光学原子磁力仪

心磁信号探测的意义　　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。　　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。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。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。　　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　　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。

p style="text-indent: 2em text-align: justify "近日，中国科学院生物物理研究所完成我国首台基于原子磁力计的新型多通道脑磁图系统原型机，并成功获得高质量脑磁信号。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "脑磁图（MEG）设备可通过探测大脑神经活动产生的颅外微弱的磁信号，来反映神经活动发生的位置和时间过程。与其他脑成像技术相比，脑磁图设备能观测到功能磁共振成像（fMRI）无法获得的脑功能实时动态信息，空间定位精度显著高于脑电（EEG），且安全、无创，是脑科学研究中的先进技术手段。脑磁图在临床医学上也有重要应用，例如在癫痫病灶的定位、术前语言功能区定位等领域具有特殊重要的作用。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "传统脑磁图设备基于超导量子干涉仪（SQUID），需在超低温下运行，购置和运行成本高昂，且探头位置固定并距头皮较远，适应性差，大大妨碍了该技术的普及。基于原子磁力计的脑磁图系统是近年来新出现的技术，可在常温下工作，探头可紧贴头皮，具备低建设/运行成本、高灵敏度和高适应性（可做成可穿戴式系统）的优势，有望提高脑磁图普及率并拓展到更多的研究和临床领域。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "生物物理所已成功搭建一套12通道的原子磁力计脑磁图原型机，其中包含96通道3D打印个性化定制，可兼容多种探测器可调型脑磁图头盔等创新技术，并已成功获得高质量脑磁成像信号。与传统SQUID脑磁图系统相比，该原型机信噪比局部提高一倍以上，在某些应用上，通过调整探测器布置，可使用比传统SQUID脑磁图少得多的探头就能达到相同或更高的定位精度。该原型机可有效探测海马、小脑等传统脑磁无法有效探测的脑深部区域，还可有效应用于传统脑磁图难以应用的低龄儿童、帕金森患者等群体，在发育心理学和脑疾病诊断等领域有着潜在的应用前景。/pp style="text-indent: 2em text-align: left "相关研究由生物物理所脑与认知科学国家重点实验室完成。该实验室已装备国内首台科研专用3T、7T人类磁共振成像系统和传统脑磁图系统。/pp style="text-align:center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/d829f8d2-1fea-4093-abc8-71f31428286c.jpg" title="1.png" alt="1.png"//pp style="text-indent: 2em text-align: center "原子磁力计脑磁图原型机br//p

原子周围产生的磁场被认为是磁力的起源，透射电镜的分辨率现在虽然可到原子级，但样品往往放在强磁场中，因此原子周围的磁场无法被观测。由日本东京大学和日本电子会社（JEOL）联合开发的原子级分辨率无磁场透射电镜（MARS）使这种观测成为可能。最新研究结果今年2月10日在Nature上发表(https://www.nature.com/articles/s41586-021-04254-z)。 MARS外观图(上图）a) 原子构造模型，箭头为磁矩方向b) 113K下原子分辨率的STEM图像c) 113K下获得的DPC像处理后的磁场像d) 根据原子构造模型模拟的磁场结果 详情咨询日本电子株式会社在中国的子公司捷欧路（北京）科贸有限公司及其分支机构。 捷欧路（北京）科贸有限公司 袁建忠提供