Die Erfindung bezieht sich auf eine vielkanalige Vor­richtung zur Messung schwacher, sich ändernder Magnet­felder mit Feldstärken bis unter 10⁻¹⁰ T, insbeson­dere bis unter 10⁻¹² T, wobei die Vorrichtung in jedem Kanal ein durch supraleitende Schleifen auf einem ebenen Trägerelement ausgebildetes Gradiometer erster oder höherer Ordnung, ein mit dem Trägerelement mechanisch starr verbundenes supraleitendes Gleich­strom-Quanteninterferometer (DC-SQUID) und supralei­tende Verbindungsglieder zwischen dem Gradiometer und dem Interferometer einschließlich einer Einkopplungs­spule zur induktiven Einkopplung der Gradiometersignale in das Interferometer aufweist sowie elektronische Einrichtung zur Verarbeitung und Darstellung der an den Interferometern der Kanäle hervorgerufenen Signale enthält. Eine derartige Meßvorrichtung ist aus der DE-OS 32 47 543 bekannt.

Die Verwendung von supraleitenden Quanteninterfero­metern, die auch als "SQUIDs" (Abkürzung von: "Super­conducting QUantum Interference Devices") bezeichnet werden, zur Messung sehr schwacher magnetischer Felder ist allgemein bekannt ("J.Phys.E: Sci.Instrum.", Vol. 13, 1980, Seiten 801 bis 813 oder "IEEE Trans.Electr. Dev.", Vol. ED- 27, No. 10, Okt. 1980, Seiten 1896 bis 1908). Als ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für diese Interferometer wird deshalb auch die medizinische Technik, insbesondere die Magnetokardiographie und Magnetoenzephalographie angesehen, da die von magne­ tischen Herz- bzw. Gehirnwellen hervorgerufenen Magnet­felder Feldstärken in der Größenordnung von etwa 50 pT bzw. 0,1 pT hervorrufen ("Biomagnetism - Proceedings Third International Workshop on Biomagnetism, Berlin 1980", Berlin/New York 1981, Seiten 3 bis 31).

Die der genannten DE-OS zu entnehmende Vorrichtung zur Messung derartiger biomagnetischer Felder ist mehr­kanalig ausgeführt, um eine räumliche Feldverteilung bei kurzen Meßzeiten und somit hinreichend Kohärenz der Felddaten bestimmen zu können. Hierzu enthält jeder Kanal ein Gradiometer erster oder höherer Ordnung, das durch supraleitende Windungen einer Sensor- oder Detektionsschleife und einer entsprechenden Kompen­sationsschleife ausgebildet ist. Dabei sind die Detektionsschleifen und die Kompensationsschleifen der Kanäle jeweils zu Einheiten zusammengefaßt, die räumlich voneinander getrennt sind. Die Detektions­schleife eines Gradiometers liegt also verhältnis­mäßig weit entfernt von der ihr zugeordneten Kompen­sationsschleife. Das mit diesen Schleifen im Gradio­meterbereich selektiv zu erfassende noch inhomogene biomagnetische Nahfeld ("Rev.Sci.Instrum.", Vol. 53, No. 12, Dez. 1982, Seiten 1815 bis 1845) wird dann über supraleitende Verbindungsglieder in ein zugehöriges Gleichstrom-Quanteninterferometer (DC-SQUID) einge­koppelt. Derartige SQUIDs, welche zwei Josephson-Kon­takte enthalten, haben gegenüber sogenannten Radio­frequenz (RF)-SQUIDs eine größere Empfindlichkeit und ein geringeres charakteristisches Rausch-Signal. Da die Gradiometer als Koppeltransformatoren ausgebildet sein können, ist auch eine induktive Einkopplung des magnetischen Flusses in die jeweiligen Interferometer mittels entsprechender Einkopplungsspulen möglich (vgl. auch "IEEE Trans.Magn.", Vol. MAG-17, No. 1, Jan. 1981, Seiten 400 bis 403).

