1、|信息通信技术与政策量子磁场测量技术在生物磁场成像领域的应用现状与产业趋势孙畅丁铭(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191)摘要:量子磁场测量技术可实现磁场测量灵敏度的跨越式发展,近年来成为世界各国及地区的研究热点。首先对量子磁场测量技术的发展进行了简述,然后介绍了量子磁场测量技术在生物磁场成像领域的应用,最后分析了量子磁场测量技术的两大重要应用方向(心磁图仪和脑磁图仪)及其产业现状和未来发展趋势。关键词:量子磁场测量;心磁图仪;脑磁图仪;原子磁力计;超导量子干涉仪中图分类号:TN918.0413 文献标志码:A引用格式:孙畅,丁铭.量子磁场测量技术在生物磁场成像领域的应用
2、现状与产业趋势J.信息通信技术与政策,2023,49(7):68-77.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0090 引言量子磁场测量技术作为量子信息领域的重要发展方向之一,可实现超高灵敏度的磁场测量,在生物医疗、地球物理、工业检测、前沿科学等领域具有重要的应用价值,尤其在生物磁场成像领域,愈加凸显其重要地位,目前已成为世界各国及地区的研究热点。2018 年,美国推出国家量子计划法案,计划在10 年内投入12.75 亿美元,全力推动量子科学发展,生物医学成像中的磁场检测是其重要研究方向之一。2020 年,美国能源部宣布在未来 5 年投入 6.25 亿美元
3、建设 5 家量子信息科学研究中心,由美国阿贡国家实验室领导的下一代量子科学与工程中心(Q-NEXT)重点关注的三项核心量子技术就包括用于生命科学领域的超高灵敏度磁场传感器。从 2016 年起,欧盟委员会连续发布多个量子计划,其中斥资 10 亿欧元的“量子技术旗舰计划”最为重要,而用于医学成像的基于微型原子气室量子磁场测量技术则作为其首批量子技术旗舰项目之一。英国已将量子磁场测量技术提升到国家战略高度,2015 年由英国技术战略委员会提出的英国未来 30 年量子技术商业化应用初步路线图显示,在520 年内,将实现对心脏和大脑功能的医疗诊断。日本对于量子信息技术一直十分重视,2018 年发布的“量
4、子飞跃旗舰计划”(Q-LEAP)将量子测量集中在量子生物磁场传感等方向,主要开发用于生物医学技术的量子传感设备,包括具有高灵敏度和高空间分辨率的脑磁图测量原型系统。我国也将量子磁场测量技术纳入国家科技发展战略重要领域,国家创新驱动发展战略纲要和中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要把量子信息技术作为重点培养的颠覆性技术之一。2016 年,“量子调控与量子信息”重点专项成立,并将“高精度原子磁强计”作为重点专项研究主题之一1。可以看出,量子磁场测量技术在生物医学领域的86专题:量子信息技术2023 年第 7 期应用价值和巨大发展前景已经成为世界各国及地区的共识,而目前的应用场景主要
5、集中在生物磁场成像中的心磁成像和脑磁成像两大领域。1 量子磁场测量技术发展目前,已有磁场测量技术主要包括霍尔传感器、磁阻传感器、感应线圈传感器、磁通门磁强计、磁共振磁强计、超 导 量 子 干 涉 仪(Superconducting Quantum Interference Devices,SQUID)以及原子磁力计。其中,霍尔传感器、磁阻传感器、感应线圈、磁通门磁强计属于传统的磁场传感器,结构简单,技术成熟,但灵敏度较低;磁共振磁强计、SQUID 及原子磁力计则是基于量子磁场测量技术,可以实现灵敏度更高的磁场测量水平。20 世纪 30 年代发展起来的基于电磁感应原理的磁通门磁强计,灵敏度只能达
