Die im menschlichen Organismus ablaufenden elektrischen Aktivitäten rufen Magnetfelder hervor. Diese biomagnetischen Felder (Bild 6) sind sehr schwach.¹⁴ So liegen die Amplituden kardiomagnetischer Felder, das Magnetokardiogramm (MKG), in der Größenordnung von einigen zehn Pikotesla (1 pT = 10^-12 T) und der neuromagnetischen Felder, das Magnetoenzephalogramm (MEG), im Bereich von wenigen bis einigen hundert Femtotesla (1 fT = 10^-15 T). Wie in Bild 6 zu erkennen ist, gibt es zwei Hauptprobleme beim Nachweis biomagnetischer Felder:
1. der Magnetfeldsensor muss extrem empfindlich sein und
2. die um viele Größenordnungen stärkeren Störfelder (Erdmagnetfeld, Erdmagnetfeldschwankungen, urbane Störfelder) müssen soweit reduziert werden, dass das Nutzsignal über dem Rauschen liegt.
Der Vorteil gegenüber anderen Verfahren besteht darin, dass die Messung der biomagnetischen Felder berührungslos erfolgt, d.h. nichtinvasiv und referenzfrei ist. Aus der gemessenen Magnetfeldverteilung lässt sich die Quelle rekonstruieren.

Aufgrund der sehr schwachen biomagnetischen Felder gegenüber den umgebenden Störfeldern (Bild 6) wurden Methoden der Störfeldreduzierung (magnetische Abschirmung, Gradiometer) angewendet.  

Das Gradiometerprinzip wird anhand eines symmetrischen Gradiometers 1. Ordnung in Bild 7 (erstes Teilbild) verdeutlicht: die Störfelder weit entfernter Störquellen werden von beiden Spulen erfasst und löschen sich aus, dagegen wird das stark inhomogene biomagnetische Feld (dipolartige Magnetfeldquelle) vorwiegend in der Antennenspule registriert.

Das Ergebnis der ersten Jenaer Gradiometergehversuche wird in Bild 7 (zweites Teilbild) gezeigt: ein asymmetrisches Gradiometer 1. Ordnung aus selbst gewalztem Bleiband. In Bild 7 (drittes Teilbild) ist das Ergebnis von über 20 Jahren Erfahrungen zu sehen: ein biomagnetisches Messkopf - MikroSQUID-System, bestehend aus 16 asymmetrischen Gradiometern 1. Ordnung (Antennenspulendurchmesser: 6,7 mm, Gradiometerkörper: Macor)¹⁵, das für Grundlagenuntersuchungen hoher Ortsauflösung eingesetzt wird.  

Zur Kühlung der SQUIDs und der supraleitenden Gradiometer wurden Heliumkryostate benötigt, wobei hier bewusst auf die Kühlung mit flüssigem Stickstoff verzichtet wurde. Ein doppelwandiger Glaszylinder mit Finger (nach unseren Vorgaben beim VEB Jenaer Glaswerk Schott und Gen. angefertigt) mit Mylarfolie (per Handarbeit perforiert), von uns gewickelt und evakuiert, war unser erster Kryostat (Bild 8, drittes Teilbild), der für biomagnetische Messungen eingesetzt werden konnte. Die Haltezeit für das flüssige He war zwar mit ca. 12 h sehr limitiert, aber die ersten Magnetokardiogramme (Magnetfeld des Herzens) konnten damit in Jena aufgezeichnet werden. Verwendet wurden waagerecht angeordnete Gradiometer. Der Abstand Antennespule zur Außenwand betrug 35mm im Zylinderkryostat, im Fingerkryostat nur noch 8 mm.

Zur Verbesserung der Störfeldunterdrückung wurde mit tatkräftiger Unterstützung von Wolfgang Hädrich und seiner Mechanikerwerkstatt M3 ein doppelwandiger µ-Metall-Zylinder beim VEB Halbzeugwerk Auerhammer gefertigt (Länge 2,4m, Durchmesser 0,8m). Jeder der beiden Zylinder bestand aus 4 ineinandersteckbaren Ringen (1 mm dickes Muniperm 16-Blech), die vertikal aufgestellt wurden. Zur Minimierung mechanischer Störungen wurde eine stabile Kryostatenhalterung aus Aluminium in der M3 angefertigt, die es dem Probanden erlaubte, sich hineinzusetzen (Bild 8, erstes Teilbild). Eine weitere Maßnahme zur mechanischen Entkopplung Proband-Messsystem bestand darin, dass die µ-Metall-Zylinder und die Kryostatenhalterung in Quarzsand (VEB Jenaer Glaswerk Schott und Gen.) eingebettet waren (Bild 8, drittes Teilbild) sowie die Versuchsperson auf einem Stuhl (mechanisch vollständig vom Messsystem entkoppelt) sitzen musste. Dieser Stuhl wurde später durch eine an der Decke befestigte Schaukel ersetzt.  