Bei der bekannten Vorrichtung sind die supraleitenden Schleifen der Gradiometer aller Kanäle auf einem gemeinsamen ebenen Trägerelement ausgebildet. Auf diesem Trägerelement ist ferner eine Trägerplatte zu befestigen, auf welcher die Interferometer aller Kanäle sowie die zugeordneten Einkopplungsspulen ausgebildet sind. Diese Einkopplungsspulen sind über im wesent­lichen auf dem Trägerelement verlaufende supraleitende Verbindungsleitungen mit den Schleifen der jeweiligen Gradiometer verbunden. Somit ist eine aufwendige Kon­taktierungstechnik zwischen den Einkopplungsspulen und den an sie anzuschließenden Verbindungsleitungen er­forderlich.

Außerdem enthält die bekannte mehrkanalige Meßvorrich­tung noch elektronische Einrichtungen zur Verarbeitung und Darstellung der an den Interferometern der Kanäle hervorgerufenen Signale, wobei normalleitende Leitungen an entsprechenden Anschlußpunkten auf der die Inter­ferometer tragenden Platte angeschlossen sind.

Mit einem derartigen Aufbau können zwar die bei einer mehrkanaligen Ausbildung allgemein auftretenden Ab­gleichprobleme beherrscht werden und ist auch eine weitgehende Kohärenz der Felddaten zu gewährleisten. Jedoch ist die aktive Fläche des Systems aus Gradio­meterschleifen verhältnismäßig ausgedehnt und wegen der ebenen Gestaltung des Trägerelementes im allgemeinen nicht an die Oberflächenkontur eines zu untersuchenden Probanden angepaßt. Der für die Vorrichtung erforder­liche Kryostat zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Betriebszustandes der supraleitenden Bauteile ist deshalb dementsprechend groß auszuführen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die eingangs genannte Vorrichtung zur Messung biomagne­tischer Felder mit einem System von Gradiometern so auszubilden, daß die aktive Fläche des Systems mög­lichst klein zu halten und zugleich der Kontur eines zu untersuchenden Probanden anzunähern ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere ebene Trägerelemente vorgesehen sind, die an einer gemeinsamen Trägerstruktur befestigt sind, wobei auf jedem Trägerelement die zu mindestens einem Kanal gehörenden supraleitenden Bauteile wie Gradiometer, un­mittelbar auf dem Trägerelement ausgebildetes Inter­ferometer und Verbindungsglieder angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung läßt sich somit modular aufbauen; d.h., jeder Kanal stellt einen Modul dar, der an einer gemeinsamen, den Oberflächenkon­turen des zu untersuchenden Probanden angepaßten Trä­gerstruktur starr befestigt ist. Dabei müssen die als Dünnfilmstrukturen ausgebildeten Gradiometerschlei­fen jedes Moduls nur einmalig abgeglichen werden. Da sich auf jedem Modul das Interferometer zusammen mit den zugehörigen Gradiometerschleifen und den ent­sprechenden Verbindungsgliedern unmittelbar auf einem eigenen Trägerelement befinden, ist dabei die Verbindungstechnik zwischen diesen supraleitenden Bau­teilen entsprechend vereinfacht sowie ein sehr guter Abgleich ermöglicht. Außerdem treten keine bei be­kannten vielkanaligen Meßvorrichtungen zu beobachtenden Vibrationsprobleme auf. Ferner sind mit der vorge­sehenen induktiven Einkopplung verhältnismäßig kleine Induktivitäten der Interferometer verbunden, so daß deren Empfindlichkeit entsprechend vergrößert ist.

Mit dieser so ausgestalteten Meßvorrichtung ist dann vorteilhaft eine parallele, d.h. gleichzeitige Regi­strierung insbesondere von sogenannten Isogradienten­konturen und daraus folgend die Lokalisierung der entsprechenden Feldquellen ermöglicht, wobei die Meßzeit entsprechend der Anzahl der Kanäle reduziert ist. Da mit dem erfindungsgemäßen System nur Differenzen und keine Felder gemessen werden, wird eine weitgehende Kompensation von Störfeldern erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meß­vorrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Schaltungsschema einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung angedeutet ist. Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau der supraleitenden Teile eines Moduls dieser Meßvor­richtung. In den Figuren 3 und 4 sind weitere Ausbil­dungsmöglichkeiten von Modulen für die Meßvorrichtung angedeutet.

