TDK致力于開發(fā)各種各樣的傳感器，并將其作為“吸引未來（Attracting Tomorrow）”技術(shù)之一。可測量微弱生物磁場的高靈敏度磁性傳感器也是其中一種。其有望為當(dāng)前心電圖儀所無法發(fā)現(xiàn)的腹中胎兒心臟病、難以早期發(fā)現(xiàn)的缺血性心臟病等疑難雜癥帶來解決方案。

　　TDK在HDD磁頭制造過程中積累了自旋電子學(xué)技術(shù)，并通過該技術(shù)開發(fā)了MR（磁阻效應(yīng)）器件技術(shù)。通過應(yīng)用開展該項(xiàng)技術(shù)開發(fā)了小型、高靈敏度的生物磁性傳感器，并且能夠感應(yīng)以往只能通過SQUID磁通計(jì)才可測量的微弱生物磁場。此外，TDK通過與東京醫(yī)科齒科大學(xué)大學(xué)院的共同研究，開發(fā)了利用多信道傳感器陣列的生物磁場測量系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了世界首例通過MR磁性傳感器測量心磁場，并且實(shí)現(xiàn)了心臟磁場分布可視化（影像）。與需要液氦冷卻裝置（杜瓦）、價格高昂且規(guī)模龐大的SQUID磁通計(jì)不同，使用MR磁性傳感器的系統(tǒng)在常溫（非冷卻）下也能以高靈敏度進(jìn)行測量，此外，其還擁有輕巧、操作性及移動性優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，因此其不僅可用于心磁圖儀等醫(yī)療診斷用途，也有望運(yùn)用于健康護(hù)理及運(yùn)動科學(xué)等領(lǐng)域。

　　TDK MR生物磁性傳感器的特點(diǎn)

　　使用了通過自旋電子學(xué)技術(shù)開發(fā)的MR器件的小型高靈敏度生物磁性傳感器

　　磁性分辨率達(dá)到了媲美SQUID領(lǐng)域的數(shù)十pT（10-11T）

　　可在常溫（非冷卻）非侵入狀態(tài)下測量心磁場、肌磁場等生物磁場

　　通過多信道傳感器陣列實(shí)現(xiàn)心臟磁場分布可視化

　　系統(tǒng)成本約為SQUID磁通計(jì)的10分之1

　　無需冷卻系統(tǒng)，操作性及移動性優(yōu)異

　　可在較為簡易的磁屏蔽室進(jìn)行測量

　　與東京醫(yī)科齒科大學(xué)大學(xué)院共同研究

　　正在開發(fā)可測量腦磁場的磁性分辨率在數(shù)pT的傳感器

　　背景

　　心臟病與癌癥（惡性贅生物）、腦血管疾病（中風(fēng)）齊名，是世界上位居前位的致死疾病。當(dāng)前，心電圖儀（ECG:electro-cardiograph）作為檢查心臟活動的檢查設(shè)備得到廣泛使用。

　　心臟電活動發(fā)生源在于位于右心房，被稱為竇房結(jié)的組織，它是與生俱來的起搏器。竇房結(jié)發(fā)出的電氣信號首先會傳遞至心房整體，之后經(jīng)由稱為房室結(jié)的組織，分成左右兩支傳遞至心室整體，從而使心臟反復(fù)產(chǎn)生節(jié)奏性搏動。這被稱為心臟電傳導(dǎo)系統(tǒng)。通過心臟的這一電興奮的傳遞，體表各部位間均會出現(xiàn)電位差心電圖儀便是通過將多個電極粘貼于四肢及胸部等部位檢測電位差，并通過將其放大，以波形等形式進(jìn)行顯示及記錄。

　　圖1所示為心臟電傳導(dǎo)系統(tǒng)、心臟活動電流的基本流動軌跡以及典型的心電波形模式圖。P波表示心房收縮，QRS波表示伴隨心室收縮而產(chǎn)生的波形，T波、U波則表示心室興奮漸漸減弱的過程。

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　　圖1　心臟電傳導(dǎo)系統(tǒng)與心電波形

　　心電圖儀無法以空間形式掌握心臟的活動，只能通過心電圖波形進(jìn)行大致推測，但若能觀察到心臟肌肉詳細(xì)活動，則能夠使診斷精度得到飛躍式的提升。而心磁圖儀（MCG:magneto-cardiograph）則成為了這一問題的解決方案。根據(jù)電磁學(xué)“右手螺旋定則”，當(dāng)流過電流時，周圍將會產(chǎn)生磁場，因此通過測量心臟周圍產(chǎn)生的磁場就能夠推斷電流的流動及部位。心磁圖儀的另一優(yōu)點(diǎn)在于無需在體表粘貼電極，可在穿衣的狀態(tài)下進(jìn)行非侵入測量。但心磁場是一種極其微弱的生物磁場，因此對于心磁圖儀而言高靈敏度的磁性傳感器不可或缺。

