La magnetomiografía ( MMG ) es una técnica para mapear la actividad muscular mediante el registro de los campos magnéticos producidos por las corrientes eléctricas que ocurren naturalmente en los músculos , utilizando conjuntos de SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica). [1] Tiene una mejor capacidad que la electromiografía para detectar corrientes lentas o directas. La magnitud de la señal MMG está en la escala de pico (10−12) a femto (10−15) Tesla (T). La miniaturización de la MMG ofrece una perspectiva para modernizar los voluminosos SQUID a sensores magnéticos miniaturizados portátiles. [2]
Dos factores clave para el desarrollo del método MMG: [3] 1) mala resolución espacial de las señales EMG cuando se registran de forma no invasiva en la piel, donde las mediciones EMG de última generación incluso utilizan sondas de registro con aguja, lo que permite evaluar con precisión la actividad muscular, pero es doloroso y se limita a áreas pequeñas con puntos de muestreo espacial deficientes; 2) mala biocompatibilidad de los sensores EMG implantables debido a la interfaz metal-tejido. Los sensores MMG tienen el potencial de abordar ambas deficiencias al mismo tiempo porque: 1) el tamaño del campo magnético se reduce significativamente con la distancia entre el origen y el sensor, por lo que con MMG se eleva la resolución espacial; y 2) los sensores MMG no necesitan contactos eléctricos para registrar, por lo que si están completamente empaquetados con materiales o polímeros biocompatibles, pueden mejorar la biocompatibilidad a largo plazo.
A principios del siglo XVIII, se han investigado las señales eléctricas de los tejidos vivos. Estos investigadores han promovido muchas innovaciones en el ámbito de la atención sanitaria, especialmente en el diagnóstico médico. Algunos ejemplos se basan en las señales eléctricas producidas por los tejidos humanos, incluidos el electrocardiograma (ECG), la electroencefalografía (EEG) y el electromiograma (EMG). Además, con el desarrollo de las tecnologías, la medición biomagnética del cuerpo humano, que consiste en el magnetocardiograma (MCG), la magnetoencefalografía (MEG) y el magnetomiograma (MMG), proporcionó una evidencia clara de que la existencia de campos magnéticos de corrientes de acción iónica en tejidos eléctricamente activos puede utilizarse para registrar actividades. Para el primer intento, David Cohen utilizó un magnetómetro de dispositivo de interferencia cuántica superconductor de contacto puntual (SQUID)En una habitación blindada, se midió el MCG. Informaron que la sensibilidad del MCG registrado era órdenes de magnitud mayor que el MCG registrado anteriormente. El mismo investigador continuó con esta medición MEG utilizando un magnetómetro SQUID más sensible sin promediado de ruido. Comparó el EEG y el MEG de ritmo alfa registrados por sujetos normales y anormales. Se muestra que el MEG ha producido información nueva y diferente proporcionada por el EEG. Debido a que el corazón puede producir un campo magnético relativamente grande en comparación con el cerebro y otros órganos, la investigación temprana del campo biomagnético se originó a partir del modelado matemático del MCG. Los primeros estudios experimentales también se centraron en el MCG. Además, estos estudios experimentales sufren de una resolución espacial inevitablemente baja y una baja sensibilidad debido a la falta de métodos de detección sofisticados. Con los avances en la tecnología, la investigación se ha ampliado a la función cerebral y los estudios preliminares de MEG evocados comenzaron en la década de 1980. Estos estudios proporcionaron algunos detalles sobre qué poblaciones neuronales contribuían a las señales magnéticas generadas desde el cerebro. Sin embargo, las señales de las neuronas individuales eran demasiado débiles para ser detectadas. Se requiere un grupo de más de 10.000 dendritas para generar una señal MEG detectable. En ese momento, la abundancia de limitaciones físicas, técnicas y matemáticas impidió comparaciones cuantitativas de teorías y experimentos que involucraban electrocardiogramas humanos y otros registros biomagnéticos. Debido a la falta de un modelo de microfuente preciso, es más difícil determinar qué factores fisiológicos específicos influyen en la fuerza de MEG y otras señales biomagnéticas y qué factores dominan la resolución espacial alcanzable. En las últimas tres décadas, se ha realizado una gran cantidad de investigaciones para medir y analizar el campo magnético generado por el flujo de corrientes ex vivo en axones aislados y fibras musculares. Estas mediciones han sido respaldadas por algunos estudios teóricos complejos y el desarrollo de amplificadores de temperatura ambiente ultrasensibles y sondas de corriente neuromagnéticas. Hoy en día, la tecnología de registro magnético a nivel celular se ha convertido en una técnica de medición cuantitativa para corrientes operativas.