6、到 nT(10-9 T)量级;20世纪 50 年代,磁共振磁强计逐渐发展起来,灵敏度相比于磁通门磁强计提升约 3 个数量级,达到了 pT(10-12 T)量级,但仍不能完全满足生物磁场信号的测量需求;20 世纪 60 年代,基于约瑟夫森效应的 SQUID开始出现,并于 20 世纪 90 年代达到了 1 fT/Hz1/2(10-15 T)的磁场测量灵敏度,可用于心磁、脑磁测量。但 SQUID 工作条件较为苛刻,需要保证 24 h 不间断的液氦冷却,维护成本极高。大脑磁场 心脏磁场 肺颗粒磁场 地球 磁场 原子磁力计技术 计计SQUID 技术 磁共振 技术 磁通门 技术 磁场强度/T 10-18
7、10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 图 1 磁场测量技术进展与生物磁场幅度对比2002 年,美国普林斯顿大学成功研制出基于无自旋交 换 弛 豫 效 应(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)的原子磁力计2,其理论测量灵敏度可达 aT(10-18 T),目前已公开报道的最高测量灵敏度指标为0.16 fT/Hz1/2 3。原子磁力计可工作在常温状态,无需液氦制冷,因此在生物磁场测量领域的应用场景更为灵活,代表了全球量子磁场测量技术发展的新方向。图 1 显示了磁场测量技术进展及对应的生物磁场幅度。从图 1 可以看出,在生物磁场测量领域,基于量子磁场测
8、量技术的 SQUID 传感器和零场原子磁力计满足使用需求,目前市场上已有成熟产品。SQUID 传感器的全球前端企业主要有德国 Infineon Technologies,奥地利 AMS,日本 Kohshin Electric、Asahi Kasei Micro Devices、TDK Corporation,荷兰 NXP Semiconductors,瑞士TE Connectivity,美国 Honeywell、Allegro Microsystems,以及比利时 MELEXIX。而能够提供零场原子磁力计商用产品的企业主要是美国的 QuSpin 以及我国的北京未磁科技有限公司。2 量子磁场测量
9、技术在生物磁场成像领域的应用 人体生物磁场中包含人体内部各种组织以及器官的丰富信息,对人体生物磁场进行测量,可以无创、无接触地获得有关人体内部健康或疾病的信息,其检测效果及便利程度已超出对人体生物电的测量。近几十年来,生物磁场检测技术取得了令人瞩目的成就。随着量子磁场测量技术的发展进步,不断地促进心磁图、脑磁图等先进技术的临床应用,使得生物磁场成像已成为极其重要的医学手段,在心脑血管重大疾病诊断等医学领域具有重要的应用价值。2.1 心脏磁场成像人体心磁信号是在心脏跳动的过程中由心肌细胞内离子活动产生,且信号微弱,只有几十 pT 量级,相当于地球磁场(大约为50 000 nT)的百万分之一。心磁
10、图(Magnetocardiography,MCG)是一种对心脏磁96|信息通信技术与政策场信号进行无创、无辐射检测的技术,目前采用的磁场测量技术途径主要为 SQUID 或者原子磁力计。大量的临床研究表明,MCG 有助于冠心病、心律失常、心室肥厚等心血管疾病的筛查,以及胎儿心脏功能的评估。相应的分析方法主要是对 MCG 得到的磁场分布图、电流密度分布图以及磁场强度时间谱线进行分析以实现对各类疾病的临床诊断。2.1.1 冠心病针对冠心病,MCG 主要是对心肌缺血造成的心肌复极不一致进行检测。研究表明,MCG 能够实现冠心病的精确诊断。Chaikovsky 等4针对 49 例健康人及51 例冠心病
11、患者(18 例为冠状动脉三支病变、17 例为双支病变、16 例为单支病变)进行了 MCG 检查,并分析了磁场分布图及电流密度分布图的变化情况,结果显示健康人组在心室复极期(ST-T 段)的电流分布方向均一致,而冠心病患者组则出现额外电流区,其方向与最大矢量方向不同,且出现位置与狭窄冠状动脉的解剖位置有关。同时,该 MCG 与冠状动脉造影进行对比,结果表明心磁图的诊断具有高度敏感性(91%)和特异性(84%),判断冠状动脉病变部位的准确率为79%4。Li 等5针对 116 例健康人和 101 例冠心病患者进行 MCG 研究,发现冠心病患者组 MCG 中的 T 波最大电流密度矢量值的比值(R-ma