　　磁性傳感器種類與生物磁場

　　首個心電圖誕生于1903年，是由荷蘭生理學(xué)家威廉?埃因托芬通過其設(shè)計(jì)的裝置測量得到。而由于心磁場十分微弱，僅為地磁場的100萬分之1，因此直至20世紀(jì)后半葉的1963年才首次成功測量。用于測量的是卷繞了200萬次的1組磁通檢測線圈。之后，為了防止因地磁場等因素干擾，測量均在特別的磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，然而即便如此，測量也僅僅停留在能夠確認(rèn)從心臟產(chǎn)生磁場，其精度尚未達(dá)到能夠?yàn)樾呐K病診斷提供幫助的標(biāo)準(zhǔn)。

　　使生物磁場測量取得重大突破的是在1970年左右開發(fā)的SQUID磁通計(jì)。SQUID是“超導(dǎo)量子干涉器件：superconducting quantum interference device”的英文縮寫，它是使利用超導(dǎo)體的線圈部分部位帶有約瑟夫森結(jié)的磁性傳感器。約瑟夫森結(jié)器件原本是開發(fā)用于提高計(jì)算機(jī)處理速度的運(yùn)算器件，但由于其對于磁性的靈敏度極高，因此被運(yùn)用在高靈敏度磁通計(jì)中。通過SQUID磁通計(jì)不僅能夠測量伴隨心臟活動所產(chǎn)生的心磁場，同時還可以測量肌磁場、腦磁場。

　　但是，若要啟用SQUID，需要通過液氦對超導(dǎo)線圈進(jìn)行冷卻，還需要準(zhǔn)備用于屏蔽磁性噪音的特殊磁屏蔽室，因此系統(tǒng)規(guī)模龐大且價格高昂。為此，當(dāng)前只有用于研究等極少數(shù)的情況才會引進(jìn)使用SQUID磁通計(jì)的生物磁場測量裝置。例如，在日本只有40臺左右，而且其中絕大多數(shù)用于測量腦磁圖，用于測量心磁圖的僅為2臺（2016年）。

　　有多篇論文指出，通過對照心磁圖分析心電圖，可有效診斷各類心臟病。但若要開發(fā)并普及具有實(shí)用性的心磁圖儀，則需要能夠取代SQUID磁通計(jì)，且擁有極高靈敏度的磁性傳感器。為此，TDK成功開發(fā)了使用先進(jìn)MR（磁阻效應(yīng)）器件的生物磁性傳感器。開發(fā)之初的磁性分辨率在數(shù)百pT左右，但隨著技術(shù)能力的提高，2017年已達(dá)到了SQUID領(lǐng)域的數(shù)十pT，現(xiàn)在正以可測量腦磁場的數(shù)pT為目標(biāo)開展研究。

　　圖4總結(jié)了得到實(shí)際運(yùn)用的各類磁性傳感器靈敏度（大致測量范圍）與生物磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度單位為［Wb/m］，磁通密度單位為［Wb/m2］，兩者可通過導(dǎo)磁率相互關(guān)聯(lián)，但作為非磁性體的生物組織的導(dǎo)磁率與空氣相同，幾乎為1，該圖中通過磁通密度標(biāo)示了磁場強(qiáng)度。1Wb/m2＝1T（特斯拉）。1T在cgs單位制中為104G（高斯）。

　　圖2　各類磁性傳感器及大致測量范圍

　　HDD磁頭技術(shù)與MR器件

　　以下對用于TDK生物磁性傳感器的MR器件進(jìn)行簡要說明。

　　從很久以前，人們便已經(jīng)知道若對物質(zhì)施加外部磁場，電阻會發(fā)生細(xì)微變化，而這一現(xiàn)象被稱為磁阻效應(yīng)（MR效應(yīng)）。其與霍爾效應(yīng)等一同統(tǒng)稱為“電磁效應(yīng)”，是物理作用的一種，當(dāng)搬運(yùn)電荷的電子或空穴在磁場中移動時，洛倫茲力則會產(chǎn)生作用，從而使移動方向產(chǎn)生扭曲。MR傳感器運(yùn)用了半導(dǎo)體及強(qiáng)磁性體的磁阻效應(yīng)，如今作為檢測自動檢票機(jī)車票磁性數(shù)據(jù)、紙幣磁性油墨圖形等的磁性傳感器等得到廣泛運(yùn)用。

