin (1) ja runko-osan piirilevyn (2) välille normaalia mikropiirien liitostekniikkaa käyttäen. Elementin mekaanista kiinnitystä var- 6 89131 ten piirilevyyn kiinnitetään pienikokoinen, mutta riittävän tukeva liitin tai liittimiä (5). Tämä tehdään siten, että kanavaelementti asettuu hyvin määrättyyn asentoon, kun liittimet painetaan magnetometrirungolla (kuva 2) sijaitseviin vastakappaleisiinsa (6).

5 Kuvan 2 mukainen magnetometrirunko, johon yksittäiset, kuvan 1 mukaiset elementit kiinnitetään, muodostuu yhtenäisestä lasikuitukuoresta (7), joka noudattaa dewar-astian pohjaan päätä varten tehdyn syvennyksen muotoa (ks. kuva 4). Dewariin asennettuna lasikuitukuori nojautuu reunoistaan dewarin pohjaan hyvin määritellyssä asennossa siten, että rungon ja dewarin pohjan 10 väli (8) on tasalevyinen. Yksittäisissä kanavaelementeissä olevien liittimien (5) vastinkappaleet (6) kiinnitetään tähän lasikuitukuoreen erityisten, ohuesta lasikuitulevystä leikattujen jousien (9, kuva 3) välityksellä siten, että liittimiin kiinnitettyinä kanavaelementit muodostavat koko pään yli ulottuvan mahdollisimman tasavälisen hilan. Kun näin varustettu tukirakenne sijoitetaan pai-15 koilleen dewariin, nojautuvat yksittäiset kanavaelementit lasikuitujousten painamina vasten dewarin pohjaa (10, kuva 2). Kanavaelementissä alimmaiseksi sijoitetun piilevyn (1) painuminen pohjaa vasten on estetty varustamalla kanavaelementin lasikuituosa kolmella piilevyn ohi ulottuvalla jalalla (11), jotka on siten sijoitettu, että kanavaelementtiä dewarin pohjan pallomaista 20 aluetta vasten painettaessa piilevy jää noin puolen millimetrin päähän pohjasta ja kohtisuoraan keskipisteensä kautta kulkevaa dewarin pohjan normaalia vastaan.

Eräs yksinkertainen, pieneen tilaan sopiva ja halutulla tavalla toimiva jousira-kenne on esitetty kuvassa 3. Ohut, neliömäinen lasikuitulevy (12) on avattu 25 neljällä kapealla leikkauksella (13) siten, että levyn keskiosa (14) pääsee reunaosiin (15) nähden vapaasti kiertymään levyn tasossa olevien suorien ympäri (a, β) ja tulemaan reunaosan tasosta ulos (r). Levyn keskiosaan kiinnitetään mekaanisesti hyvin määrätyllä tavalla, esim. kahdella ruuvilla, kappale (16, kuva 2), jolla kanavaelementin vastaanottavat liittimet (6, kuva 2) sijaitsevat. Levyn 30 reunaosa kiinnitetään kulmissa olevista rei'istä magnetometrirungolle (7, kuva 2) haluttuun asemaan (Θ, <p) työstetylle normaalitasolle (17, kuva 2) ja haluttuun kiertokulmaan (γ), jonka tasolle tehdyt kiinnitysreiät (18) määräävät. La-sikuitujousen joustaessa kohtuullisesti nämä kanavaelementin koordinaatit säilyttävät magnetometrirunkoa työstettäessä valitut arvonsa ja dewarin pöh- li 7 89131 jaan nojaavat elementin jalat määräävät sen lopullisen asennon (α, β) ja aseman (r).

