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新型磁力计技术实现近距离检测胎儿心脏状况

2018-07-17 09:27
来源: 微迷网

人的体内可以产生电场,而这种电场可以有效地帮助医生进行疾病诊断。临床医生经常使用这些电场信号来检测大脑、心脏、神经和肌肉的功能,因为人体产生的电场可以提供其他方式不可比拟的信息。

但这种方法也有一定的局限性。例如,来自胎儿心脏的电信号就很难收集,因为胎儿产生的电信号很容易被母亲的信号所覆盖。这使得一些胎儿的心脏状况特别难以诊断。

然而,还有另一种方法可以用来研究人体的电活动,即通过测量电场产生的磁场。由于磁场会在短距离内迅速衰减,这就使得医生可以更容易地将胎儿信号与母亲的信号分离开。

但是,要想使用具有高灵敏度的磁力计,必须依赖于超导技术,这种技术的实施温度必须冷却到液态氦的温度。所以医生还需要用绝缘材料隔离人体和磁力计,以防止这些设备接近人体器官。因此,人体产生的磁信号一直很弱。

我们需要的是一个能在室温下工作的磁力计,它可以被放置在受监测目标的几毫米距离之内,并且依然保持足够灵敏,以便可以测量出我们需要的磁性信号。

如今,多亏了丹麦哥本哈根大学的Kasper Jensen和他的同事们的研究,现在看来这个愿望可能要成真了。他们用一个在室温下工作的磁力计测量了从胎儿大小的心脏发出的各种诊断信号。这项工作有可能对生物磁场的测量产生革命性的影响,并且可以帮助医生诊断用其他方法根本无法检测到的胎儿心脏状况。

在室温下能检测到胎儿心脏磁信号的仪器被称为光泵磁力计。它由一小瓶原子气体组成(原子气体是气体在高温状态下的一种状态。随着气体温度的升高,气体分子的互相碰撞加剧,分子被碰碎了,从而变成单个的气体原子,即原子气体。),在上述例子中是铯原子。每个铯原子的自旋对周围的磁场高度敏感,这使得铯原子能够成为有用的测量工具。

首先,所有原子的自旋必须在同一个方向上排列。排列的过程可以用偏振光激光做到。当激光消失时,自旋的过程开始取决于附近的磁场。在原子根据磁场旋转一小段时间之后,再次测量这些原子的旋转状态,可以观察出这期间的变化,从而揭示当地磁场的强度和方向。

近年来,各个团体组织已经开始使用光泵磁力计来研究生物磁场,但大多数都以失败告终。

磁力计只能捕获很窄的波段宽度的信号,所以它不能获得所需的所有信号。

在很多种仪器中,原子必须被加热到几百摄氏度才能到达检测需要的状态,因此就必须将磁力计与被检测体隔离。而由于磁场强度在短距离内会急剧下降,所以这将大大减弱设备的检测效果。

Jensen和他的同事用一种小型的光泵磁力计解决了这些问题,这种磁力计较以前的磁力计具有更宽的波段敏感度,并它能在体温下工作。这也就意味着该设备可以直接放置在被检测器官上,或者放置在被监测器官的几毫米之内。

研究小组对这个光泵磁力计进行了测试,他们用仪器测量在实验室中分离出来的豚鼠心脏产生的磁场。因为豚鼠心脏和人类胎儿心脏的大小差不多,因此这个实验进行了很有效的测试。

测试的结果让人欣喜。Jensen和他的同事说,他们清楚地检测到了心跳以及各种各样的诊断特征。

对于一颗正常的心脏来说,肌肉收缩是“心跳”的标志,这是由心脏表面的电波传播引起的。

这个过程持续好几波,这也就导致了在心脏不同部位可以同步收缩。

心脏病学家用字母P、Q、R、S和T来标记这些波,它们之间的时间间隔是反映心脏功能的一个重要指标。

对于胎儿心脏的心脏来说,有一个很有趣的信号:Q-T间隔。当Q-T间隔延长时,就表明胎儿的心脏可能存在严重的问题。然而,心电图不能用于胎儿心脏的检测。

Jensen和他的同事说他们发明的新技术可以解决这个问题,能够检测到检测胎儿心脏的Q-T间隔。为了说明仪器是能做到的,他们对实验的豚鼠喂食药物,诱导它们的心脏产生Q-T间隔延长的问题。他们说,光泵磁力计非常清楚地发现了相关的诊断信号。

这项有趣的成果具有非常重大的意义。Q-T间隔延迟病症平均在每2500个新生儿中就会产生一例,这种病越早发现越好。而Jensen和他的同事新研究出的技术正好能做到这一点。

Jensen和他的同事说:“根据我们对豚鼠心脏的测量,我们得出的结论是:在18-22周的妊娠期,对人类胎儿心跳的实时检测应该是可能的,那时预计心脏和仪器之间的距离会大于5厘米。”

这项技术将开创更加美好的未来。下一个阶段的工作是在人类身上测试这项技术,然后再针对孕妇进行检测。而且这项技术还可以运用到其他场景,用来测量身体的其他部位,比如测量大脑和神经系统产生的磁场。准备好迎接一种全新的诊断工具吧!

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