Magnetokardiografi baserad på en solid-state kvantsensor. en Schematisk uppställning av råttmagnetokardiografi (MCG). En levande råttas hjärta förblir ungefär en millimeter under ett diamantchip som innehåller en ensemble av kvävevakanscentra (NV). Råttan skannas automatiskt längs XY-axlarna för kartläggning av magnetfält och manuellt längs Z-axeln för höjdjustering. En elektrokardiografi (EKG)-signal övervakas genom EKG-profilerare samtidigt med MCG. NV-centren exciteras av ett 2,0 W grönt laserljus. Denna excitation medför spin-tillståndsberoende fluorescens som samlas upp av en asfärisk kondensorlins. b NV centrum energinivådiagram. MS = ±1 grundtillstånd delas av ett förspänningsmagnetfält och blandas av mikrovågor som resonerar med NV-övergångsfrekvenserna. Var och en av grundtillstånden delas ytterligare av hyperfina interaktioner med värden 14 N kärnkraftssnurr. c Förstorad bild av hjärtat och diamanten. Elektriska strömmar som flyter genom hjärtat genererar ett cirkulerande fält (blå pilar). NV-centrumen (röda pilar) längs [111]-orienteringen är känsliga för Z-komponenten i magnetfältet. d Magnetometriprincip. Det tidsvarierande hjärtmagnetfältet (blått), som skiftar NV-övergångsfrekvensen, omvandlas till en förändring i den låsningsdemodulerade fluorescenssignalen (röd). Fem toppar observeras i det inlåsta optiskt detekterade magnetiska resonansspektrumet (ODMR) eftersom tre hyperfina övergångsfrekvenser exciteras med tretonsmikrovågor. e Magnetisk fältkänslighet över råttans hjärtsignalfrekvensband på DC ~200 Hz. Den svarta streckade linjen indikerar 140 pT Hz −1/2 . Kredit:Kommunikationsfysik (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00978-0
Hjärtproblem, som takykardi och flimmer, uppstår främst från brister i hur elektriska strömmar fortplantar sig genom hjärtat. Tyvärr är det svårt för läkare att studera dessa brister eftersom mätning av dessa strömmar innebär mycket invasiva procedurer och exponering för röntgenstrålning.
Det finns dock andra alternativ. Till exempel är magnetokardiografi (MCG) ett lovande alternativt tillvägagångssätt för att indirekt mäta hjärtströmmar. Tekniken går ut på att känna av små förändringar i magnetfält nära hjärtat orsakade av hjärtströmmar, vilket kan göras på ett helt kontaktlöst sätt. För detta ändamål har olika typer av kvantsensorer som är lämpliga för detta ändamål utvecklats. Deras rumsliga upplösning är dock begränsad till centimeterskalor:inte tillräckligt bra för att upptäcka hjärtströmmar som fortplantar sig på millimeterskalor. Dessutom har var och en av dessa sensorer en hel del av sina praktiska begränsningar, såsom storlek och driftstemperatur.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Communications Physics , ett team av forskare ledda av docent Takayuki Iwasaki vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, har nu utvecklat en ny uppsättning för att utföra MCG med högre upplösningar. Deras tillvägagångssätt är baserat på en diamantkvantsensor som består av vakanser för kväve, som fungerar som speciella magnetiska "centra" som är känsliga för de svaga magnetfält som produceras av hjärtströmmar.
Men hur observerar man tillståndet för dessa centra för att extrahera information om hjärtströmmarna? Det visar sig att sensorn också är fluorescerande, vilket gör att den lätt absorberar ljus vid specifika frekvenser och sedan återutsänder dem vid olika frekvenser. Det viktigaste är att intensiteten hos ljuset som återutsänds vid kvävevakanserna ändras beroende på intensiteten och riktningen för det externa magnetfältet.
Forskargruppen skapade en MCG-uppsättning med en 532 nm (grön) laser för att excitera diamantsensorn och en fotodiod för att fånga de återutsända fotonerna (ljuspartiklar). De utvecklade också matematiska modeller för att exakt kartlägga dessa fångade fotoner med motsvarande magnetfält och i sin tur med hjärtströmmarna som är ansvariga för dem.
Med en oöverträffad rumslig upplösning på 5,1 mm skulle det föreslagna systemet kunna skapa detaljerade tvådimensionella kartor över hjärtströmmarna som mäts i laboratorieråttors hjärtan. Dessutom kan diamantsensorn fungera vid rumstemperatur, till skillnad från andra väletablerade MCG-sensorer som kräver kryogena temperaturer. Detta gjorde det möjligt för forskarna att placera sin sensor extremt nära hjärtvävnaden, vilket förstärkte de uppmätta signalerna. "Fördelarna med vår kontaktlösa sensor i kombination med våra nuvarande modeller kommer att möjliggöra mer exakta observationer av hjärtfel med hjälp av små däggdjursmodelldjur", framhåller Dr. Iwasaki.
Sammantaget verkar MCG-uppsättningen som utvecklats i denna studie vara ett lovande verktyg för att förstå många hjärtproblem såväl som andra kroppsliga processer som involverar elektriska strömmar. I detta avseende kommenterar Dr. Iwasaki:"Vår teknik kommer att möjliggöra studier av ursprunget och utvecklingen av olika hjärtarytmier, såväl som andra biologiska strömdrivna fenomen." + Utforska vidare