　　除了這一以往的磁阻效應(yīng)，也有在強(qiáng)磁性體多層膜等結(jié)構(gòu)中顯示出存在電阻變化率異常巨大的磁阻效應(yīng)的情況。而這一現(xiàn)象則是由彼得?格林貝格與阿爾貝?費(fèi)爾等人在1987年發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)。它無法通過電磁效應(yīng)進(jìn)行說明，而是與電子自旋相關(guān)的自旋電子學(xué)現(xiàn)象。

　　此后，巨磁阻效應(yīng)作為HDD讀取器件得以使用，并在20世紀(jì)90年代后半期，HDD的記錄密度得到了飛躍式的提高。TDK快速掌握了先進(jìn)的自旋電子學(xué)技術(shù)，并且相繼開發(fā)了GMR磁頭、TMR磁頭等HDD磁頭，為HDD的大容量化做出了貢獻(xiàn)（圖3）。

　　圖3　TDK的磁頭開發(fā)與HDD高記錄密度化的變化

　　本報(bào)道中主要介紹使用自旋電子學(xué)型MR磁性傳感器的生物磁性傳感器，其中融入了TDK在制造HDD磁頭過程中所培養(yǎng)的薄膜技術(shù)。另外，以往自旋電子學(xué)型MR磁性傳感器的靈敏度極限停留在了10nT（10-8T）水平，為實(shí)現(xiàn)在MR期間中無法實(shí)現(xiàn)的pT Order磁場測量，需要相應(yīng)技術(shù)大幅提高傳感器的SN比。

　　TDK通過徹底排除達(dá)到生物磁場100萬倍的地磁場等環(huán)境噪音，以及MR器件及電路本身所發(fā)出的噪音，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)十pT（10-11T），具有極高磁性分辨率的生物磁性傳感器，其磁性分辨率達(dá)到了以往產(chǎn)品的約1000倍。這一磁性分辨率媲美了SQUID磁通計(jì)領(lǐng)域，能夠被用于測量心磁場等生物磁場。

　　自旋電子學(xué)型MR磁性傳感器原理

　　自旋電子學(xué)型MR器件是由強(qiáng)磁性體薄膜將非磁性體薄膜夾在中間的夾心結(jié)構(gòu)。一側(cè)的強(qiáng)磁性體膜是通過釘扎固定磁化方向的釘扎層（固定層），而另一側(cè)則為自由層，其強(qiáng)磁性體膜磁化方向追隨外部磁場方向進(jìn)行變化。由于器件電阻與釘扎層和自由層的磁化方向相對角成正比進(jìn)行變化，因此可通過電流大小得知磁場強(qiáng)度。

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? ? ? ?圖4　MR器件的基本結(jié)構(gòu)與傳感器原理

MR磁性傳感器與磁通門傳感器或MI(磁阻抗)傳感器不同，由于只需供應(yīng)DC電源便可獲得信號，因此不需要復(fù)雜的振蕩電流。

? ? ? ?雖然MR器件擁有優(yōu)異的溫度特性，但其電阻值還是會隨著溫度變化而產(chǎn)生細(xì)微變動。為了將這一溫度漂移控制在最小范圍，在MR磁性傳感器中，基板上形成有多個器件，并通過沖橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行差動溫度補(bǔ)償。以4個器件為組合的典型的惠斯登電橋電路如圖5所示。箭頭表示釘扎層的磁化方向。

　　圖5　溫度補(bǔ)償用電橋結(jié)構(gòu)示例（惠斯登電橋）

　　通過TDK生物磁性傳感器實(shí)現(xiàn)世界首例心臟磁場可視化

　　TDK的MR磁性傳感器單元組合了電橋結(jié)構(gòu)的多個MR器件，并且內(nèi)置有低噪音電路。TDK開發(fā)了將該傳感器單元以格子狀進(jìn)行排列的傳感器陣列，并與東京醫(yī)科齒科大學(xué)大學(xué)院進(jìn)行共同研究，通過MR磁性傳感器成功實(shí)現(xiàn)了世界首例（2016年）心磁場的測量與可視化（影像）。

　　同時，TDK通過實(shí)現(xiàn)最大64ch的多信道化，成功獲得了更為清晰的圖像。圖6所示為TDK的MR磁性傳感器單元以及64ch（信道）傳感器陣列。

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? ? ? ?圖6　MR磁性傳感器單元（左上）以及64ch MR磁性傳感器陣列

