6.6. Магнитокардиография

Стремление получить дополнительную информацию о работе сердца стимулировало развитие магнитокардиографии (МКГ). Первые результаты были получены Бойлем и Макфи, а в Советском Союзе - Сафоновым и др. с помощью индукционных катушек с большим числом витков (до миллиона) и ферритовым сердечником. Ливанов с сотрудниками использовали для МКГ более чувствительный магнитометр - на парах цезия с оптической накачкой. Применение же сквид-магнитометров дало возможность получать МКГ с таким же разрешением, что и ЭКГ, и приступить к широким исследованиям магнитной активности сердца.

На рисунке 6.3 приведены примеры магнитокардиограмм, снятых у двух испытуемых при различных уровнях шума измерительного градиометра 100 и 25 фТл/ . Видно, что в обоих случаях сквид-градиометр обеспечивает хорошее качество МКГ. Естественно, низкошумящий прибор позволяет более тонко разрешать детали

Рис. 6.3. Примеры магнитокардиограмм, записанных для двух испытуемых, при уровнях шума измерительного градиометра: а) 100 фТл/ ; б) 25 фТл/

кардиограммы. Обе записи сделаны при расположении чувствительной петли в 20 мм от груди в ее левой части (положение С4, см. ниже). Измерена компонента поля, перепендикулярная поверхности груди. МКГ содержит те же характерные признаки, что и ЭКГ, поэтому пикам МКГ присвоены те же обозначения Р, Q, R, S, Т (см. рис. 6.3). Максимальная амплитуда B≈50 пТл, но сильно варьирует у разных людей. При снятии ЭКГ электроды закрепляются на коже, датчик же МКГ достаточно приблизить к груди. МКГ вполне хорошего качества получаются при расстоянии до 5 см от поверхности тела. Бесконтактность процедуры записи сигналов оказывается заметным практическим преимуществом магнитографии (не только кардио-) перед электрографией в таких случаях, как обследование детей (многие из них боятся электродов) и пациентов с ожоговыми и другими поражениями кожи.

Полоса частот 0,1-100 Гц, с фильтрацией 50 Гц. На нижней записи обозначены характерные пики кардиограммы

Соотношение амплитуд и полярностей пиков кардиограммы зависит от точки измерения. Для облегчения сравнительного анализа распределений магнитных полей, снятых МКГ-методами, предложена в качестве стандартной процедура магнитокардиогра-фической съемки. На груди пациента устанавливается прямоугольная сетка, размеры которой определяются анатомическим строением (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Сетка точек съемки магнитокардиограммы, предлагаемая в качестве стандарта и привязанная к анатомическим особенностям человека

Высота сетки - от верха грудины до низа ребер, ширина - между серединами ключиц. Точки измерений находятся в серединах получающихся прямоугольников и имеют соответствующее обозначение, например, С4. В левой части спины имеется дополнительная сетка 3х3 из прямоугольников такого же размера; нижний правый угол сетки совпадает с одиннадцатым позвонком.

Сетка симметрична относительно средней линии тела и по ширине простирается между серединами ключиц, а по высоте от верха грудины до низа ребер. Этот прямоугольник разделен на шесть рядов по горизонтали и шесть по вертикали, и точками съемки компоненты поля, перпендикулярной груди, служат центры получившихся прямоугольников. Точки съемки имеют обозначения от А1 до F6. Дополнительная сетка из прямоугольников тех же размеров применяется для съемки МКГ со спины в левой часта тела, при этом нижний угол сетки совпадает с одиннадцатым позвонком. В этой сетке девять точек — от J1 до L3. Рекомендуемый частотный диапазон - 0,2…50 Гц, с записью на самописце на скорости 5 см/с при масштабе 25 пТл/см.

При измерении МКГ по всей сетке получаются карты распределения магнитного поля для каждого момента сердечного цикла, аналогичные показанным на рисунке 6.5. Из последовательности таких карт можно составить мультипликационный кинофильм, дающий очень наглядное и информативное изображение всей совокупности кардиографических данных. Использование небольших ЭВМ с выходом на телеэкран (дисплей) позволит применять этот метод в клинической практике. Приведенные распределения представляют собой примеры мультипликационных кадров, последовательность которых дает наглядное и информативное киноизображение динамики магнитного поля сердца шагом 2 мс. Это, вероятно, в будущем. Пока же характер нарушения сердечной деятельности отражается на кардиограмме, снимаемой в определенных точках и чаще всего фиксируемой самописцем, и опытные врачи делают заключение просто по виду ЭКГ или МКГ. Но универсальность метода требует более обобщенного способа изображения данных, представляющего возможность объективного анализа и понимания генезиса кардиограмм.

