Måler strømme i hjertet ved millimeteropløsning med en diamantkvantesensor

Hjerteproblemer, såsom takykardi og fibrillering, opstår hovedsageligt fra ufuldkommenheder i den måde, elektriske strømme udbreder sig gennem hjertet. Desværre er det vanskeligt for læger at studere disse ufuldkommenheder, da måling af disse strømme involverer meget invasive procedurer og eksponering for røntgenstråling.

Der er dog andre muligheder. For eksempel er magnetokardiografi (MCG) en lovende alternativ tilgang til indirekte at måle hjertestrømme. Teknikken går ud på at mærke små ændringer i magnetfeltet nær hjertet forårsaget af hjertestrømme, hvilket kan gøres på en fuldstændig kontaktfri måde. Til dette formål er der udviklet forskellige typer kvantesensorer, der er egnede til dette formål. Imidlertid er deres rumlige opløsning begrænset til centimeterskalaer:ikke god nok til at detektere hjertestrømme, der forplanter sig på millimeterskalaer. Desuden har hver af disse sensorer en rimelig andel af sine praktiske begrænsninger, såsom størrelse og driftstemperatur.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Communications Physics , et team af videnskabsmænd ledet af lektor Takayuki Iwasaki fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, har nu udviklet en ny opsætning til at udføre MCG ved højere opløsninger. Deres tilgang er baseret på en diamantkvantesensor, der omfatter nitrogen-tomrum, som fungerer som specielle magnetiske "centre", der er følsomme over for de svage magnetfelter, der produceres af hjertestrømme.

Men hvordan observerer man disse centres tilstand for at udtrække information om hjertestrømmene? Det viser sig, at sensoren også er fluorescerende, hvilket betyder, at den let absorberer lys ved bestemte frekvenser og derefter genudsender dem ved forskellige frekvenser. Vigtigst er det, at intensiteten af ​​lyset, der genudsendes ved nitrogen-tomrummene, ændres afhængigt af intensiteten og retningen af ​​det eksterne magnetfelt.

Forskerholdet skabte en MCG-opsætning ved hjælp af en 532 nm (grøn) laser til at excitere diamantsensoren og en fotodiode til at fange de genudsendte fotoner (lyspartikler). De udviklede også matematiske modeller til nøjagtigt at kortlægge disse fangede fotoner med de tilsvarende magnetiske felter og til gengæld med de hjertestrømme, der er ansvarlige for dem.

Med en hidtil uset rumlig opløsning på 5,1 mm kunne det foreslåede system skabe detaljerede todimensionelle kort over hjertestrømmene målt i laboratorierotters hjerter. Derudover kunne diamantsensoren fungere ved stuetemperatur i modsætning til andre veletablerede MCG-sensorer, der kræver kryogene temperaturer. Dette gjorde det muligt for forskerne at placere deres sensor ekstremt tæt på hjertevævet, hvilket forstærkede de målte signaler. "Fordelene ved vores kontaktløse sensor kombineret med vores nuværende modeller vil give mulighed for mere præcise observationer af hjertefejl ved brug af små pattedyrsmodeldyr," fremhæver Dr. Iwasaki.

Samlet set ser MCG-opsætningen udviklet i denne undersøgelse ud til at være et lovende værktøj til at forstå mange hjerteproblemer såvel som andre kropslige processer, der involverer elektriske strømme. I denne forbindelse bemærker Dr. Iwasaki:"Vores teknik vil gøre det muligt at studere oprindelsen og progressionen af ​​forskellige hjertearytmier, såvel som andre biologiske strøm-drevne fænomener." + Udforsk yderligere

Forbedring af kvantesensorer ved at måle orienteringen af ​​kohærente spins inde i et diamantgitter