Tehnologia inovatoare utilizează senzori cuantici pentru a evalua activitatea inimii
Fizicienii de la Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz (JGU) au creat o tehnologie revoluționară ce folosește senzori cuantici pentru a măsura semnalele biomagnetice, inclusiv activitatea inimii.
Proiectul DIAQNOS (DIAmond-based Quantum Sensing for NeurOSurgery), finanțat de Ministerul Federal al Cercetării, Tehnologiei și Spațiului din Germania și coordonat de Dr. Arne Wickenbrock, a demonstrat potențialul tehnologiilor cuantice pentru aplicații medicale viitoare. Echipa condusă de Prof. Dr. Dmitry Budker a utilizat centrele de azot (NV) din diamante, conform unui articol recent publicat în revista Science Advances. Muhib Omar, un student doctorand din grupul lui Budker și autor coordonator al articolului, a dezvoltat noul senzor cuantic în cadrul cercetării sale doctorale.
Datorită dimensiunii sale compacte și capacității de a funcționa la temperatura camerei, acest senzor bazat pe NV deschide noi posibilități pentru îmbunătățirea măsurării semnalelor magnetice de la inimă sau creier. Poate fi utilizat pentru detectarea timpurie a unor condiții precum miocardita sau epilepsia.
Centrele NV se formează atunci când o vacanță din rețeaua de diamant se află direct lângă un atom de azot încorporat în diamant în locul unui atom de carbon. Prin observarea nivelurilor de energie ale acestor centre, cercetătorii pot măsura o gamă largă de fenomene fizice, cum ar fi câmpurile magnetice sau electrice, temperatura și stresul mecanic, cu o precizie ridicată.
Aceste rezultate sunt rodul a peste zece ani de dezvoltare. Colaborăm strâns cu neurochirurgii pentru a ne asigura că tehnologiile noastre nu rămân în laborator, ci găsesc aplicații practice clare. Obiectivul nostru principal este să dezvoltăm senzori de înaltă sensibilitate care să funcționeze în afara laboratorului și să poată îndeplini nevoi sociale importante.
Cercetătorii din cadrul proiectului DIAQNOS au utilizat trei sisteme dezvoltate independent de partenerii proiectului JGU, Universitățile din Stuttgart și Freiburg, precum și de startup-ul Q.ANT GmbH, pentru a măsura câmpul magnetic al inimii. Astfel, au demonstrat că tehnologiile cuantice din Germania sunt pregătite să facă un pas important către aplicații medicale și au identificat îmbunătățirile necesare pentru a atinge acest obiectiv.
Sistemul dezvoltat de JGU, bazat pe centre NV din diamante, a fost conceput ca un endoscop portabil și funcționează fără un câmp magnetic de referință. Acest lucru contrastează cu celelalte două sisteme, care utilizează astfel de câmpuri pentru a filtra interferențele magnetice din mediu.
În prezent, există două metode comune pentru a măsura activitatea inimii: electrocardiografia (ECG) și magnetocardiografia (MCG). În timp ce ECG folosește electrozi aplicați pe pielea pacientului pentru a măsura activitatea electrică din inimă, metodele MCG detectează câmpurile magnetice. Deși ECG este utilizat pe scară largă, este sensibil la conductivitatea diferită a țesuturilor corpului. Anumite situații medicale, cum ar fi arsurile, pot face imposibilă aplicarea electrozilor direct pe piele. În contrast, MCG nu necesită contact cu pielea și este influențat minim de conductivitatea țesuturilor. Deoarece metoda necesită magnetometre de înaltă sensibilitate, s-a bazat istoric pe tehnologii complexe și costisitoare, precum dispozitivele de interferență cuantică superconductoare (SQUID) și magnetometrele pompate optic (OPM).
Sistemul din grupul JGU, bazat pe centre NV din diamante, reprezintă o alternativă ce oferă avantaje semnificative față de metodele existente de MCG. Cea mai importantă diferență este dimensiunea mică a senzorului: o piramidă de diamant tăiată, cu un volum de mai puțin de 0,5 milimetri cubi, ceea ce facilitează transportul. Un alt avantaj este că, spre deosebire de sistemele bazate pe SQUID sau OPM, magnetometrele NV funcționează la temperatura camerei. Aceasta le face potrivite pentru utilizarea directă pe pielea pacientului și permite aplicarea lor în orice loc dorit. Aceasta deschide posibilitatea unei cartografieri mai precise a semnalelor biomagnetice, cum ar fi reconstrucția 3D a sistemului de conducere electrică al inimii sau măsurarea activității cardiace fetale.
„Magnetometrele NV se caracterizează prin inițializare rapidă, biocompatibilitate excelentă și funcționare stabilă pe o gamă largă de temperaturi. Acestea sunt deosebit de atractive pentru aplicațiile biomedicale”, a rezumat Arne Wickenbrock.
Deși studiul evidențiază promisiunea magnetometrelor NV din diamante, există încă un decalaj de performanță comparativ cu SQUID și OPM, care oferă o sensibilitate mai mare și un raport semnal-zgomot mai bun. Totuși, pe măsură ce dezvoltarea progresează, se deschid posibilități de aplicație dincolo de domeniul clinic: combinația unică de o gamă dinamică largă, suprimarea zgomotului și geometria scalabilă fac magnetometrele NV potrivite pentru diverse aplicații biomedicale inovatoare.
Datorită dimensiunii lor compacte, detectoarele pot fi combinate cu mecanisme de îmbunătățire care ar putea permite atingerea unei calități similare cu cea a ECG. Un exemplu de astfel de mecanisme sunt așa-numitele concentratoare de flux: structuri care pot concentra fluxul magnetic în interiorul diamantelor și astfel amplifică semnalele magnetice. Datorită volumului mic al senzorilor NV, se pot obține amplificări de peste 100 de ori. Cercetarea și dezvoltarea concentratoarelor de flux care funcționează la temperatura camerei este una dintre principalele arii de interes ale lui Muhib Omar. „Adaptarea structurilor magnetice pentru a concentra optim liniile de câmp magnetic dintr-o sursă din interiorul diamantului este calea de a aduce aceste tehnologii cuantice în utilizare practică”. Un alt domeniu de aplicație este oncologia chirurgicală. În acest context, se măsoară diferența de câmp magnetic între doi senzori separați spațial care formează un gradiometru. Această metodă sprijină, de asemenea, monitorizarea nervilor intraoperatori în medii neprotejate. Sensibilitatea spațială la gradientele de câmp facilitează, de exemplu, separarea non-invazivă a semnalelor cardiace materne și fetale pentru monitorizarea prenatală. În special, gradiometrele NV ar putea permite sistemelor portabile de magnetoencefalografie să funcționeze la temperatura camerei, deschizând astfel noi posibilități pentru diagnosticile neurologice sau interfețele creier-computer de nouă generație.