12、x/T-max)、R 值(ST 段间期严重异常伪电流密度图与总伪电流密度图的比率)及平均角度(ST 段间期伪电流密度图中最大向量角度的平均值)显著高于健康人组。在 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5。2.1.2 心律失常心磁图可用于对心律失常患者进行评估,并准确定位心律失常部位。Ito 等6根据电生理检查结果将特发性室性期前收缩患者分为右心室流出道和主动脉窦两组,比较分析两组的心磁图后发现,利用心磁图能够定位流出道室性期前收缩的起源部位,
13、并具有较高准确率。一项针对 51 名患者的研究显示,利用心磁图的 3 个参数区分不同起源部位(右心室流出道、主动脉窦)室性心律失常准确率达 94%6。Korhonen 等7比较了 53 名有室性心动过速病史和 83 名无室性心动过速病史心肌梗死患者的心磁图,结果发现心磁图晚期电活动和碎裂 QRS 波群这两个参数在两组间差异有统计学意义,并进一步提出心磁图对于室性心动过速的预测能力较心电图更强。2.1.3 心肌病心磁图可针对非缺血性扩展型心肌病、心室肥厚等进行诊断或风险评估。Kawakami 等8利用 MCG 测量左心室传导时间(Left Ventricular Conduction Time,
14、LVCT),以预测非缺血性扩张型心肌病(Non-Ischemic Dilated Cardiomyopathy,NIDCM)患者的心血管不良事件。与健康人组相比,NIDCM 组的 LVCT 显著延长,在 2.2 年的随访期间,心血管不良事件发生率为 11/63(约 18%)。研究结果表明,MCG 可无创地显示 QRS持续时间正常 NIDCM 患者的 LVCT,且 LVCT 延迟可作为 NIDCM 患者的心血管不良事件独立预测因子8。华宁等9对 38 例临床诊断为左心室肥厚的患者及 29 例健康人进行 MCG 检查,分析比较其诊断特异度、灵敏度,研究结果表明,左心室肥厚患者心磁图与健康人组有显著
15、不同,心磁图对左心室肥厚诊断的灵敏度、特异度、预测准确率分别为 68.4%、84.9%、82.4%,心磁图可用于左心室肥厚患者无创性检查,并具有一定诊断价值9。2.1.4 胎儿心律失常胎儿心电图常常受到胎儿表面皮脂腺、宫颈等绝缘物以及母体等因素的干扰从而影响结果的准确性。相比于胎儿心电图,胎儿心磁图(fetal Magnetocardiography,fMCG)由于磁场信号不受人体组织干扰,因此可穿透宫颈、皮脂腺等组织将胎儿的心磁信号与母体的心磁信号分开,能够更加准确且直观地反映胎儿的心脏功能情况,是目前唯一可以在孕期对胎儿心脏电生理活动进行准确监测的技术。Wakai 等10进行了一项利用fM
16、CG 表征折返性胎儿室上性心动过速(Supraventricular Tachycardia,SVT)的起始和终止电生理模式的研究,受试者由诊断为 SVT(胎心率 200 bpm)的 13 名胎儿组成,fMCG 记录了 5 种不同的启动模式和 4 种终止模式,最常见的启动模式涉及折返性自发性房性早搏,研究结果表明,fMCG 提供一种分析子宫内复杂快速心律失常的无创方法,其功效接近产后心电图监测。Campbell 等11观察因胎儿室上性心动过速入院的两名单胎妊娠患者和一名双胎妊娠患者,运用 fMCG 来07专题:量子信息技术2023 年第 7 期监测孕妇及胎儿心律失常情况并指导氟卡尼药物治疗,结果显示 3 例胎儿心律失常均得到有效的治疗且出生后无复发。2.2 脑部磁场成像人类的脑磁信号来自大脑皮层中作为主要投射神经元的锥体细胞,当大脑产生意识活动时,锥体细胞内将发生微弱的电流变化从而产生脑磁信号。脑磁信号非常微弱,仅为数十 fT 量级,约为地球磁场的 1/109。脑磁图(Magnetoencephalography,MEG)是利用多通道高灵敏量子磁场传感器置于受试者大脑上方连续采集脑部磁