Die ersten MKG-Messungen gelangen uns im Sommer 1978 (Bild 9). Es wurde auf die Nachtstunden zwischen 1 und 3 Uhr ausgewichen, um die äußeren Störungen so gering wie möglich zu halten.

Aufgrund der sehr unbequemen „Probandenlagerung“ (artistische Leistungen mussten zum Hineinklettern in den oben geöffneten Zylinder und dem Sitzen auf der Schaukel vollbracht werden) sowie der mechanischen Stabilitätsprobleme wurde 1979 eine liegende Konstruktion entwickelt (Bild 8, viertes Teilbild), verbesserte dc-Dünnschicht-SQUIDs mit integriertem Flusstransformator,^{6 8} adaptiert und die liegenden μ-Metallzylinder sowie die Messapparatur in einen Faradaykäfig eingebracht.^16,17 Diese Verbesserungen ermöglichten, nun auch in der normalen Arbeitszeit MKG´s zu registrieren.  

Anfang der achtziger Jahre gelang der Import eines Kunststoffkryostaten (BMD5) aus den USA. Heliumkryostate standen auf der Embargoliste und wurden über Umwege (Wien) in die damalige DDR geliefert. Dieser Fingerkryostat erlaubte einen wesentlich geringeren Heliumverbrauch (Helium war zu dieser Zeit immer sehr knapp und teuer) und besaß damit eine deutlich höhere Standzeit (3-4 Tage). Das Eigenrauschen war geringer und der Warm-Kalt-Abstand betrug weniger als 1 cm.
Aufgrund der verbesserten SQUIDs und SQUID-Elektronik machte es nun Sinn, den Gradiometerabgleich zu verfeinern.¹⁸ Dadurch gelang 1981 der Übergang zu biomagnetischen Messungen in unabgeschirmter Umgebung. Gemeinsam mit dem Ingenieur Hans-Ulrich Mänz, den Werkstattmitarbeitern Heinz Rossbach und Fritz Scheffler (Sektion Physik der FSU Jena bzw. PTI der AdW der DDR), wurde der Prototyp eines einkanaligen biomagnetischen Messsystems geschaffen: ein in allen drei Raumachsen abstimmbares symmetrisches Gradiometer 2. Ordnung, Antennendurchmesser 20 mm, Basislänge 55 mm, Magnetfeldempfindlichkeit 20 fT Hz^-1/2, Abgleich besser 10^-5. Dazu wurde 1984 unter führender Mitarbeit von Günter Kirsch eine Kryostatenhalterung aus Holz, höhenverstellbar (z-Richtung), sowie eine Liege in x- und y-Richtung verschiebbar, entworfen.

Dieser biomagnetische Messplatz wurde dupliziert und an das Zentralinstitut für Herz-Kreislaufforschung (ZIHK) Berlin/Buch, A. Schirdewan, geliefert, in Betrieb genommen und betreut.
Ein zweiter Messplatz wurde von uns für das Institut für Höhere Nerventätigkeit der AdW der UdSSR (Prof. Cholodow, Sasia Gorbatsch), Moskau, gefertigt und ausgeliefert. Dafür haben wir zusätzliche Maßnahmen zur Reduzierung der massiven HF-Störungen, verursacht durch den Moskauer Fernsehturm, erfolgreich in die Praxis umsetzen zu können.

Die Konstruktionszeichnungen der hölzernen Kryostatenhalterung sowie der verstellbaren Liege wurden an das IKK nach Kiew übergeben (Wladimir Sosnitzki). In ähnlicher Form tauchte unsere Grundkonstruktion dann Ende der 90-iger Jahre bei der SQUID-AG in Essen wieder auf, bei der Ukrainische Wissenschaftler beschäftigt waren.

Die internationale wissenschaftliche Zielrichtung war in den 80er Jahren mit dem Übergang von einkanaligen Messsystemen zu Mehrkanalsystemen gegeben. Durch die simultane mehrkanalige Registrierung der biomagnetischen Aktivitäten konnte eine wesentlich verbesserte Lokalisationsdiagnostik erzielt werden. Dazu wurde federführend durch Hannes Nowak und Frank Gießler in Jena weltweit die erste im abgekühlten Zustand (4,2 K) abstimmbare 5-Kanalanordnung (Bild 10, erstes Teilbild) für den Einsatz in unabgeschirmter Umgebung konstruiert^19,20,21 und für biomagnetische Untersuchungen eingesetzt (Bild 10 drittes und viertes Teilbild). Ausgangspunkt war der vorn beschriebene Einkanalmodul sowie eine Erfindung, die es ermöglichte, im Arbeitszustand nacheinander alle 15 Gradiometerabgleiche durchzuführen (Bild 10 zweites Teilbild) und wenn notwendig beliebig oft zu wiederholen²².  