Gemäß dem in Figur 1 angedeuteten Schaltungsschema einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist eine vorbe­stimmte Anzahl n paralleler Meßkanäle K₁ bis K_n vor­gesehen. Diese Vorrichtung dient vorteilhaft im Gegen­satz zu bekannten vielkanaligen Vorrichtungen, mit denen Isofeldkonturen zu ermitteln sind, zur Bestimmung von Isogradientenkonturen. Jeder der beispielsweise 30 Kanäle enthält dabei ein allgemein mit 2 bezeichnetes supraleitendes Gradiometer erster Ordnung mit jeweils zwei zur Detektion und Kompensation dienenden Schlei­fen und ein mit zwei Josephson-Kontakten 3 ausge­stattetes supraleitendes Gleichstrom-Quanteninter­ferometer (DC-SQUID) 4. Außerdem sind in jedem Kanal supraleitende Verbindungsglieder 5 zur Verbindung des Gradiometers mit dem Interferometer unter Einschluß einer Einkopplungsspule 6 vorgesehen, über welche die mit den Gradiometern 2 empfangenen Signale in das je­weilige Interferometer 4 induktiv eingekoppelt werden. Die so den Interferometern 4 über normalleitende An­schlußleiter 7 zu entnehmenden Signale werden dann beispielsweise über Vorverstärker 8 und sogenannte "Lock-in"-Verstärker 9 einer gemeinsamen elektronischen Datenverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung 10 zur Wei­terverarbeitung und einer Ausgabeeinheit 11 zur Dar­stellung zugeführt. Eine Rückkopplung in den Kanälen an die jeweiligen Interferometer mit den den Look-­in-Verstärkern 9 entnommenen Signalen ist durch eine gepunktete Linie 12 angedeutet. Die Signal­übertragungsrichtungen sind in der Figur durch Pfeile an den entsprechenden Linien veranschaulicht.

Wie in Figur 1 ferner durch gestrichelte Linien darge­stellt ist, sollen sich in jedem Kanal die Gradiometer 2, die Interferometer 4 sowie die zugehörigen Verbin­dungsglieder 5 und 6 auf einem eigenen ebenen Träger­element T₁ bis T_n befinden. Diese Trägerelemente sind außerdem gemeinsam auf einer durch eine gestrichelte Linie 14 angedeuteten Trägerstruktur mechanisch fest aufgebracht, wobei diese Trägerstruktur in ihrer Form vorteilhaft an die Oberflächenform eines zu unter­suchenden Probanden angepaßt ist und somit insbesondere auch gewölbt sein kann.

Einzelheiten der Gradiometer- und Interferometer-An­ordnung eines Kanales auf einem Trägerelement gehen aus Figur 2 näher hervor. Dabei ist ein Gradiometer erster Ordnung zugrundegelegt, das bekanntlich hinsichtlich einer Abschirmung geringere Anforderungen stellt als ein Gradiometer nullter Ordnung.

