新一代“小小能量”探测器,光泵原子磁力计OPM

前言

人体由200多种细胞组成,其中神经细胞、肌细胞和部分腺细胞等能产生动作电位。各种离子不断穿梭于细胞膜,使得动作电位的电信号在轴突上传播,从而在人体中形成各种电生理活动,这些电生理活动构成了人体电磁场[1]

历史

电与磁作为一对“孪生兄弟”,是物理学和谐之美的典型体现。早在1819年,奥斯特首先发现电流会产生磁场效应[2];1865年麦克斯韦提出了麦克斯韦方程,全面地揭示了电场与磁场之间的转换关系,构成了现代社会不可或缺的电磁理论基础[3]。

生物电场产生生物磁场。1838年马图奇用神经肌肉标本证实了收缩肌肉内有生物电的存在[4]。此后生物电的研究迅速发展,1875年卡顿利用一种对电脑敏感的粗糙装置在狗和兔子的脑表面记录到了电活动[5],1929年奥地利精神病学家贝格尔首次描述了人类的EEG信号[6];心电图和脑电图早已成为临床重要诊断手段。而相比之下,直到1963年美国鲍尔和麦克菲记录到第一张心磁图(MCG)[7],生物磁信号首次记录比生物电信号首次记录落后了大约90年。而追其落后原因则是多方面的,但主要的是探测仪器的分辨率达不到要求、生物磁信号极其微弱并深深地淹没在环境磁噪声之中。

随着科学技术的不断发展,尤其是1972年科恩的约瑟夫森结超导量子干涉磁强计(SQUID)的问世[8],标志着现代脑磁图仪的开端,才使得生物磁场的研究得到较快的发展。

“小小能量”探测器

人体生物磁包括前言中提到的天然生物电流产生的磁场,还包括由强磁性物质产生的剩余磁场,是强磁性物质粉末侵入人体某些器官在外界磁场作用下被磁化产剩。目前为止探测到的人体磁场有:心磁场、脑磁场、肺磁场、神经磁场、肝磁场、视网膜磁场、肌磁场等。 

人体生物磁的强度都很微弱,图1给出了人体生物磁与环境磁场的大小对比,可以看出相比强大的环境磁场,人体生物磁的强度很微弱,介于10-106fT量级。如何从强大的环境磁场背景中提取人体磁场信号一直是科学家们力求解决的问题。迄今有心磁图、脑磁图、肌磁图和、神经磁图(针对脊髓的就为脊髓磁图)。图2和表1展示了不同生物磁波波形和特点。

参考文献

[1] A. Hatano.Database, vol. 2011, Oct. 2011, Art. no. bar046.

[2] H. C. Örsted. J. Chem. Phys. 1820, 29, pp 275–281.

[3] J. C. Maxwell. Phil. Trans. R. Soc. (Lond.). 1865, 155,

pp 459–512.

[4] C.Matteucci. Ann. Chim. Phys. (2ème série). 1838, 68,

pp 93–106.

[5] Caton.R. The ChicagoJournal of Nervous & Mental Disease., 1875, 2(4):p 610.

[6] BergerH. Arch. Psychiatr. Nervenkr.,1929,87(1):527.

[7] L. Nobili. J. Chem. Phys. 1825, 45, pp 249–254.

[8] Cohen D. Science,1972,175(4022):664.

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