Faculté des sciences

Development of an optical cardio-magnetometer

Bison, Georg ; Weis, Antoine (Dir.) ; Scheffold, Frank (Codir.) ; Erné, Sergio-Nicola (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2004 ; Nr. 1450.

This thesis describes the development of a new type of cardiomagnetometer, a device that can measure the magnetic field generated by the beating human heart. Such exceedingly weak magnetic fields carry diagnostically relevant information and can be measured noninvasively at the surface of the body. Cardiomagnetic measurements were previously performed using superconducting magnetometers (SQUID)... More

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    Zusammenfassung
    Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neuen Typs von Kardiomagnetometer, d.h. eines Geräts mit dem man das Magnetfeld des schlagenden menschlichen Herzens messen kann. Diese ausserordentlich schwachen Magnetfelder tragen medizinisch relevante Informationen und können nichtinvasiv an der Oberfläche des Körpers gemessen werden. Bisher wurden solche Messungen ausschliesslich mit supraleitenden Magnetometern (SQUID) durchgeführt, welche die notwendige magnetometrische Empfindlichkeit (< 1 pT) haben, um Feldänderungen, die fünfzig Millionen Mal kleiner als das Erdmagnetfeld sind, nachzuweisen. SQUIDs sind allerdings auf eine aufwändige Kühlung mit verflüssigten Gasen angewiesen. Die mit der Kühlung verbundenen Kosten sind einer der Gründe dafür, dass sich die Kardiomagnetometrie bis jetzt nicht in der medizinischen Praxis etablieren konnte, trotz der erwiesenen Vorteile der Methode bei der oft schwierigen Diagnose von Herzkrankheiten. Der neue Typ eines Kardiomagnetometers, der in dieser Arbeit beschrieben wird, basiert auf einer völlig anderen Technik, der optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR), welche ohne Kühlung auskommt. Die ODMR kombiniert Laserspektroskopie und Magnetresonanz in einem Dampf von paramagnetischen Atomen — in diesem Fall Cäsium — in einer evakuierten Glaszelle. Der Drehimpuls (Spin) der Valenzelektronen der Atome bestimmt die optischen Eigenschaften des Dampfs. Da der Spin Über das assoziierte magnetische Moment auch mit Magnetfeldern wechselwirkt, kann ein äusseres Magnetfeld die optischen Eigenschaften des Mediums beeinflussen. Somit kann aus einer Messung dieser Eigenschaften, wie z.B. dem Absorptionskoeffizienten, das Magnetfeld bestimmt werden. Die Methode ist seit den sechziger Jahren bekannt und in kommerziellen Geräten verfügbar, die von Archäologen und Geologen eingesetzt werden, um Variationen des Erdmagnetfeldes zu messen. Im Gegensatz zu diesen Geräten, in denen als Lichtquelle Spektrallampen verwendet werden, benutzt unser Magnetometer einen frequenzstabilisierten Diodenlaser als Lichtquelle. Unter optimierten Bedingungen erreicht das Magnetometer eine Auflösung von 63 fT=Hz1=2 und eine Bandbreite von 140 Hz mit einem Zellenvolumen von 6 cm3. Um Störfelder im Labor zu unterdrücken, betrieben wir zwei solcher Sensoren in einer gradiometrischen Anordnung. Dabei misst ein Sensor so nah wie möglich am Herz das Herzmagnetfeld zusammen mit den Störungen. Der zweite Sensor etwas weiter entfernt vom Herz misst nur noch die Störungen, da das Herzmagnetfeld schnell mit wachsender Entfernung abfällt. Im Differenzsignal fallen dann die homogenen Störungen heraus, was es uns ermöglicht hat, Herzmagnetfelder in einer schwach magnetisch abgeschirmten Umgebung zu messen. Durch die Messung des Herzmagnetfeldes an verschiedenen Stellen Über der Brust lassen sich Magnetfeldkarten des Herzen erzeugen. Dank EKG-getriggerter Mittelung gelang es, solche Karten für jeden Zeitpunkt des Herzzyklus zu messen. Die Dynamik der Herzmagnetfeldkarten von vier gesunden Probanden haben wir mit SQUID generierten Referenzdaten verglichen. Ein direkter Vergleich der Magnetfeldkarten von zwei Probanden gemessen mit einem kommerziellen SQUID Magnetometer und unserem optischen Magnetometer wurde an der Universität Rom durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Daten kompatibel sind, was uns zuversichtlich stimmt, dass optische Herzmagnetometrie eines Tages als medizinisches Standardverfahren etabliert werden könnte.
    Summary
    This thesis describes the development of a new type of cardiomagnetometer, a device that can measure the magnetic field generated by the beating human heart. Such exceedingly weak magnetic fields carry diagnostically relevant information and can be measured noninvasively at the surface of the body. Cardiomagnetic measurements were previously performed using superconducting magnetometers (SQUID) that have the required sensitivity (< 1 pT) to measure field changes fifty million times smaller than the earth's magnetic field. However, SQUIDs need to be cooled using liquified gases. The cost associated with that cooling is one of the reasons that prevented the widespread use of magnetocardiometry (MCG) in medical practice, despite the fact that MCG measurements have proven to be beneficial in the diagnosis of heart diseases. The new type of cardiomagnetometer described herein is based on a completely different technology, optically detected magnetic resonance (ODMR), that does not need expensive cooling. ODMR combines laser spectroscopy and magnetic resonance in a vapor of paramagnetic atoms — Cs in our case — sealed in a glass cell. The angular momenta (spins) of the atomic valence electrons determine the optical properties of the medium. Magnetic fields can change those optical properties because of the coupling between the spin and the field mediated by the magnetic moment. This allows us to determine the magnetic field from a measurement of the alteration of optical properties such as the absorption coefficient. The method is known since the 1960's and commercial lamp-based devices are used by archaeologists and geologists to measure variations of the earth's magnetic field. In contrast to those devices our magnetometer uses a frequency-stabilized diode-laser as light source. Under optimal conditions the magnetometer has a resolution of 63 fT/Hz1=2 and a detection bandwidth of 140 Hz using a cell of 6 cm3 volume. We used two such magnetometers in a gradiometric configuration to suppress interfering magnetic fields. One sensor was mounted close to the heart measuring both the heart field and the interfering field. The second sensor, some distance away, measured only the interfering field since the heart field drops rapidly with increasing distance. Homogeneous interfering fields cancel in the differential signal from both sensors. This setup allowed us to measure heart magnetic fields in weakly shielded environments. By measuring the field at different positions in a plane above the chest a map of the heart magnetic field can be obtained. Using ECG-triggered averaging we could measure such maps for all times in the cardiac cycle. The dynamics of the magnetic field maps from four healthy volunteers were compared to SQUID-generated reference data. A direct comparison of magnetic field maps recorded with a commercial SQUID magnetometer and with our optical magnetometer was performed at the University of Rome. The results shows that the data are compatible and makes us confident that optical cardiomagnetometry may be used one day as a standard medical technique.