Die potentiellen Partner für den Einsatz des neuartigen biomagnetischen Messverfahrens waren naturgemäß Mediziner. Diese Partner fanden wir in Jena mit Hans Volkmann sowie später im Berliner Zentralinstitut für Herz- und Kreislaufforschung der damaligen AdW der DDR mit Alexander Schirdewan und Horst Heine. Darüber hinaus war die Decke unseres „Humanpotentials“ in Jena entschieden zu kurz. Wir entschlossen uns deshalb zu Übergängen von der FSU zur AdW. Damit konnten die involvierten Kollegen 100% ihrer Arbeitszeit am Biomagnetismus arbeiten: Hannes Nowak, Hans-Georg Zach und Martin Burghoff im Physikalisch-Technischen Institut der AdW in Jena und Wolfgang Haberkorn (in der Hoffnung auf eine spätere Geräteproduktion) im ZWG der AdW in Berlin.

Uns interessierte die Frage, welche Informationen, z.B. von Herzfunktionen über etablierte Verfahren hinaus gewinnbar und nützlich sind. So arbeiteten Hannes Nowak, Hans-Georg Zach, Martin Burghoff und Hans Volkmann in Jena sowie Alexander Schirdewan in Berlin u.a. an der Untersuchung des Reizleitungssystems am Herzen^23,24 und den notwendigen Auswertetechniken, z.B. der Sichtbarmachung von Stromwirbeln im Herzen, während Wolfgang Haberkorn elektromagnetische Modelle des Herzens, z.B. Auswirkungen elektrisch stummer Bereiche (Infarkte) auf zu messende Signale, untersuchte. Über einen ersten Zyklus von Arbeiten auf diesem Gebiet ohne bis dahin übliche Großraumabschirmung aber mit erstmals vernünftigen Resultaten, jedoch ohne medizinische Aussagen trugen wir 1984 auf der internationalen Tieftemperatur-Konferenz LT 17 vor.²⁵

Die Biomagnetische AG in Jena erhielt 1987 durch Frank Gießler und 1988 durch Ralph Huonker Verstärkung.
Bis 1988 reichte aber die Gesamtheit der Resultate dieser Arbeiten noch nicht zur Entscheidung einer Geräteentwicklung im ZWG, zumal damals Rechen- und Kryotechnik in der DDR extrem unterentwickelt waren. Insofern haben wir wahrscheinlich bei Anderen positive Entscheidungen zu Geräteentwicklungen begünstigt. Dazu trug auch bei, dass Günter Albrecht in den Jahren 1980-88 Mitglied in der Comission of Low Temperature Physics der International Union of Pure and Applied Physics war.

Substantielle Verstärkung erhielt die Jenaer Biomagnetismusgruppe 1993 durch Jens Haueisen, der Ende der 90er Jahre die Leitung des Biomagnetisches Zentrum (BMZ) am Klinikum der FSU Jena übernommen hat, sowie 1994 durch Uwe Schulze, beide sollen hier stellvertretend genannt sein für die zahlreichen Mitarbeiter, Doktoranden und Diplomanden, die zum Erfolg des BMZ Jena beigetragen haben.

Die Mannschaft um Hannes Nowak zog im Dezember 1993 in das am Philosophenweg neu gebaute Biomagnetische Zentrum der Klinik für Neurologie am Klinikum der FSU Jena um (Bild 11, erstes Teilbild). Zu diesem Zeitpunkt wurde das kommerzielle Doppeldewar-Biomagnetometer (2 x 31 Kanäle, symmetrische Gradiometer 1. Ordnung, Abschirmkabine AK 3b) der Firma Philips in Betrieb genommen (Bild 11, zweites Teilbild). Eine zweite Abschirmkabine (amuneal), ein Spezialdewar (Warm-Kalt-Abstand: 3 mm) sowie ein 16-kanaliges Mikro-SQUID-System¹⁵ ergänzten die vorhandenen Messmöglichkeiten einmal für die klinische Forschung an Probanden bzw. Patienten und zum anderen für Grundlagenuntersuchungen (MikroSQUID). Im Jenaer Biomagnetischen Zentrum wurden zahlreiche auch international beachtete Publikationen hervorgebracht; stellvertretend soll hier der „THE LANCET“-Artikel von Uwe Leder et al. genannt werden.²⁶ Ausdruck der Internationalen Anerkennung war die Vergabe der 13. biomagnetischen Weltkonferenz nach Jena. Die „13^th International Conference on Biomagnetism“ mit mehr als 600 Teilnehmern fand vom 10. - 14. August 2002 in Jena statt.²⁷  

