1. Introducere
Domeniul biomagnetismului cuprinde detectarea câmpurilor magnetice extrem de
slabe generate de sistemele biologice, de exemplu, curenții ionici în celulele nervoase și
țesutul cardiac sau prin nanoparticule magnetice (MNP) ale magnetitei (Fe3O4) care se
consideră că apar în mod natural în organismele vii din cauza biomineralizării, sau în
situații de utilizare a agentui de contrast pentru analizele de proteine, în timpul
investigațiilor paraclinice. Mai multe aplicații ale biomagnetismului sunt relevante pentru
diagnosticarea medicală non-invazivă, incluzând studiul funcției inimii și creierului,
diagnosticului nervilor periferici și a măduvei spinării, precum și localizarea țesutului
canceros folosind MNP-uri procesate ca markeri[1],[2],[3]).
Măsurătorile câmpurilor magnetice produse de corpurile biologice vii, care provin din
foarte mici curenți ionici din țesutul cardiac sau din creier (neuroni), folosind magnetocardiografia
(MCG) respectiv magneto-encefalografia (MEG), oferă informații valoroase
despre funcție, fiziopatologie și condiții de sănătate. Astfel de măsurători sunt o provocare.
Pentru a avea valoare în diagnosticul și cercetarea medicală, o măsurare MCG ar trebui să
aibă un raport semnal-zgomot (SN/R) care este comparabil cu cel al electrocardiografiei, de
100, care corespunde cu o inducție magnetică echivalentă cu zgomot (NEMI) în cazul MCG
care este mai mic de 10 fT Hz − 1/2 ı̂n intervalul de frecvențe 1 Hz - 1 kHz. O sensibilitate
similară și o lățime de bandă a frecvenței sunt necesare pentru senzorii care sunt folosiți în
MEG pentru a detecta și caracteriza surse profunde de câmp magnetic din creierul uman.
Sensibilitatea și lățimea de bandă a frecvenței suficiente pentru măsurători biomagnetice în
prezența câmpurilor magnetice de fundal relativ mari (>100-9T) pot fi obținute în prezent
numai prin utilizarea unor senzori speciali („biomagnetometri”), care sunt bazate pe
dispozitive de interferență cuantică supraconductoare (SQUID).
O altă tehnică promițătoare pentru înregistrarea neuromagnetică folosește
magnetometrele atomice (denumite și magnetometre cu pompă optică sau fără schimb de
spin). S-a demonstrat[4] că un senzor de magnetometru atomic pe bază de chipscale pe bază
de spectroscopie optică cu o sensibilitate magnetică de ∼200 fT Hz − 1/2 la 10 Hz este
capabil să înregistreze câmpuri neuromagnetice evocate, spontane și somatosenzoriale.
Echipa lui Johnson C. au utilizat această tehnologie pentru a măsura răspunsul creierului
prin stimularea nervului auditiv și median[5]. Deși magnetometrele atomice sunt
promițătoare, deoarece nu necesită răcire, o problemă cu tehnologia actuală este aceea că
sensibilitatea (∼15 fT Hz − 1/2), domeniul dinamic și lățime de bandă de frecvență prea
restrânsă (∼10Hz) ale senzorilor nu sunt suficiente pentru procesarea majorității
semnalelor MEG. Au fost raportate recent îmbunătățiri, în cazul în care autorii susțin că
noile magnetometre atomice oferă un NEMI mai mare de 1 fT Hz − 1/2 și nu trebuie
protejate de câmpul magnetic al Pământului[6].
Studiile teoretice[7],[8] au arătat că magnetometrele atomice pot oferi o SNR mai mare
și pot înlocui SQUID-urile în sistemele MEG. O publicație recentă[9] arată, de asemenea, o
capacitate de localizare a sursei neuromagnetice folosind un singur magnetometru atomic
(cu un NEMI de 15,9 fTHz − 1/2 ı̂n intervalul de frecvență de 2- 80 Hz) plasat secvențial în
13 locații.
Cu toate acestea, o creștere a intervalului de frecvență este o problemă, deoarece
sensibilitatea și lățimea de bandă a frecvenței unei astfel de tehnologii cu senzori sunt
incompatibile reciproc[10]. Problema discuțiilor încrucișate între senzorii care se află în
imediata apropiere unul de altul va fi, de asemenea, semnificativă, datorită fie difuzării
gazului de la un fascicul de citire laser la altul, fie inductanței reciproce între bobinele de
feedback care înconjoară incintele de gaz.
Mai mult, utilizarea magnetometrelor atomice pentru înregistrarea neuromagnetică
în medii mai puțin ecranate este limitată de gama dinamică a electronicelor de citire. În
schimb, SQUID-urile pot fi configurate ca transformatoare de flux superconductor
graduometric, care înlătură intrinsec zgomotul de mediu în timpul măsurărilor prin
înregistrarea gradientului fluxului magnetic. Mai mult, electronice de citire a fluxurilor cu o
gamă dinamică de -130 dB și o rată de viteză de aproximativ 5MΦ0 s − 1 pot Oi utilizate cu
SQUID-uri de curent continuu cu curent continuu scăzut și înalt (TC)[11].
1[1]Andrä W and Novak H (ed) Magnetism in Medicine. A Handbook (Weinheim: Wiley), 2007
2[2]Clarke J and Braginski A I (ed) The SQUID Handbook Vol 2: Applications of SQUIDs and SQUID
Systems (Weinheim: Wiley), 2006
3[3]Seidel P 2015 Applied Superconductivity: Handbook on Devices and Applications vol 2 (Weinheim:
Wiley), 2015
4 [4] Sander T H, Preusser J, Mhaskar R, Kitching J, Trahms L and Knappe S, Magnetoencephalography
with a chip-scale atomic magnetometer Biomed. Opt. Eorxpress 3 981, 2012
5[5] Johnson C, Schwindt P D D and Weisend M, Magnetoencephalography with a two-color pumpprobe,
fiber-coupled atomic magnetometer Appl. Phys. Lett. 97 243703, 2010
6[6] Sheng D, Li S, Dural N and Romalis M V 2013 Subfemtotesla scalar atomic magnetometry using
multipass cells Phys. Rev. Lett. 110 160802, 2013
7[7] Iivanainen J, Stenroos M and Parkkonen L, Measuring MEG closer to the brain: performance of
on-scalp sensor arrays NeuroImage 147 542, 2016
8[8] Boto E, Bowtell R, Krüger P, Fromhold T M, Morris P G, Meyer S S, Barnes G R and Brookes M J,
On the potential of a new generation of magnetometers for MEG: a beamformer simulation study PLoS
One 11 e0157655, 2016
9[9] Boto E et al 2017 A new generation of magnetoencephalography: room temperature
measurements using optically-pumped magnetometers NeuroImage 149 404, 2017
10[10] Budker D and Romalis M Optical magnetometry Nat. Phys. 3 227, 2007
11[11] Ludwig C, Kessler C, Steinfort A J and Ludwig W, Versatile high performance digital SQUID
electronics IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 1122, 2001
12[12] Michael Tinkham, Introduction to Superconductivity", Dover Publications, 1996, pp. 1-4.
13[13] David J. Gri_ths, Introduction to Electrodynamics", 3rd edition, pp. 234-240.
14[14] Mr.SQUID User's Guide, Version 6.4.
Pentru a descărca acest document,
trebuie să te autentifici in contul tău.