Hoy en día, las señales MMG pueden convertirse en un indicador importante en el diagnóstico médico, la rehabilitación, el control de la salud y el control robótico. Los recientes avances en tecnología han allanado el camino para registrar y diagnosticar de forma remota y continua las enfermedades de los músculos y los nervios periféricos de las personas. [4] [5] Motivada por la exploración del comportamiento electrofisiológico del útero antes del parto, la MMG se utilizó principalmente en el control de la salud durante el embarazo. [6] [7] [8] Además, la MMG tiene el potencial de usarse en la rehabilitación, como la lesión nerviosa traumática, la lesión de la médula espinal y el síndrome de atrapamiento. [9] [10] [11] [12]
La magnitud de las señales MMG es menor que la del corazón y el cerebro. [10] La densidad espectral mínima podría alcanzar el límite de detección (LOD) de cientos de fT/√Hz a bajas frecuencias, especialmente entre 10 Hz y 100 Hz. En un trabajo seminal de Cohen y Gilver en 1972, descubrieron y registraron señales MMG utilizando dispositivos de interferencia cuántica superconductores ( SQUID ) . Lideraron el desarrollo de MMG hasta ahora, ya que es el dispositivo más sensible en el momento con el límite de detección (LOD) de femto-Tesla, y posiblemente logren un LOD de atto-Tesla con promedio. [13] La medición de MMG de última generación está dominada por SQUID. [14] No obstante, su costo ultraalto y su peso engorroso limitan la difusión de esta técnica de detección magnética. En los últimos años, los magnetómetros bombeados ópticamente (OPM) se han desarrollado rápidamente para estudiar la inervación de los nervios y músculos de la mano como investigaciones de prueba de concepto. [11] [15] [16] Los OPM con un tamaño físico pequeño han mejorado significativamente sus LOD durante los últimos años, especialmente de fabricantes competidores, por ejemplo, QuSpin Inc., FieldLine Inc. y Twinleaf. Se ha logrado una sensibilidad por debajo de 100 fT/√Hz con OPM. [17] [18] El MMG no ha sido un método común todavía, principalmente debido a su pequeña magnitud, que puede verse fácilmente afectada por el ruido magnético del entorno. Por ejemplo, la amplitud del campo magnético de la Tierra es aproximadamente cinco millones de veces mayor y el ruido ambiental de las líneas eléctricas puede alcanzar un nivel de nano-Tesla. Además, los experimentos actuales basados en SQUID y OPM para detección de MMG se llevan a cabo en habitaciones muy protegidas, que son caras y voluminosas para el uso diario personal. Por consiguiente, el desarrollo de métodos de detección biomagnética miniaturizados, de bajo coste y a temperatura ambiente constituiría un paso importante hacia una apreciación más amplia del biomagnetismo.
Se ha desarrollado con éxito un sensor Hall de alto rendimiento con su circuito de lectura integrado en tecnología CMOS. [2] Sin embargo, los sensores Hall requieren una fuente de alimentación de CC altamente estable para excitar el efecto Hall y un circuito de interfaz complejo para procesar los voltajes Hall débiles recopilados bajo el ruido ambiental. [19] Recientemente, se han propuesto sensores magnetorresistivos de tunelización miniaturizados [20] [21], así como sensores magnetoeléctricos [22] para el futuro de la MMG en forma de dispositivos portátiles. Son compatibles con CMOS y la salida de su sensor se puede leer mediante un front-end analógico. [23] El sensor TMR miniaturizado podría ser una alternativa eficaz para futuras mediciones de MMG con costos operativos relativamente bajos.