使用TDK的64ch MR磁性傳感器進(jìn)行心臟磁場分布測量及可視化的示例如圖7所示。重疊胸部X光片后，藍(lán)色波形映射了心電圖(ECG)、綠色波形映射了心磁圖(MCG)，而照片則映射了心臟的磁場分布。黑色點(diǎn)為傳感器信道，心磁圖波形為通過以黃色點(diǎn)(①②)表示的傳感器信道得到的磁場強(qiáng)度時間波形。之所以波形峰值之間方向相反是因?yàn)榇帕€方向不同。

? ? ? ?照片中與天氣圖等壓線類似的白色閉合曲線所示為，與心電圖R波相對應(yīng)，且與測量時心臟周圍相同磁場強(qiáng)度相結(jié)合的等磁線。紅色以及藍(lán)色部分表示磁力線方向不同。紅色部分表示磁力線的流出方向，藍(lán)色部分則表示磁力線的流入方向。心電圖R波所示為心室收縮過程，通過磁場分布與磁力線朝向以及右手螺旋定則，此時的心臟活動電流可推定為沿綠色箭頭方向流動。

　　圖7　通過64ch MR磁性傳感器陣列測量并可視化心臟磁場分布的示例

　　TDK開發(fā)的生物磁性測量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　TDK的生物磁性測量系統(tǒng)使用了MR器件，與需要使用液氦冷卻裝置（杜瓦）的高額大規(guī)模SQUID磁通計(jì)相比，系統(tǒng)成本降低至大約10分之1，且在常溫（非冷卻）下便可進(jìn)行測量，操作性及移動性優(yōu)異，在研究及臨床方面具有各種優(yōu)點(diǎn)。同時，磁屏蔽室也相對較為簡便。以往的SQUID由于靈敏度很高，容易受到外部擾動磁場的影響，因此需要嚴(yán)密的磁屏蔽環(huán)境，相比SQUID，MR傳感器的動態(tài)范圍更廣，即使在簡單的磁屏蔽環(huán)境內(nèi)仍然可以工作。TDK通過實(shí)踐證實(shí)了在TDK前所未有的便攜型小型磁屏蔽內(nèi)可測量心臟磁場分布。同時，SQUID磁通計(jì)中難以更換冷卻用杜瓦內(nèi)的傳感器配置，不同的對象部位需要另行使用其他裝置，例如，測量腦磁場需要使用腦磁圖儀，而測量心磁場則需要使用心磁圖儀。但是，TDK傳感器為非冷卻型，不需要杜瓦，因此按照對象部位能夠自由改變傳感器的配置和密度。

　　心磁圖在臨床診斷中的運(yùn)用尚處于起步階段，若可在常溫下使用的心磁圖儀能夠得到實(shí)際運(yùn)用及普及，則將有望對心臟病以及其他各類疾病的診斷帶來巨大革新。

　　例如，通過X光片、X光-CT、MRI等所得到的均為靜態(tài)圖像。雖然對于骨折等形態(tài)性破壞的診斷能夠發(fā)揮一定作用，但卻無法進(jìn)行功能性診斷為此，在心臟病診斷中會使用心電圖儀，而心磁圖儀所測量的磁場則為擁有強(qiáng)度與方向的矢量。通過依靠心臟周邊磁場分布計(jì)算發(fā)生源，即“逆向求解”可推定活動電流的傳遞路徑。同時，通過與心電圖進(jìn)行對照還可從磁場波形中得到有助于診斷疾病的有益信息。

　　其中尤其受到關(guān)注的的是缺血性心臟病的診斷。缺血性心臟病是指送往心肌的血液出現(xiàn)暫時性不足的疾病，若病情加重則可能導(dǎo)致心絞痛或心肌梗塞。雖然通過心電圖難以實(shí)現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)，但通過利用心磁圖儀磁場分布的時間性映射也許能夠成功檢測。

　　同時，部分新生兒患有先天性心臟疾病，但如果能在胎兒階段便發(fā)現(xiàn)疾病，則能夠在異常時實(shí)現(xiàn)早期應(yīng)對，或在生產(chǎn)后實(shí)現(xiàn)順利的醫(yī)療處理。

　　子宮內(nèi)的胎兒會被稱為胎脂的物質(zhì)包裹。胎脂擁有極高的電氣絕緣性，幾乎屏蔽了所有來自心臟的電流。為此，測量胎兒的心電圖十分困難。以往只能使用超聲波診斷裝置（ECHO），但在ECHO檢查中只能了解其形態(tài)。但是，因?yàn)榇帕€不受胎脂的影響而穿透，所以能夠測量心磁圖。此外，磁場強(qiáng)度按照離開發(fā)生源距離，呈現(xiàn)快速衰減。從而能夠?qū)崿F(xiàn)在不受孕婦心磁場影響的情況下單獨(dú)測量胎兒心磁場。這也是心磁圖儀所獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。