Сигналы, записываемые на ЭКГ, можно представить как следствие вращений в пространстве переменного по величине электрического диполя, расположенного в центре сердца. Аналогичная модель применима и для МКГ-данных. Виксво и Фейрбенк определили значение магнитного момента сердца в максимуме (0,8 мкА·м²), установили характер его изменения со временем (по величине и ориента ции) и связь с движением электрического диполя, определенным по

Рис. 6.5. Пространственное распределение компоненты магнитного поля, перпендикулярной груди пациента, в момент максимума R-пика МКГ: а - при нормальной МКГ; б - при инфаркте миокарда; в – получение исходных данных

ЭКГ (рис. 6.6). Для снятия МКГ они пользовались градиометром с наклонным расположением петель, позволяющим достаточно просто принимать три компоненты магнитного поля. В низу рисунка 15.6 показаны траектории движения концов каждого из векторов в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Ось x направлена из груди вперед, ось у - справа налево, ось z - снизу вверх, начало координат - в центре сердца. Расстояние между штрихами соответствует промежутку времени 4 мс. Аналогичные картины движения магнитного вектора сердца получены с помощью трехканального сквид-градиометра. В этом случае все три компоненты снимаются одновременно.

Рис. 6.6. Изменение компонент магнитного (а) и электрического (б) векторов сердца в течение сердечного цикла

Применение понятия магнитного момента дает удобное, но лишь приближенное описание магнитной активности сердца. Более трудоемким, но дающим более полную информацию, является снятие распределения магнитных полей на всей поверхности груди пациента.

Со времени появления магнитокардиографии велись работы по выявлению клинической ценности нового метода. Было проведено большое число исследований влияния различных нарушений сердечной деятельности на вид ЭКГ и МКГ. Анализ, проведенный Лепещкиным, показал, что для некоторых видов болезней сердца даже обычные (одноточечные) МКГ дают информацию, не содержащуюся в ЭКГ. Из накопленного опыта видно, что традиционный метод применения МКГ, аналогичный ЭКГ, обладает примерно теми же диагностическими возможностями, что и электрокардиография. Видимо, требуется больший статистический материал, чтобы выделить класс нарушений нормальной деятельности сердца, наиболее отчетливо проявляющихся магнитографически. Но, конечно, с точки зрения биомагнетизма наибольший интерес представляет исследование тех явлений, которые принципиально обнаруживаются лишь при магнитной регистрации. Это привлекло интерес к поиску специальных методик и вариантов магнитокардиографии.

Были исследованы возможности магнитокардиографии при наложении внешнего магнитного поля. Увеличение поля примерно втрое, по сравнению с земным магнитным полем, несколько изменяет вид МКГ. Причиной являются колебания объема сердца при сокращениях, что приводит к изменению эффективной магнитной восприимчивости торса, так как окружающие сердце легкие имеют восприимчивость, сильно отличную от остальных тканей. Применение этого способа может позволить без зондового вмешательства определять величину кровотока в сердце. Правда, новой информации об электрической активности сердца этот метод не дает.

Другое важное свойство магнитных сигналов, а именно их лучшая локализация в районе источника активности, позволило записать МКГ плода в теле беременной женщины. Попытки принять ЭКГ плода (для установления нормальной работы его сердца) в определенные периоды беременности часто бывают неудачны из-за того, что ЭКГ плода забивается более сильными электрическими сигналами материнского сердца. Это связывают с тем, что в эти периоды электропроводность околоплодной среды увеличивается, в результате чего сигнал ЭКГ плода на поверхности тела матери сильно ослабляется. На магнитный же сигнал сердца плода изменение электропроводности среды практически не влияет, к тому же магнитное поле сердца матери практически не заметно вне области груди, что дает возможность принять МКГ плода без помех со стороны сердца матери (рис. 6.7). На МКГ хорошо различим сердечный ритм плода, в то время как на ЭКГ превалируют сигналы сердца матери (М).

