浅谈心脏磁场的检测及心脏源模型建模

1、浅谈心脏磁场的检测及心脏源模型建模    关键词： SQIUD检测；心脏磁场；电磁源模型；伪电流密度图1 背景介绍 科学技术的发展使得生物电磁技术等领域取得的了突破行的进展。1903年荷兰的Einthoven用改进的弦线减流计记录了实用的心电图，从而开创了现代心电图学的主题。近年来，以无创伤，无辐射，非接触，非侵入时为特点的心磁图（MCG）逐渐发展起来1，2，并且对局部电流心肌电流高度敏感等特征3。 心脏磁场检测系统则能够精确的测量在心脏活动中由电流在心肌纤维组织中流动而产生的空间和短暂的及其微弱的磁场。心脏磁场的数量级约为10-10T，远小于地磁场（约

2、为10-5T），因此检测心脏磁场需要敏感的探头并且需要尽量屏蔽掉外部磁场的影响。随着科技的发展，在1963年McFee首次测量到了心磁图4，1972年Cohen研究组首次在实验室采用心磁图仪检测到了人体心脏磁场信号。 心磁图（MCG）技术的应用填补了常规低灵敏度无创心脏病诊断方法和介入诊断方法之间的空白。与心电图相比，心磁图作为一种新的心脏信息来源既避免了有创检查（如造影技术）操作难度大且具有危险性的弊端，又能使无创伤的检查的灵敏度从现在50%提高到95%以上，且检测方法简单，无任何有害辐射及无须注射任何药物，具有心电图所不具有的优势。MCG技术同MRI同时使用，可用于功能性心脏病的诊断。此外

3、，MCG在治疗心肌缺血和心律不齐等方面也表现出了一点的诊断能力，在医学领域具有广泛的应用前景5。 2 心脏磁场检测的发展历程 2.1 心脏磁场的产生 由人体产生的磁场称为生物磁场，可以分为两类，一种是体内细胞膜内外的离子运动形成的生物电流而产生的磁场，称为变动磁场，心脏，手腕，眼，脑等都可产生。另一种是由于自然界含有铁性成分及某些磁性物质经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而在人体外形成的磁场，称为定常磁场6。 在心脏收缩期，流经心肌细胞细胞膜的离子流可以产生兴奋电流。在电流兴奋过程中，每个细胞都可以看成一个微小电流源，所有的这些微小电流源叠加起来就是产生心脏磁场（MCG）的电流源。由于心脏中的电

4、流与心肌细胞的活动密切相关，所以该电流又称为注入电流或一次电流。该电流决定了心脏周围组织及体表电势的分布，心电信号正是通过检测体表电势来获取的。与此同时，二次电流，通常称为容积电流，在胸腔内流动，它同样对心脏磁场的检查有影响。通过记录ECG（心电信号）和MCG（心磁图）信号，我们可以得到随时间变化的人体体表的电势图和磁场图7。 2.2 生物磁场测量的发展历程 由于人体产生的磁场相当微弱，在强的地球磁场和城市磁场的噪声环境中测定就非常困难，因此生物磁场的测定必须在除去外界噪声干扰后才能进行。城市噪声约为10-7T，郊外约为10-9T，地球磁场约为10-5T。 因而，在磁场检测方面，一方面要采用高

5、灵敏度的磁场传感器，另一方面要设法减弱环境磁噪声的干扰。 磁场传感器目前普遍采用低温SQUID，它是基于超导效应（Josephs on effect）制成的，其工作温度为4.2K（液氦温度）。不过最近有不少研究者的实验结果表明，用高温SQUID（工作温度77K，用液氮）也可以取得满意的结果，接近低温SQUID的性能。9 减弱环境磁噪声的干扰一般采用以下几种方法： 1）用传统磁场屏蔽室，使磁场噪声基本上完全被屏蔽，即在磁场屏蔽室内进行测定。在磁场屏蔽室的制造过程中，密闭性技术要求高，难度大，而且造价非常高。 2）在通常环境下，利用感应电压互相抵消原理，采用差动式磁场梯度检测方式制成棒式磁场强度计

6、，被称为一级差动式磁场梯度检测计。 3）把1）和2）结合起来使用，即在磁场屏蔽室内，用二级差动式磁场梯度计来进行人体最微弱磁场的检测。 4）用高温超导材料制成磁场屏蔽室或磁场屏蔽装置，在普通环境下进行人体微弱磁场的检测。它是屏蔽磁场噪音效果较好，适用于临床的装置，利用它能在通常的环境条件下，对微弱磁场进行检测。 3 心磁图的分析方法 心脏磁场分析方法一般有伪电流密度图法，偶极子的电磁源模型。 3.1 伪电流密度图法 正常心磁图有固定的波形，在病理状态时就会出现异常波。因此，分析研究心磁图的波形变化及求解心脏电流源位置的变化对疾病的诊断有一定程度的临床意义。伪电流密度图是一种早期的一种诊断方法。

7、 从伪电流密度图中，可以根据箭头的方向，长短，及旋的大小方位可以初步分析出心脏的一些信息。如果ST-T时段的电流向量分布出现紊乱，则表示心肌复极过程异常，在冠心病诊断上有重要的价值11。 3.2 偶极子的电磁源模型 心电的基础理论研究涉及心电正问题和逆问题。所谓正问题就是在已知状态下，根据心肌的电生理特性参数，通过建立心脏模型和人体躯干模型，用仿真的方法来研究心肌的兴奋如何传播，如何形成体表点位。所谓心电逆问题是指依据体表电位的分布，人体的几何形状及躯干容积导体的电特性，通过数学物理方法来求心脏电活动的定量解12。同样，在进行心脏电磁偶极子模型的过程中，要先建立心脏源模型。在模型的基础上，可以

8、根据磁场数据，进一步求解和分析等效的心脏源的位置，幅值，方向，强度等信息。这些信息可以直接或者间接的描述心肌细胞的电活动，从而辅助某些临床心脏疾病的诊断。1976年Cohen和Hosaka，1980年Savard研究组，1988年Purcell研究组，1991年Nenonen研究组及1996年Hren研究组等提出了多种形式的等效电磁偶极子模型13。        假设人体躯干为无限均匀导体，在单电流偶极子模型中，检测平面上任意一点的磁场值可表示为 相对于单电流偶极子，多电流偶极子有更高的自由度，使源模型能更好的反应

9、心脏电活动，但是另一方面也大大增加了求解的难度，单电流偶极子模型只需要解出5个位置参数，双电流偶极子要10个，而M个电流偶极子要求出5*M位置参数。 由电磁理论可知，磁偶极子实际可用看作一个直径远小于测量距离的小圆电流环的等效模型。电流环的面积与电流的乘积，称为磁偶极矩由于磁和电的对应关系，根据电流偶极子模型可以推导出磁偶极子源模型。在远离偶极子处，磁偶极子和电偶极子的场分布相同，但在偶极子附近，二者场分布不同。 4 结束语 最近几年来，国际上对心脏磁场的研究出现了瓶颈，原因有一下几个方面： 1）心脏有一个周期性扩张和收缩的运动，而且每一个的心跳周期都不一致，这是心脏研究过程中需要解决的一个难题。 2）由于每个人的胸腔的电导率都不一致，这为心脏躯干模型的建模带来了困难。 但是相信随着技术的发展，这些问题会被一一解决的。 就我国心脏电磁学的研究状况来看，心脏电信号