Kuvassa 4 on esitetty eräs edullinen valinta MEG-dewarin pohjamuodoksi. Tavallisen, sylinterinmuotoisen heliumdewarin pohjapinnaksi (10) valitaan 5 kahden erikeskisen (ja erisuuruisen) pallon (19, 20) ja näitä sivuavan ympyrä-kartion (21) muodostaman jatkuvan pinnan se osa (22), jolla pinnan ulkonor-maalivektorin (n) projektio (p) pystyakselin suuntaan (z) osoittaa ylöspäin sekä tätä kupolimaista pintaa sivuavan pystyakselin suuntaisen suoran määräämän lieriöpinnan osa (23). Viimeksimainittu lierimäinen osa (23) ulotetaan niin 10 alas, että pohjan pinta peittää kaikki aivoalueet. Mittauksia tehtäessä tutkittavan henkilön otsa on pienemmän pallon (19) alueella ja takaraivo suuremman pallon alueella (20). Jotta näköstimuluksia voitaisiin antaa on pohjan lieriosaa (23) kohotettu edestä muutamia senttejä. Valitsemalla pallojen säteet ja niiden keskipisteiden keskinäinen sijainti sopivasti saadaan yksinkertaisesti 15 parametrisoitava pinta, joka hyvin tarkasti noudattaa ihmiskallon keskimääräistä muotoa. Tässä suhteessa kuvattu pinta on edullisempi kuin teknisesti yksinkertaisin vaihtoehto, pallopinta (tasosta puhumattakaan), joka lisäisi sig-naalikelojen etäisyyttä ohimoilta yli sentin. Mitään pallopintaan liittyviä teknisiä etuja ei kuitenkaan ole menetetty, sillä 1) kaikki tarvittavat lasikuituiset 20 kuorirakenteet (sisäpohjasta vakioetäisyydellä olevat dewarin ulkopohja ja magnetometrirunko) voidaan edelleen mitoittaa yksinkertaisesti muuttamalla molempien pallojen sädettä samalla, halutun suuruisella määrällä, ja 2) kaikki pinnan pisteet sijaitsevat kahdella pallopinnalla (19, 20) tai näitä tietyssä (θ, φ)-suunnassa sivuavilla tangenttipinnoilla (21, 23), mistä seuraa, että yksittäisten 25 kanavaelementtien kiinnitystasojen ja -reikien työstämiseen magnetometri-rungolle riittää työstökone, jossa on mahdollista kiertää aihiota kahden kohtisuoran akselin ympäri ja operoida sen jälkeen paikallisessa xyz-koordinaatis-tossa.

Claims (7)

1. Laite heikkojen, ajasta ja paikasta riippuvien, ihmisen aivotoiminnasta peräisin olevien magneettikenttien mittaamiseksi, jossa on useita suprajohtavia SQUID-magnetometrejä tai -gradiometrejä lämpöeristetyssä, kryogeenista 5 nestettä sisältävässä astiassa eli dewarissa, tunnettu siitä, että yhtä tai useampaa magneettikentän tai sen gradientin komponenttia mittaavat kelat ja SQUIDit on sijoitettu magnetometrielementteihin, jotka kukin nojaavat muodoltaan ja mitoiltaan tarkkaa dewar-astian sisäpohjaa vasten yhden tai useamman mag-netometrielementtiin kiinnitetyn jalan varassa asettuen pohjan ja jalkojen si-10 vuamispisteiden määräämään asentoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että dewar-astian sisäpohjan sisäpinta muodostuu kahden erikeskisen pallon (19, 20) ja näitä sivuavan kartion (21) muodostaman jatkuvan pinnan siitä osasta (22), jolla pallojen ja kartion ulkonormaalin (n) pystysuuntainen projektio (p) on ylöspäin 15 ja sen sylinteripinnan tarkoituksenmukaisesta osasta (23), jonka määrää edellämainittua kupolimaista pinnan osaa sivuava pystysuora viiva.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että kukin magnetometrielementti on kiinnitetty dewarin sisäpohjan muotoa noudattavasta aihiosta työstettyyn tukirakenteeseen (7) kryogeenisessa lämpötilassa 20 kimmoisuutensa säilyttävästä materiaalista tehdyn jousen (9) välityksellä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että magnetometri-elementin tukirakenteeseen (7) ripustava jousi (9) on levymäisestä materiaalista siten leikattu, että se sallii magnetometrielementin kierron jousen tasossa olevan mielivaltaisen akselin suhteen, sekä translaatioliikkeen jousen tasoon 25 nähden kohtisuorassa suunnassa, mutta lukitsee magnetometrielementin muut liikkeet tukirakenteeseen nähden.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kussakin mag-netometrielementissä signaalikelat, tai signaalikelat ja SQUIDin sisältävän ohutkalvon aluslevy on kiinnitetty elementin runko-osaan jousen avulla. l! 9 89131

6. Patenttivaatimuksen 1 ja 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että ohutkalvon aluslevyn runko-osaan kiinnittävän jousen muodostaa levymäisen runko-osan auki leikattu reuna (3).

7. Patenttivaatimuksen 1 ja 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että magneto-5 metrielementin sähköiset liitännät välittävä liitin (5) on elementin kiinteä, mekaaniseen kiinnitykseen käytetty osa, joka ei liiku elementille sijoitettuihin signaalikeloihin nähden. 10 391 31