Рис. 6.7. Сравнение магнито- (а) и электрокардиограммы (б) плода в теле беременной женщины

Еще одним достоинством магнитографии является возможность приема постоянных и медленно меняющихся сигналов. Некоторые виды поражения органов вызывают постоянные "токи повреждения" в организме. Электрографически их обнаружить трудно из-за маскирующих электрических потенциалов кожи, возникающих в месте контакта с электродами. В то же время сквид-магнитометр может надежно измерять магнитное поле токов повреждения. В экспериментах по искусственной закупорке коронарной артерии собаки была зарегистрирована постоянная составляющая 101 магнитокардиограммы (Sr-сдвиг), отсутствующая при нормальной проходимости артерии. Коэн и сотрудники получили похожие результаты для больного человека. Постоянная составляющая МКГ может проявляться двояко: это или сдвиг по вертикали горизонтального участка между пиками S и Т, или сдвиг всей нулевой линии на участке TQ (см. рис. 6.3). Интерпретации этих двух сдвигов различны. ST-сдвиг означает, что во время сокращения желудочков сердца (в систолический период) пробегающие по сердечной мышце фронты деполяризации и последующей реполяризации клеток дают не компенсирующие друг друга магнитные поля, что отражает патологическое состояние. ST-сдвиг наблюдался у пациентов с "ранней реполяризацией" и блокадой левой ножки пучка Гиса. Реально ST-сдвиг - это периодический (с периодом пульса), а не постоянный магнитный сигнал, в то время как TQ-сдвиг есть следствие постоянно текущих в сердце токов повреждения. Такие токи были обнаружены у человека с коронарной болезнью сердца после небольшой физической нагрузки (подъем на несколько ступеней лестницы). Таким образом, ST-сдвиг отражает нарушения, проявляющиеся лишь при работе желудочков, а TQ-сдвиг - в остальное время, в том числе, когда мышца находится в покое (диастола). Применение этой разновидности МКГ пока сталкивается с трудностями, так как в теле человека имеются и другие источники постоянных магнитных полей, которые могут маскировать постоянную составляющую МКГ. Однако можно ожидать, что методика магнитографического картирования полей и локация их источников позволит не только разделять магнитные поля сердца и других органов, но и выделить те или иные области возбуждения в самом сердце, имеющем сравнительно большой размер.

Группа итальянских исследователей, применяя метод картирования магнитного поля сердца больного инфарктом миокарда, сумела установить положение и ориентацию пораженного участка сердечной мышцы.

В исследованиях МКГ возникло направление, близкое к нейромагне-тизму, заключающееся в более "пристальном" изучении участка PQ магнитокардиограммы - это так называемая МКГ высокого разрешения. На этом отрезке времени, то есть после сокращения предсердий, сигнал возбуждения передается по пучку Гиса и волокнам Пуркинье к мышцам желудочков сердца. Передача сигнала сопровождается магнитным полем с амплитудой, характер-ной для нервных процессов, то есть раз в 100 более слабой, чем у последующего QRS-комплекса. Измерения показали интересную особенность. Конкретная форма участка PQ сохраняет стабильность в течение 10-20 циклов, а затем слегка изменяется, оставаясь опять некоторое время постоянной, затем снова меняется. По такому поведению сигнала, вероятно, можно судить о деталях процесса нервного возбуждения в сердце. С методической точки зрения факт обнаружения такого явления говорит о том, что при приеме слабых сигналов биологической природы нужно быть весьма осторожным при пользовании многократным усреднением, так как может быть утрачена важная информация.

Участок с небольшим наклоном между пиками Р и Q магнитокардиограммы хорошо выражен на рисунке 6.3. картирование магнитного поля в этом промежутке сердечного цикла позволило получить картины, характерные для источника в виде четко локализованного токового диполя. Удалось даже проследить его перемещение в пространстве на расстояние около четырех сантиметров, что согласуется с теоретическими представлениями об активности проводящей системы сердца. В каждый момент времени местоположение диполя в трехмерном пространстве определяется с погрешностью, ограниченной кубом со стороной 1 см. Эти обнадеживающие исследовательские результаты еще требуют тщательной клинической проверки, особенно в части установления их клинической значимости, тем более что другие исследования указывают на наличие сравнимых по величине магнитных сигналов от предсердий на том же участке.