Eine weitere Verbesserung wurde für das BMZ mit dem Umzug in das neue Klinikum 2000 (Jena-Lobeda) im Oktober 2003 geschaffen. Das betraf sowohl die räumliche Situation als auch die technische Ausrüstung. Neben den beiden bestehenden Systemen kam ein drittes, ein Vektor-MKG-System (ARGOS 200, AtB, Italien) mit 195 SQUID-Sensoren hinzu²⁸ (Bild 12, Erstes Teilbild: Messsystem, zweites Teilbild: Vielkanal-MKG). Grundlage für die modernen biomagnetischen Vielkanalsysteme ist die Massenproduktion von SQUIDs. Basierend auf den oben beschriebenen SQUID-Entwicklungen in Jena ist das IPHT Jena e.V. (vgl. Kap. 6) in der Lage, eine solche Massenproduktion durchzuführen. SQUIDs werden in Jena kommerziell über die Jenaer Firma Supracon AG angeboten.
 

Literatur

14. Nowak, H.: Biomagnetic Instrumentation. In: Andrä, W. & Nowak, H. (Eds.), Magnetism in Medicine, Berlin: WILEY-VCH, 1998

15. Nowak, H. / Gießler, F. / Eiselt, M. / Huonker, R. / Haueisen, J. / Röther, J.: A Medical Engineering & Physics 21 (1999)

16. Nowak, H. / Zach, H.-G. / Albrecht, G.: Measurements of Magnetocardiograms with DC-thin film SQUIDs and first order gradiometer. In: Exp. Techn. Phys. 28/2 (1980)

17. Albrecht. G. / Hilbert, A. / Kirsch, G. / Nowak, H. / Vodel, W. / Zach, H.-G.: Application of flat dc-thin film SQUIDs and technique for biomagnetic measurements. In: Cryogenics 10 (1981)

18. Haberkorn, W. / Albrecht, G. / Nowak, H. / Zach, H.-G. / Kirsch, G.: Eeinabstimmung supraleitender Gradiometer, In: Feingerätetechnik 31 (1982)

19. Nowak, H. / Albrecht, G. / Berthel, K.-H.: Anwendung supraleitender Sensoren für biomagetische Messungen. In: msr 8 (1988)

20. Nowak, H. / Albrecht, G. / Berthel, K.-H. / Burghoff, M. / Haberkorn, W. / Zach, H.-G.: Biomagnetik measurements in unshielded environment.. In: Advances in Biomedical Measurement, Edited by E. R. Carson et al., New Jork: London: Plenum Press, 1988

21. Nowak, H. / Gießler, F. / Huonker, R.: Multichannel - magnetography in unshielded environment. In: J. Clin. Physiol. Meas., 12, Suppl. B. (1991)

22. Mänz, H.-U. / Nowak, H. Scheffler, F. / Zach, H.-G.: Verfahren zur Abstimmung einer Mehrkanalgradiometeranordnung, DDR Patent No. 249.960 (Juni 1986)

23. Nowak, H. / Albrecht, G. / Burghoff, M. / Kirsch, G. / Volkmann, H. / Zach, H.-G.: High-resolution magnetocardiography, In: Proc. 14th Int. Congr. on Electrocardiology, Berlin: Akademie Verlag, 1987

24. Nowak, H. / Albrecht, G. / Burgoff, M. /Haberkorn, W. / Gießler, F.: Highresolution Magnetocardiography, Source Localization and Multichannel Magnetometry. In: Advances in Biomagnetism New York, 1989

25. Albrecht, G. / Haberkorn, W. / Kirsch, G. / Nowak, H. / Zach, H.-G.: Recent Results of Biomagnetic Measurements with a DC-SQUID-System In: LT-17 Contributed Papers BH1 (1984)

26. Leder, U. / Haueisen, J. / Huck, M. / Nowak, H.: Non-invasive imaging of arrhytmogenic left-ventricular myocardium after infarction. In: THE LANCET 352 (1998)

27. Nowak, H. / Haueisen, J. / Giessler, F. / Huonker, R.: Biomag 2002 In: Proceedings of 13th International Conference on Biomagnetism, Berlin: VDE Verlag, 2002

28. Nowak, H. / Leder, U. / Göring, M. / Haueisen, J. / Erne', S. / Trebeschi, A.: Multichannel-vectormagnetocardiography: a new biomedical engineering approach. In: Biomed. Techn. 44 (1) (2003)