Magnetocardiography measurements using an optically pumped magnetometer under ambient conditions

In dit werk wordt de ontwikkeling van een rubidium-gebaseerde optisch gepompte magnetometer beschreven die in onbeschermde omgevingen succesvol wordt ingezet voor het niet-invasief meten van menselijke hartmagnetische velden, wat veelbelovend is voor klinische diagnostiek.

De kern

🧠 De Hartslag van de Aarde: Een Nieuwe Manier om het Hart te Luisteren

Stel je voor dat je hart niet alleen een spier is die bloed pompt, maar ook een kleine magneet die een heel zwak magnetisch veld om zich heen creëert. Normaal gesproken is dit veld zo zwak dat het verdwaalt in de enorme "ruis" van de wereld om ons heen: de magnetische velden van het aardmagnetisme, elektrische apparaten in de muur en zelfs de lift in het gebouw.

Vroeger was het alleen mogelijk om dit hart-magnetisme te meten met gigantische, dure machines die op vloeibare stikstof (koud als de ruimte!) werkten en in een zwaar afgeschermd kamer stonden. Dat is als het proberen te horen van een fluistering in een stiltezaal, terwijl je in een kamer zit die volledig geluiddicht is.

GDQLabs heeft nu een slimme oplossing bedacht: een apparaatje dat werkt op kamertemperatuur en het fluisteren van het hart kan horen, zelfs in een drukke, niet-afgeschermde kamer.

🛠️ Hoe werkt dit? De "Tweeling-Oplossing"

De wetenschappers hebben een apparaat gebouwd dat gebruikmaakt van rubidium (een zacht metaal) en laserlicht. Denk aan dit apparaat als een heel gevoelig "magnetisch oor". Maar om het werkend te houden in een rommelige omgeving, hebben ze een slimme truc toegepast:

1. De Tweeling: Ze hebben twee van deze magnetische oren naast elkaar geplaatst, op een afstand van 35 mm.
2. De Referentie: Het ene oor (de hoofd-ontvanger) ligt dicht bij de borstkas van de patiënt en luistert naar het hart. Het andere oor (de referentie) luistert alleen naar de achtergrondruis van de kamer.
3. De Aftrektruc: De computer neemt het signaal van het hoofd-oor en trekt daar het signaal van het referentie-oor van af.
   • De analogie: Stel je voor dat je twee mensen in een drukke zaal hebt. Eén persoon luistert naar een zanger op het podium, de ander luistert alleen naar het geklets van de menigte. Als je het geluid van de menigte van het geluid van de zanger aftrekt, blijft er alleen de zanger over. Zo werkt dit apparaat: het filtert de "menigte" (de magnetische ruis) eruit en laat alleen het "zanger" (het hart) over.

📍 Het Meten: Een Kaart van het Hart

De onderzoekers hebben dit apparaat op vijf verschillende plekken op de borstkas van een gezonde vrijwilliger geplaatst. Het resultaat was verbazingwekkend:

• Ze konden de QRS-complex zien (dat is het grote piekje in een hartslag).
• Ze zagen dat de richting van het magnetische veld veranderde naarmate ze van plek veranderden. Dit is als het zien van hoe de windrichting verandert als je op verschillende plekken in een veld staat; het bewijst dat het apparaat echt het hart "ruikt" en niet zomaar ruis opvangt.

🎧 De Resultaten: Duidelijker dan ooit

Zelfs zonder die zware, dure afscherming, was het signaal kristalhelder.

• De ruis: Het apparaat is zo stil dat het nauwelijks meer dan 3 "picoTesla" (een heel kleinheidje) aan ruis heeft.
• De kwaliteit: Door de metingen van honderden hartslagen samen te voegen (gemiddeld), werd het signaal steeds duidelijker, net als hoe een foto scherper wordt als je meerdere foto's van hetzelfde onderwerp over elkaar legt.

🚀 Waarom is dit belangrijk?

Dit is een enorme stap voor de medische wereld.

• Geen ijskoud apparaat meer: Het werkt op kamertemperatuur.
• Geen dure kamer meer: Het kan in een gewone kamer worden gebruikt.
• Toekomst: Dit maakt het mogelijk om in de toekomst compacte, draagbare apparaten te maken die artsen kunnen gebruiken om hartproblemen (zoals een slechte doorbloeding) sneller en nauwkeuriger te detecteren dan met de huidige methoden.

Kortom: GDQLabs heeft een manier gevonden om het hart te "luisteren" zonder dat het hart in een magnetische kooi hoeft te zitten. Ze hebben de ruis van de wereld eruit gehaald met een slimme tweeling-truc, zodat we eindelijk de fluistering van het hart weer duidelijk kunnen horen.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Magnetocardiografie met een optisch gepompte magnetometer onder omgevingsomstandigheden

1. Het Probleem
Magnetocardiografie (MCG) is een niet-invasieve techniek die de magnetische velden meet die worden gegenereerd door de elektrische activiteit van het hart. In tegenstelling tot elektrocardiografie (ECG) vereist MCG geen direct elektrisch contact en wordt het signaal minder beïnvloed door de geleidende eigenschappen van biologisch weefsel, wat het waardevol maakt voor het lokaliseren van cardiale bronnen en het detecteren van aandoeningen zoals ischemie.