Успешное картирование слабых МКГ-сигналов на другом "тихом" участке — ST — проводилось в магнитно-экранированной комнате в Западном Берлине. Были исследованы как здоровые испытуемые, так и пациенты, перенесшие инфаркт миокарда. Картины поля оказались очень индивидуальны, но позволяли выделить существенные признаки, по которым удавалось разбить больных на классы. Здоровые испытуемые давали наиболее простую картину поля, у больных наблюдались нерегулярности.

Несмотря на широкие магнитокардиографические исследования в научных центрах, в клинической практике МКГ пока не применяется. Причиной этому — определенная сложность и непривычность сквидовской аппаратуры и отсутствие ярких новых кардиографических эффектов магнитного характера. Перспектива здесь будет, вероятно, в возможности тонкого картирования магнитных полей и точной локализации и разделения источников сигналов. Исследовательские работы в этом направлении будут, несомненно, продолжены.

Исходя из быстрого развития технологии производства сквидов, микрокомпьютерной техники и криогеники, можно даже предвидеть возможность массового применения магнитокардиографического контроля населения. Технической основой такого контроля мог бы стать аппарат с набором сквид-градиометров (например, в виде сетки, аналогичной изображенной на рисунке 6.4), сигналы которых обрабатываются микропроцессором и выдаются на экран дисплея, демонстрируя периодически изменяющуюся рельефную картину типа показанной на рисунке 6.5. Это очень информативное и образное изображение позволит детально судить об электрических процессах в сердце и регулярно контролировать его работу. Все устройство со встроенным микрорефрижератором будет питаться от обычной сети, работать в обычном окружении и не превышать по размерам комнатный кондиционер. Для снятия МКГ не требуется раздеваться или ложиться, надо лишь прислониться грудью к вертикальной стенке, аналогичной экрану рентгеновского аппарата, причем требования к отсутствию на человеке железных вещей не будут превышать строгости контроля при посадке в самолет. Аппарат такого типа пригоден именно для массового МКГ-контроля и может устанавливаться прямо в цехе, учреждении, общественном месте или спортивном зале. МКГ можно снимать почти на ходу или периодически при больших физических или эмоциональных нагрузках с затратой на одного обследуемого не более нескольких секунд. Учитывая серьезность и тяжелые последствия сердечных заболеваний, а также имеющуюся пока распространенность различных сердечно-сосудистых нарушений, широкое внедрение магнитокардиографии, резко превышающее масштаб применения современной электрокардиографии, не выглядит фантастическим, тем более что технические проблемы преодолимы уже на сегодняшнем уровне технологии.

Ценность метода магнитографии заключается еще и в том, что можно получить сведения об электрических «немых» областях сердца. МП сердца удалось зарегистрировать не только у человека, но даже у морской свинки.

Американскому ученому Косну (1968 г.) удалось зарегистрировать МП мозга человека, то есть снять магнитоэнцефалограмму.

Напряженность МП мозга человека составляет приблизительно  10^-9 Э.

Таким образом, в настоящее время, кроме исследований, базирующихся на электрических явлениях биологических объектов, в электрофизиологию входят новые методы, основанные на магнитных свойствах биологической ткани.

Обобщая вышесказанное, можем констатировать, что наиболее распространенным методом диагностики является рентгеновское исследование, основанное на использовании проникающего излучения волн от 80 нм до 0,0001 нм. По способу возбуждения рентгеновские лучи подразделяются на лучи торможения и характеристические. Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, которая представляет из себя стеклянную колбу с высоким вакуумом и двумя электродами: катодом и анодом, на скошенном конце которого находится пластина из металла с высоким атомным номером. Анод у рентгеновской трубки должен вращаться.

Магнитно-резонансные исследования являются самыми совершенными методами визуализации. Изменяя градиенты магнитного поля можно получить информацию о пространственном расщеплении свойств биообъекта.

Обычно магнитно-резонансные исследования проводят в тех случаях, когда диагноз не ясен после УЗ-исследования и рентгеновской компьютерной томографии.

Стремление получить дополнительную информацию о работе сердца стимулирует развитие магнитокардиографии, которая для некоторых видов болезней сердца дает информацию, не содержащуюся в ЭКГ. Однако для внедрения этого метода требуется большой статистический материал, чтобы выделить классы нарушений, проявляющиеся на магнитокардиограмме.