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    面向人民生命健康!基于原子磁力計的心磁探測

    更新時間:2023-12-21      點擊次數:409

    心磁信號探測的意義

    圖0 

      人體磁場能夠反應人體內部各種組織及器官的信息。對人體磁場進行測量可獲得有關人體疾病的信息,其檢測效果及便利程度已超出對人體生物電的測量。心磁大小大概在幾十pT量級,相較于腦磁而言,是人類較早研究的人體磁場之一。

      心臟的心房和心室肌肉的周期性收縮、舒張伴隨著復雜的交變生物電流,由此產生了心磁圖(Magnetocardiography, MCG)。相比于心電圖(Electrocardiogram, ECG),心臟磁場檢測不受胸壁等組織的影響,并且心磁圖可通過多角度、多維度傳感器陣列對心臟磁場進行探測,從而提供更多的心臟信息,實現對心臟病灶的精準定位。相比于CT、核磁等心臟研究技術,心磁圖完全無輻射。目前心磁圖技術日益成熟,已有超過10萬例臨床應用,主要體現在以下幾方面:

      01冠心病

    冠心病是常見病、多發病,據統計,目前我國冠心病患者已超過1100萬人。冠心病是最常見的死因,致死人數甚至超過所有腫瘤死亡人數的總和。針對冠心病,MCG主要是對心肌缺血造成的心肌復極不一致進行檢測。例如,Li等研究人員對101例冠心病患者和116名健康志愿者進行MCG測量。結果表明,冠心病患者的R-max/ T-max、R值、平均角度三項參數顯著高于正常人。101例冠心病患者中,MCG、心電圖和超聲心動圖檢測出心肌缺血的比例分別為 74.26%、48.51%和 45.54%,由此可見,MCG對冠心病患者的診斷準確率明顯高于心電圖和超聲心動圖。

    圖1 

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

      02心律失常

      心律失常是指心臟沖動在起源部位、心搏頻率和節律以及沖動傳導的任何環節出現異常。據統計,中國心律失?;颊呷藬禐?000多萬。MEG可用于對心律失?;颊卟≡畹臏蚀_定位。Ito等研究人員對51名心律失?;颊哌M行研究,通過分析心磁圖的3項參數,能夠判斷導致心律失常的不同病灶部位(右心室流出道、主動脈竇),其準確率達94%。

      參考文獻:Heart Rhythm, 11(9):1605-1612(2014)

      03 胎兒心臟檢查

      中國每年有約10-20萬先天性心臟病的患兒出生。當前,胎兒心電圖常常受到胎兒表面皮脂腺、羊水及羊膜等影響,無法準確獲得心臟活動信息。與胎兒心電圖不同的是,由于磁信號不受人體組織干擾,胎兒心磁圖能準確地反映胎兒的心臟情況,是目前唯一可以實現在孕期檢測胎兒心臟活動的手段。Campbell 等研究人員觀察了因胎兒室上性心動過速而入院的兩名單胎妊娠患者和一名雙胎妊娠患者,運用 MCG 來監測孕婦及胎兒心律失常情況,并基于此開展藥物治療,結果顯示,研究中的3例胎兒心律失?;颊呔玫搅擞行У闹委?。

      參考文獻:Obstet Gynecol,108(3-2):767-771(2006)

      心磁探測手段

      心磁技術發展幾十年,心磁圖儀大致可分為超導式心磁圖儀和非超導式心磁圖儀兩種。

    超導式心磁圖儀以磁通量子化和超導約瑟夫森結效應為技術基礎,是較早進入臨床應用的心磁圖儀。目前國內外已經有成熟的生產廠商,如:美國Cardio Ma、德國SQUID AG、芬蘭Neuromag、中國漫迪醫療、卡迪默克等。

    圖3 

    漫迪醫療超導式心磁圖儀

    超導式心磁圖儀需要搭配大型磁屏蔽房,且在使用時需大量液氦制冷以維持超導狀態,而隨著當前全球氦氣資源緊缺,液氦價格不斷上漲,再加上我國氦氣資源基本依賴進口,因此導致其運行成本極高,極大地限制了臨床應用。然而心磁圖又具備顯著的臨床有效性,故科學家們一直在探尋替代方案。

    圖2 

    基于多通道原子磁力計探測成人心磁

      原子磁力計是近些年發展起來的具有超高靈敏度的磁力計。2012年科學家利用基于堿金屬的原子磁力計,搭建了4通道超靈敏原子磁力計陣列(每個通道的靈敏度可達6-11 fT/Hz1/2),成功在磁屏蔽房中獲得了成人的心磁圖。

      參考文獻:Phys. Med. Biol. 57 (2012) 2619-2632

    由于基于原子磁力計的心磁圖儀幾乎沒有運維成本,因此具有大規模臨床應用的潛力。2017年,美國Genetesis公司開始進行基于原子磁力計的心磁圖儀的研發,隨后推出了全球首臺基于原子磁力計的心磁圖儀CardioFluxTM,目前已投入臨床使用。

    圖4 

      基于原子磁力計的心磁圖儀現已成為心磁測量領域的重要發展方向,原子磁力計作為其核心部件,在進一步提高心磁測量靈敏度的同時有效降低了運行成本。在國內,國儀量子基于在量子精密測量領域深厚的技術積累與應用實踐,研制并發布了量子自旋磁力儀(SpinMag-I)。

    國儀量子·量子自旋磁力儀

    圖5 

      國儀量子自研的量子自旋磁力儀(SpinMag-I)利用堿金屬原子(Rb-87)外層電子自旋性質,以泵浦激光作為操控手段,使堿金屬原子產生自旋極化。在外界弱磁場的作用下,堿金屬原子發生拉莫爾進動,改變對檢測激光的吸收,從而實現高靈敏度的磁場測量。量子自旋磁力儀具有靈敏度高、體積小、能耗低、易于攜帶的特點,未來將引領人類在科學研究、生物醫學等磁傳感領域進入量子時代。

     

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