Gemäß Figur 2 ist auf einem ebenen, nicht näher ausge­führten Trägerelement T_i (1≦ i ≦ n) beispielsweise einer dünnen Quarz- oder Siliziumplatte, ein planares Gradiometer 2 erster Ordnung aufgebracht. Dieses Gradiometer wird durch eine erste Schleife 15 und eine weitere Schleife 16 sowie durch zugeordnete Verbin­dungsglieder 17 gebildet. Da die beiden Schleifen 15 und 16 unmittelbar benachbart sind, wirken sie kompen­satorisch; d.h. mit beiden Schleifen wird sowohl eine Sensor- bzw. Detektionsfunktion als auch eine Kompen­sationsfunktion ausgeübt. Die jeweils eine z.B. etwa quadratische Fläche umschließenden Schleifen 15 und 16 sind dabei bezüglich einer Linie 18 symmetrisch ange­ordnet. Die Flächen können auch davon abweichende Formen wie z.B. die Form eines anderen Polygons oder Kreisform aufweisen. Die Windungen der Schleifen sind dabei so hintereinandergeschaltet, daß der Wickelsinn in der einen Schleife entgegengesetzt zu dem Wickelsinn in der anderen Schleife ist und im Bereich der Symmetrielinie 18 ein Überkreuzungspunkt 19 von zwi­schen ihnen liegenden Verbindungsleitungen ausgebildet ist. Etwa im Zentrum der von der ersten Schleife 15 eingeschlossenen Fläche ist ein Gleichstrom-Quanten­interferometer 4 ausgebildet, das zwei Josephson-­kontakte 3 aufweist. Da erfindungsgemäß der magnetische Fluß des Gradiometers 2 induktiv in das Interferometer 4 eingekoppelt werden soll, sind die Leiter der Schleife 15 von der Symmetrielinie 18 her senkrecht auf das Interferometer zuführend als parallele Leiterstücke 17' ausgebildet, die an ihren dem Interferometer zuge­wandten Enden über eine Einkopplungsspule 20 mitein­ander verbunden sind. Entsprechende aus Einkopplungs­spule und Gradiometerschleife gebildete Koppeltrans­transformatoren sind allgemein bekannt (vgl. z.B. "IEEE Trans.Magn.", Vol. MAG-17, No. 1, Januar 1981, Seiten 400 bis 403). Dabei ist die Induktivität der Einkopplungsspule 20 auf die Induktivität der Gradio­meterschleifen abgestimmt. Das so in dem Interferometer 4 hervorzurufende Signal wird dann über an Interfero­meter-Anschlußpunkten 22 und 23 anzuschließende, nicht ausgeführte elektrische Leiter aus normalleitendem Material zur Weiterverarbeitung einer Elektronik zu­geleitet. Wie ferner in der Figur angedeutet ist, kann dem Interferometer 4 ferner noch eine Modulationsspule 25 mit Anschlüssen 26 und 27 für ebenfalls normallei­tende, nicht dargestellte Anschlußleiter zugeordnet sein. Außerdem ist um das Interferometer sowie die ihm zugeordnete Einkopplungs- und Modulationsspule 20 bzw. 25 eine ringförmige Abschirmung 29 ausgebildet. Die von dieser Abschirmung umschlossenen Teile der erfin­dungsgemäßen Meßvorrichtung einschließlich der Ab­schirmung sind in der Figur allgemein mit A bezeich­net.

Darüber hinaus ist aus Figur 2 ersichtlich, daß eine weitgehende Spiegelsymmetrie bezüglich der Linie 18 für alle außerhalb der Abschirmung 29 liegenden supralei­tenden Teile vorgesehen sein soll. Dementsprechend sind auch zwei parallele, auf das Zentrum der wei­teren Schleife 16 führende Leiterstücke 17'' vorge­sehen, an deren zentralen Enden eine primäre Gegen­kopplungswicklung 30 mit möglichst geringer Induktivät ausgebildet ist. Diese Wicklung 30 bildet zusammen mit einer sekundären Gegenkopplungswicklung 31 einen Gegen­kopplungstransformator 32, mit dessen Hilfe vorteilhaft jede Änderung des Gradiometerstromes kompensiert und damit das SQUID-Signal linearisiert werden kann. Die für eine derartige "Nullung" des Gradiometerstromes erforderlichen, mit in der Figur nicht dargestellten Leitern zu verbindenden Anschlüsse an der sekundären Gegenkopplungswicklung 31 sind mit 33 bzw. 34 be­zeichnet. Gegebenenfalls können darüber hinaus in dem ebenfalls von einem Abschirmring 36 umschlossenen Zentrum der weiteren Schleife 16 auch ein nicht an­geschlossenes Interferometer und noch eine Modulations­spule entsprechend den Teilen 4 bzw. 25 im Zentrum der ersten Schleife 15 ausgebildet werden. Ein derartiger spiegelsymmetrischer Aufbau eines Interferometers mit integriertem Gradiometer erster Ordnung bringt fertigungstechnische Vorteile mit sich. Die Abschirmung 36 sowie die von ihr umschlossenen Teile der erfin­dungsgemäßen Meßvorrichtung sind in der Figur allgemein mit B bezeichnet.