Echter, de klinische adoptie van MCG is tot nu toe beperkt door twee hoofdproblemen:

• Hoge kosten: Traditionele systemen maken gebruik van Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID's), die cryogene koeling vereisen.
• Omgevingsruis: De cardiale magnetische signalen zijn extreem zwak (in de picotesla-range). Om deze te detecteren, zijn zwaar afgeschermde kamers (magnetically shielded rooms) noodzakelijk om omgevingsmagnetische ruis te elimineren. Bestaande kamer-temperatuur sensoren (zoals fluxgates of NV-centra) hebben vaak nog te veel ruis voor gebruik in niet-afgeschermde omgevingen.

2. Methodologie
De auteurs hebben een systeem ontwikkeld dat MCG-metingen mogelijk maakt in een niet-afgeschermde omgeving (ambient conditions) door gebruik te maken van een rubidium-gebaseerde scalar optisch gepompte magnetometer (OPM) in een gradiometrische configuratie.

• Hardware:
  • Het systeem gebruikt één laserstraal die via vezeloptiek wordt gesplitst om twee rubidium-dampcellen te verlichten.
  • De cellen zijn gescheiden door een afstand van 35 mm en werken als een gradiometerpaar.
  • De cellen worden verwarmd met lasers en omhuld met grafen-coating voor uniforme temperatuurverdeling, waardoor ze bij kamertemperatuur werken.
  • De primaire sensor staat dicht bij de borstkas van het onderwerp (<1 cm afstand), terwijl de secundaire sensor als referentiekanaal dient om gemeenschappelijke achtergrondruis op te vangen.
• Data-acquisitie:
  • De signalen worden bemonsterd met 5 MHz en verwerkt om de Larmor-precessiefrequentie te extraheren, die wordt omgezet in een magnetisch veld (bandbreedte 100 Hz).
  • Metingen werden uitgevoerd op vijf verschillende locaties op de thorax van een gezond vrijwilliger.
  • Tegelijkertijd werd een ECG-signaal (Lead I) opgenomen om de hartcycli te synchroniseren.
• Signaalverwerking:
  • Filtering: Toepassing van een 50 Hz notch-filter en een bandpass-filter (1–40 Hz) om ruis en drift te verwijderen.
  • Synchronisatie: R-toppen in het ECG werden gedetecteerd (Pan-Tomkins algoritme) om de MCG-cycli te segmenteren.
  • Averaging: Gesynchroniseerde middeling van de hartcycli om het signaal-ruisverhouding (SNR) te verhogen. Cycli met een correlatie onder de drempel (0,3) werden verworpen.
  • Gradiometrische aftrekking: Het verschil tussen de twee sensoren wordt berekend om de gemeenschappelijke omgevingsruis te onderdrukken.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Ontwikkeling van een robuuste OPM: Een enkelstraals scalar OPM-systeem dat werkt bij kamertemperatuur zonder cryogene koeling.
• Gradiometrische implementatie: Demonstratie dat een gradiometrische opstelling met twee sensoren effectief omgevingsruis onderdrukt, zelfs zonder magnetische afscherming.
• Validatie in de praktijk: Eerste succesvolle opname van menselijke MCG-signalen met duidelijke QRS-complexen in een onbeschermde ruimte.
• Ruimtelijke sensitiviteit: Het systeem kan polariteitsomkeringen van het QRS-complex detecteren over verschillende meetposities op de borstkas, wat de ruimtelijke resolutie bevestigt.

4. Resultaten

• Ruisprestaties:
  • Individuele sensoren hadden een ruisvloer van ongeveer 14 pT/√Hz (1–35 Hz).
  • In gradiometrische configuratie daalde de effectieve ruisvloer tot 2,61 pT/√Hz (beneden de 3 pT/√Hz).
  • De Common Mode Rejection Ratio (CMRR) bedroeg 32,34 dB.
• Signaalqualiteit:
  • Duidelijke cardiale kenmerken, inclusief het QRS-complex, waren zichtbaar in de gemiddelde signalen.
  • De Signaal-ruisverhouding (SNR) van het QRS-complex stabiliseerde rond de 10 dB na middeling van een voldoende aantal slagen.
  • Een ruimtelijke kaart van het magnetisch veld (geïnterpoleerd) toonde de stroomrichting en veldverdeling tijdens de R-top.
• Stabiliteit: Allan-deviatie-analyses toonden aan dat de gradiometrische configuratie stabiel blijft over een breder bereik van middeltijden dan individuele sensoren, wat wijst op effectieve onderdrukking van lage-frequentie drift en flicker noise.

5. Betekenis en Conclusie
Dit onderzoek bewijst dat het mogelijk is om klinisch bruikbare MCG-metingen uit te voeren zonder dure, afgeschermde kamers of cryogene systemen.

• Klinisch potentieel: Het systeem biedt een weg naar compacte, betaalbare en draagbare MCG-systemen voor routinematige klinische diagnostiek.
• Toekomstperspectief: De techniek kan worden uitgebreid met meer kanalen en geavanceerde signaalverwerking om ook zwakkere signalen (zoals de P- en T-golven) te detecteren.
• Impact: Het opent de deur voor bredere toepassing van MCG voor het vroegtijdig detecteren van hartafwijkingen zoals coronaire arteriële ziekte, buiten de beperkingen van traditionele SQUID-systemen.