科学家开发了首个基于金刚石量子传感器的心磁图仪

“新的量子传感器能以毫米级分辨率对心脏电流成像。新的方法借助金刚石中的氮空位，能够帮助学者更好、更深入细致地研究心血管疾病。”

8月23日，研究成果以《开胸活体大鼠的毫米级心磁图》为题[1]，发表在《通讯·物理》期刊上。

心脏问题，如心动过速（tachycardia）和心肌颤动（fibrillation），主要是由于电流在心脏中的传播方式存在缺陷。不幸的是，医生很难研究这些缺陷，因为测量这些电流需要高度侵入性程序，并暴露于 X 射线辐射。

幸运的是，还有其他选择。例如，心磁图 (MCG) 是一种很有前途的替代方法，可以间接测量心脏电流。该技术涉及感应由心脏电流引起的心脏附近磁场的微小变化，这可以以完全无接触的方式完成；为此，已经开发了适用于此目的的各种类型的量子传感器。然而，它们的空间分辨率仅限于厘米级：不足以检测在毫米级传播的心脏电流。此外，这些传感器中的每一个都有其实际限制的相当一部分，例如尺寸和工作温度。

在最新的研究中，由日本东京工业大学 (Tokyo Tech) 的 Takayuki Iwasaki 副教授领导的科学家现已开发出一种新颖的装置，可以在更高分辨率下执行 MCG[2]。他们的方法基于一个由氮空位（NV）组成的金刚石量子传感器，这些空位充当特殊的磁性“中心”，对心脏电流产生的微弱磁场十分敏感。

但是，如何观察这些“氮空位”的状态来提取有关心脏电流的信息呢？

事实证明，传感器也是荧光的——这意味着它们很容易吸收特定频率的光，然后以不同的频率重新发射。最重要的是，在氮空位处重新发射的光的强度会根据外部磁场的强度、方向而变化。

因此，研究小组创建了一个 MCG 设置，使用 532 纳米（绿色）激光激发金刚石传感器，并使用光电二极管来捕获重新发射的光子（光粒子）；他们还开发了数学模型，以准确地将这些捕获的光子与相应的磁场以及反过来与负责这些光子的心脏电流进行映射。

基于固态量子传感器的心磁图。a）大鼠心磁图 (MCG) 装置示意图。一只活着的老鼠的心脏仍然在包含氮空位 (NV) 中心集合的金刚石芯片下方约一毫米处。沿 XY 轴自动扫描大鼠以进行磁场映射，并沿 Z 轴手动扫描以调整高度。心电图 (ECG) 信号通过 ECG 分析器与MCG 同时进行监测，NV 中心由绿色激光激发。b）NV中心能级图。c）心脏和金刚石的放大视图。d）磁力计原理。e）大鼠心脏信号频带~200 Hz 的磁场灵敏度。

大鼠心脏的光学图像。b、c）R 波峰时刻的测量磁场图，精度优于2mm；叠加的灰色实线显示了从磁共振成像 (MRI)。d）大鼠心脏轮廓。e、f）多电流偶极子模型拟合的磁场图。

该系统具有前所未有的、5.1 毫米级的空间分辨率，可以创建在实验室大鼠心脏中测量的心脏电流的详细二维图。此外，与其他需要低温的MCG 传感器不同，金刚石传感器可以在室温下运行。这使研究人员能够将他们的传感器放置在非常靠近心脏组织的位置，从而放大了测量的信号。“我们的非接触式传感器与我们当前的模型相结合，将允许使用小型哺乳动物模型更精确地观察心脏缺陷。”Iwasaki博士强调说[3]。

总体而言，此次实验利用固态量子传感器在环境操作条件下使 NV 色心靠近信号源，演示了活哺乳动物的 MCG 和相关的电流估计。报道中实现的毫米级 MCG 技术是开发用于研究各种心脏病的工具的重要一步。

通过对磁场灵敏度的逐步技术改进，固态量子传感器将为医学、医疗保健增加巨大价值：有望从 MCG 进一步扩展到各种其他生物电流驱动现象的研究。Iwasaki博士评论说：“我们的技术将使研究各种心律失常的起源和进展，以及其他生物电流驱动现象成为可能。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s42005-022-00978-0

[2]https://www.nationaltribune.com.au/measuring-currents-in-heart-at-millimeter-resolution-with-diamond-quantum-sensor/

[3]https://phys.org/news/2022-08-currents-heart-millimeter-resolution-diamond.html