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Eine bessere Methode zur Messung von Magnetfeldern könnte die Erkennung von fetalen Herzproblemen erleichtern
Die im Körper erzeugten elektrischen Felder sind ein leistungsfähiges Diagnosewerkzeug. Kliniker verwenden diese Signale routinemäßig, um die Funktion von Gehirn, Herz, Nerven und Muskeln zu messen und Erkenntnisse zu gewinnen, die mit anderen Instrumenten nicht zu gewinnen sind.
Aber dieser Ansatz hat Grenzen. Beispielsweise sind elektrische Signale von fötalen Herzen schwer zu erfassen, da sie von den Signalen der Mutter überwältigt werden. Dies macht einige fötale Herzerkrankungen besonders schwierig zu diagnostizieren.
Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit, die elektrische Aktivität des Körpers zu untersuchen – indem man das von ihm erzeugte Magnetfeld misst. Da Magnetfelder über kurze Entfernungen schnell abklingen, ist es viel einfacher, ein fötales Signal von dem der Mutter zu trennen.
Magnetometer mit der erforderlichen Empfindlichkeit sind jedoch auf supraleitende Technologie angewiesen, die auf die Temperatur von flüssigem Helium gekühlt werden muss. Die dafür notwendige Isolierung verhindert, dass diese Geräte in die Nähe des Zielorgans gelangen. Folglich waren die magnetischen Signale immer schwach und schwer zu interpretieren.
Was benötigt wird, ist ein Raumtemperatur-Magnetometer, das innerhalb von Millimetern vom Ziel platziert werden kann und empfindlich genug ist, um die interessierenden magnetischen Signale zu messen.
Heute scheint dies dank der Arbeit von Kasper Jensen von der Universität Kopenhagen in Dänemark und Kollegen möglich, die verschiedene diagnostische Signale von einem fötalen Herzen mit einem Raumtemperatur-Magnetometer gemessen haben. Die Arbeit hat das Potenzial, die Messung biomagnetischer Felder zu revolutionieren und könnte Ärzten helfen, Herzerkrankungen des Fötus zu diagnostizieren, die ansonsten nicht nachweisbar sind.
Das Gerät, das diese Arbeit ermöglicht, ist als optisch gepumptes Magnetometer bekannt. Es besteht aus einem kleinen Fläschchen mit atomarem Gas, in diesem Fall Cäsiumatomen. Der Spin jedes Cäsiumatoms reagiert sehr empfindlich auf Umgebungsmagnetfelder, was sie zu nützlichen Messwerkzeugen macht.
Zunächst muss der Spin aller Atome in die gleiche Richtung ausgerichtet sein. Dies geschieht mit polarisiertem Laserlicht. Beim Abschalten des Lasers beginnen die Spins entsprechend dem lokalen Magnetfeld zu driften. Eine kurze Zeit später erneute Messung der Spins zeigt, wie sie sich verändert haben, und offenbart die Stärke und Richtung des lokalen Felds.
In den letzten Jahren haben verschiedene Gruppen damit begonnen, optisch gepumpte Magnetometer zur Untersuchung biomagnetischer Felder zu verwenden. Aber viele dieser Versuche wurden vereitelt. Die schmale Bandbreite der Magnetometer hindert sie daran, alle gewünschten Signale aufzunehmen.
In vielen Geräten müssen die Atome auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzt und daher isoliert und vom Target getrennt werden. Da die Magnetfeldstärke über kurze Entfernungen dramatisch abfällt, kann dies einen erheblichen Einfluss auf die Brauchbarkeit der Geräte haben.
Jensen und Co umgehen diese Probleme mit einem kleinen, optisch gepumpten Magnetometer, das eine relativ breitbandige Empfindlichkeit hat und bei Körpertemperatur arbeitet. Das bedeutet, dass das Gerät auf oder innerhalb weniger Millimeter des Zielorgans platziert werden kann.
Das Team prüfte das Gerät auf Herz und Nieren, indem es das Magnetfeld maß, das mit schlagenden Meerschweinchenherzen verbunden war, die im Labor isoliert worden waren. Diese haben etwa die Größe menschlicher fötaler Herzen und bieten daher einen guten Test.
Der Ansatz zeigt vielversprechende Ergebnisse. Jensen und Co sagen, dass sie den Herzschlag zusammen mit einer Vielzahl von diagnostischen Merkmalen eindeutig erkannt haben.
In einem normalen Herzen wird die Muskelkontraktion, die die Signatur eines Herzschlags ist, durch den Durchgang elektrischer Wellen über die Herzoberfläche ausgelöst. Es sind mehrere Wellen beteiligt, die die synchrone Kontraktion verschiedener Teile des Herzens bewirken.
Kardiologen bezeichnen diese Wellen mit den Buchstaben P, Q, R, S und T. Das Timing zwischen ihnen ist ein wichtiger Indikator für die Herzfunktion.
Ein Signal von besonderem Interesse bei fötalen Herzen ist das Q-T-Intervall. Wenn dies länger anhält, weist dies auf ein ernsthaftes Problem hin. Elektrokardiogramme können jedoch nicht verwendet werden, um dies in fötalen Herzen festzustellen.
Jensen und Co sagen, dass ihre neue Technik dieses Problem erkennen kann. Um zu zeigen, wie, verwendeten sie Medikamente, um ein verlängertes Q-T-Intervall in Meerschweinchenherzen zu induzieren. Sie sagen, dass das optisch gepumpte Magnetometer die diagnostischen Anzeichen eindeutig erkannt hat.
Das ist eine interessante Arbeit mit erheblichen Auswirkungen. Verlängerte Q-T-Intervalle treten bei 1 von 2.500 Geburten auf, und es ist wichtig, sie frühzeitig zu erkennen. Die neue Technik soll genau das können.
Basierend auf unseren Messungen am Meerschweinchenherz schlussfolgern wir, dass eine Echtzeiterfassung des Herzschlags eines menschlichen Fötus im Gestationsalter von 18 bis 22 Wochen, bei dem der Herz-Sensor-Abstand auf ≥ 5 cm geschätzt wird, erfolgen sollte möglich, sagen Jensen und Co.
Damit steht eine spannende Zukunft bevor. Im nächsten Schritt soll die Technik am Menschen und dann speziell an Schwangeren getestet werden. Es hat auch das Potenzial, andere Magnetfelder im Körper zu messen, beispielsweise solche, die vom Gehirn und vom Nervensystem erzeugt werden. Machen Sie sich bereit, eine neue Form von Diagnosewerkzeugen willkommen zu heißen.
Ref: https://arxiv.org/abs/1806.10954 : Magnetokardiographie an einem isolierten Tierherz mit einem optisch gepumpten Magnetometer bei Raumtemperatur