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　　圖8 通過使用MR磁性傳感器的心磁圖儀測量胎兒的心磁場（示意圖）

　　除此之外，其屬于非侵入性，且能夠簡單測量微弱的生物磁場，因此不僅是醫(yī)療用途，未來也將有望運(yùn)用于穿戴式健康護(hù)理設(shè)備或體育科學(xué)等領(lǐng)域。

　　以下所示為使用SQUID的生物磁性測量系統(tǒng)與使用MR磁性傳感器系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

　　表1　使用SQUID的系統(tǒng)與使用MR磁性傳感器系統(tǒng)的比較

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　　總結(jié)

　　用于測量生物磁場等的SQUID磁通計(jì)，其系統(tǒng)本身價格高昂且體型龐大，同時還需要定期補(bǔ)充冷卻用液氦，因此昂貴的運(yùn)行成本成為了其根本性的缺點(diǎn)。為此，如今在世界范圍內(nèi)正在尋求能夠替代SQUID磁通計(jì)的低成本且使用方便的系統(tǒng)。

　　TDK為滿足這一需求，運(yùn)用在HDD磁頭制造中所積累的先進(jìn)薄膜技術(shù)以及自旋電子學(xué)技術(shù)，開發(fā)了使用小型、高靈敏度的MR磁性傳感器的生物磁性傳感器。其磁性分辨率為數(shù)十pT（10-11T），是以往MR磁性傳感器的大約1000倍，已達(dá)到了SQUID磁通計(jì)的水平。此外，TDK通過與東京醫(yī)科齒科大學(xué)大學(xué)院的共同研究，開發(fā)了利用多信道MR磁性傳感器陣列的生物磁場測量系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了世界首例心磁場常溫測量，并且實(shí)現(xiàn)了心臟磁場分布可視化。

　　現(xiàn)在，TDK還在推進(jìn)分辨率達(dá)到數(shù)pT的生物磁場測量系統(tǒng)的開發(fā)工作。通過進(jìn)一步深挖以往只能通過SQUID磁通計(jì)進(jìn)行測量的領(lǐng)域，未來將有望用于診斷心房纖顫等心房性疾病及腦部疾病（癲癇、ALS等）。

　　此外，數(shù)pT的分辨率水平將可實(shí)現(xiàn)比心磁場更加微弱的腦磁場的測量。在生物磁場中，腦磁圖的研究相比心磁圖更為活躍。與測量電位差的腦波儀相比，腦磁圖儀的特點(diǎn)在于不會受到頭蓋骨的影響，從而可得到清晰的信息。然而，為了確定使癲癇患者腦內(nèi)發(fā)出特有腦波波形的異常部位，明確ALS（肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥）這一疑難雜癥病因，查明冥想狀態(tài)下腦部發(fā)出的α波等，則要求分辨率需要達(dá)到0.5pT以下。雖然這在MR磁性傳感器領(lǐng)域中屬于難度極高的技術(shù)領(lǐng)域，但TDK依靠MR磁性傳感器獨(dú)有的特點(diǎn)與優(yōu)勢，為幫助開展最頂尖的生物磁場研究而不斷努力。

　　TDK的MR磁性傳感器除了生物磁場測量以外，還擁有其他各種應(yīng)用。通過常溫、非侵入式測量特點(diǎn)，還可將其用于無損檢查領(lǐng)域，例如檢查通過目測無法發(fā)現(xiàn)的細(xì)微缺陷的磁力探傷試驗(yàn)（MT）等。

　　同時，通過利用MR器件獨(dú)有的小巧特點(diǎn)，可提高智能手機(jī)等移動設(shè)備的便利性，還可用于穿戴式VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）設(shè)備、健康護(hù)理設(shè)備以及體內(nèi)檢查設(shè)備及人工器官等。

　　今后敬請關(guān)注以簡便及低成本方式實(shí)現(xiàn)極高靈敏度生物磁場測量的生物磁性測量系統(tǒng)，以及運(yùn)用先進(jìn)自旋電子學(xué)技術(shù)所開發(fā)的TDK磁性傳感器技術(shù)。

　　TDK正致力于發(fā)展包括MR磁性傳感器在內(nèi)的磁性傳感器技術(shù)的各種應(yīng)用。