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面向人民生命健康!基于原子磁力计的心磁探测

更新时间:2023-12-21      点击次数:752

心磁信号探测的意义

图0 

  人体磁场能够反应人体内部各种组织及器官的信息。对人体磁场进行测量可获得有关人体疾病的信息,其检测效果及便利程度已超出对人体生物电的测量。心磁大小大概在几十pT量级,相较于脑磁而言,是人类较早研究的人体磁场之一。

  心脏的心房和心室肌肉的周期性收缩、舒张伴随着复杂的交变生物电流,由此产生了心磁图(Magnetocardiography, MCG)。相比于心电图(Electrocardiogram, ECG),心脏磁场检测不受胸壁等组织的影响,并且心磁图可通过多角度、多维度传感器阵列对心脏磁场进行探测,从而提供更多的心脏信息,实现对心脏病灶的精准定位。相比于CT、核磁等心脏研究技术,心磁图完全无辐射。目前心磁图技术日益成熟,已有超过10万例临床应用,主要体现在以下几方面:

  01冠心病

冠心病是常见病、多发病,据统计,目前我国冠心病患者已超过1100万人。冠心病是最常见的死因,致死人数甚至超过所有肿瘤死亡人数的总和。针对冠心病,MCG主要是对心肌缺血造成的心肌复极不一致进行检测。例如,Li等研究人员对101例冠心病患者和116名健康志愿者进行MCG测量。结果表明,冠心病患者的R-max/ T-max、R值、平均角度三项参数显著高于正常人。101例冠心病患者中,MCG、心电图和超声心动图检测出心肌缺血的比例分别为 74.26%、48.51%和 45.54%,由此可见,MCG对冠心病患者的诊断准确率明显高于心电图和超声心动图。

图1 

  参考文献:Int. J. Clin. Exp. Med. 8(2):2441-2446(2015)

  02心律失常

  心律失常是指心脏冲动在起源部位、心搏频率和节律以及冲动传导的任何环节出现异常。据统计,中国心律失常患者人数为2000多万。MEG可用于对心律失常患者病灶的准确定位。Ito等研究人员对51名心律失常患者进行研究,通过分析心磁图的3项参数,能够判断导致心律失常的不同病灶部位(右心室流出道、主动脉窦),其准确率达94%。

  参考文献:Heart Rhythm, 11(9):1605-1612(2014)

  03 胎儿心脏检查

  中国每年有约10-20万先天性心脏病的患儿出生。当前,胎儿心电图常常受到胎儿表面皮脂腺、羊水及羊膜等影响,无法准确获得心脏活动信息。与胎儿心电图不同的是,由于磁信号不受人体组织干扰,胎儿心磁图能准确地反映胎儿的心脏情况,是目前唯一可以实现在孕期检测胎儿心脏活动的手段。Campbell 等研究人员观察了因胎儿室上性心动过速而入院的两名单胎妊娠患者和一名双胎妊娠患者,运用 MCG 来监测孕妇及胎儿心律失常情况,并基于此开展药物治疗,结果显示,研究中的3例胎儿心律失常患者均得到了有效的治疗。

  参考文献:Obstet Gynecol,108(3-2):767-771(2006)

  心磁探测手段

  心磁技术发展几十年,心磁图仪大致可分为超导式心磁图仪和非超导式心磁图仪两种。

超导式心磁图仪以磁通量子化和超导约瑟夫森结效应为技术基础,是较早进入临床应用的心磁图仪。目前国内外已经有成熟的生产厂商,如:美国Cardio Ma、德国SQUID AG、芬兰Neuromag、中国漫迪医疗、卡迪默克等。

图3 

漫迪医疗超导式心磁图仪

超导式心磁图仪需要搭配大型磁屏蔽房,且在使用时需大量液氦制冷以维持超导状态,而随着当前全球氦气资源紧缺,液氦价格不断上涨,再加上我国氦气资源基本依赖进口,因此导致其运行成本极高,极大地限制了临床应用。然而心磁图又具备显著的临床有效性,故科学家们一直在探寻替代方案。

图2 

基于多通道原子磁力计探测成人心磁

  原子磁力计是近些年发展起来的具有超高灵敏度的磁力计。2012年科学家利用基于碱金属的原子磁力计,搭建了4通道超灵敏原子磁力计阵列(每个通道的灵敏度可达6-11 fT/Hz1/2),成功在磁屏蔽房中获得了成人的心磁图。

  参考文献:Phys. Med. Biol. 57 (2012) 2619-2632

由于基于原子磁力计的心磁图仪几乎没有运维成本,因此具有大规模临床应用的潜力。2017年,美国Genetesis公司开始进行基于原子磁力计的心磁图仪的研发,随后推出了全球首台基于原子磁力计的心磁图仪CardioFluxTM,目前已投入临床使用。

图4 

  基于原子磁力计的心磁图仪现已成为心磁测量领域的重要发展方向,原子磁力计作为其核心部件,在进一步提高心磁测量灵敏度的同时有效降低了运行成本。在国内,国仪量子基于在量子精密测量领域深厚的技术积累与应用实践,研制并发布了量子自旋磁力仪(SpinMag-I)。

国仪量子·量子自旋磁力仪

图5 

  国仪量子自研的量子自旋磁力仪(SpinMag-I)利用碱金属原子(Rb-87)外层电子自旋性质,以泵浦激光作为操控手段,使碱金属原子产生自旋极化。在外界弱磁场的作用下,碱金属原子发生拉莫尔进动,改变对检测激光的吸收,从而实现高灵敏度的磁场测量。量子自旋磁力仪具有灵敏度高、体积小、能耗低、易于携带的特点,未来将引领人类在科学研究、生物医学等磁传感领域进入量子时代。