Bei den in Figur 2 nicht dargestellten, in Figur 1 all­gemein mit 7 bezeichneten normalleitenden Anschlußlei­tern kann es sich insbesondere um ein- oder doppel­seitige Folienleiter, z.B. Kupfer-Streifenleitungen auf einer Kunststoff-Folie, handeln. Diese Folienleiter lassen sich dann auf den jeweiligen Trägerelementen ankleben, wobei die einzelnen Anschlußleiter mittels einer sogenannten, an sich bekannten "Bondungstechnik" mit den supraleitenden Teilen zu verbinden sind.

Gemäß den Figuren 1 und 2 wurde davon ausgegangen, daß auf einem Trägerelement jeweils nur das zu einem Kanal gehörende Gradiometer mit dem zugeordneten Interfero­meter sowie die entsprechenden Verbindungsglieder zwi­schen diesen Bauteilen anzuordnen sind. Unter Umständen kann man jedoch auch, insbesondere um eine optimale Nutzung der Fläche des Trägerelementes zu gewährleisten, zwei orthogonal wirkende Gradiometer, die zwei Kanälen zuzuordnen sind, auf einem Trägerelement vorsehen. Ent­sprechende Ausführungsbeispiele mit zwei Gradiometern erster Ordnung pro Trägerelement sind in den Figuren 3 und 4 schematisch als Aufsicht angedeutet.

Gemäß Figur 3 sind auf einem etwa quadratischen Trä­gerelement 40 zwei Gradiometer 41 und 42 mit jeweils zwei etwa kreisförmigen, in Eckbereichen diagonal gegenüberliegenden Schleifen 41a und b bzw. 42a und b angeordnet. Die beiden Gradiometer können dabei z.B. weitgehend entsprechend dem in Figur 2 dargestellten Gradiometer ausgebildet sein. Jedoch ist es auch möglich, wie in Figur 3 angedeutet sein soll, die zu­gehörigen Gleichstrom-Quanteninterferometer und Gegenkopplungstransformatoren mit den entsprechenden Abschirmungen in den Bereich der Verbindungslinien zwischen den jeweiligen Gradiometerschleifen zu verlegen. Diese dort anzuordnenden Teile, die in der Figur nicht näher ausgeführt sind, entsprechen also zumindest weitgehend den in Figur 2 mit A und B be­zeichneten Einheiten, so daß diese Teile in Figur 3 demensprechend mit A₁ und B₁ bzw. A₂ und B₂ gekenn­zeichnet sind. Im Mittelpunktbereich überlappen sich dann die zu den jeweiligen Gradiometern gehörenden Verbindungsleiter 44 und 45. Wie in der Figur ferner durch eine gestrichelte Linie angedeutet sein soll, können sich gegebenenfalls benachbarte Trägerelemente 40 und 46 in Eckbereichen mit ihren dort angeordneten Gradiometerschleifen überlappen. Dies ist wegen der Nullung des Gradiometerstromes möglich. Auf diese Weise wird eine noch bessere Flächenausnutzung erreicht.

Abweichend von der Darstellung gemäß Figur 3 sind nach Figur 4 auf einem etwa quadratischen Trägerelement 48 vier zu zwei Gradiometern 49 und 50 gehörende Schlei­fen 49a, b bzw. 50 a, b in Form rechtwinkliger Drei­ecke ausgebildet. Die Abmessungen dieser Gradiometer­schleifen sind dabei so gewählt, daß diese jeweils den größten Teil einer durch eine Diagonale der Fläche des Trägerelementes 48 festgelegte Hälfte umschließen, so daß sich die Schleifen der beiden Gradiometer 49 und 50 teilweise überlappen. Dies ist wiederum wegen der er­wähnten Nullung der Gradiometerströme möglich. In den verhältnismäßig schmalen diagonalen Zwischenbereichen zwischen den Gradiometerschleifen 49a und b bzw. 50a und b liegen dann die beiden zugeordneten Interfero­meter mit Gegenkopplungstransformatoren. Die so dort ausgebildeten Einheiten A₁ , B₁ bzw. A₂ , B₂ entspre­chend den in Figur 3 angedeuteten Einheiten.