Магнитокардиография на основе твердотельного квантового датчика. а Схема установки магнитокардиографии крыс (MCG). Сердце живой крысы остается примерно на один миллиметр ниже алмазного чипа, содержащего ансамбль азотно-вакансионных (NV) центров. Крысу автоматически сканируют по осям XY для картирования магнитного поля и вручную по оси Z для регулировки высоты. Сигнал электрокардиографии (ЭКГ) отслеживается с помощью профилировщиков ЭКГ одновременно с МКГ. Центры NV возбуждаются зеленым лазерным светом мощностью 2,0 Вт. Это возбуждение влечет за собой флуоресценцию, зависящую от спинового состояния, собираемую асферической конденсорной линзой. б Диаграмма уровней энергии центра NV. М S = ±1 основные состояния расщепляются смещающим магнитным полем и смешиваются микроволнами, резонансными с частотами NV-переходов. Каждое из основных состояний далее расщепляется сверхтонкими взаимодействиями с хозяином 14 .N ядерный спин. c Увеличенный вид сердца и бриллианта. Электрические токи, протекающие через сердце, создают циркулирующее поле (синие стрелки). Центры NV (красные стрелки) вдоль ориентации [111] чувствительны к Z-компоненте магнитного поля. d Принцип магнитометрии. Изменяющееся во времени магнитное поле сердца (синее), которое сдвигает частоту перехода NV, преобразуется в изменение демодулированного сигнала флуоресценции с блокировкой (красный). В спектре синхронного оптического магнитного резонанса (ODMR) наблюдаются пять пиков, потому что три частоты сверхтонкого перехода возбуждаются трехтональными микроволнами. e Чувствительность к магнитному полю в полосе частот сигнала сердца крысы постоянного тока ~200 Гц. Черная пунктирная линия указывает 140 пТл Гц -1/2 . Кредит: Физика связи(2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00978-0

Проблемы с сердцем, такие как тахикардия и фибрилляция, возникают в основном из-за несовершенства пути прохождения электрического тока через сердце. К сожалению, врачам сложно изучать эти несовершенства, так как измерение этих токов связано с высокоинвазивными процедурами и воздействием рентгеновского излучения.

Однако есть и другие варианты. Например, магнитокардиография (МКГ) является многообещающим альтернативным подходом к косвенному измерению сердечных токов. Этот метод включает в себя обнаружение мельчайших изменений магнитного поля вблизи сердца, вызванных сердечными токами, что можно сделать совершенно бесконтактным способом. С этой целью были разработаны различные типы квантовых сенсоров, пригодных для этой цели. Однако их пространственное разрешение ограничено сантиметровыми масштабами: этого недостаточно для обнаружения сердечных токов, которые распространяются в миллиметровых масштабах. Более того, каждый из этих датчиков имеет немало практических ограничений, таких как размер и рабочая температура.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Communications Physics, группа ученых под руководством доцента Такаюки Ивасаки из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, разработала новую установку для выполнения MCG с более высоким разрешением. Их подход основан на алмазном квантовом сенсоре, состоящем из азотных вакансий, которые действуют как специальные магнитные «центры», чувствительные к слабым магнитным полям, создаваемым сердечными токами.

Но как наблюдать за состоянием этих центров, чтобы извлечь информацию о сердечных токах? Оказывается, датчик тоже флуоресцентный, а это значит, что он легко поглощает свет на определенных частотах, а затем переизлучает их на других частотах. Самое главное, что интенсивность света, переизлучаемого азотными вакансиями, изменяется в зависимости от напряженности и направления внешнего магнитного поля.

Исследовательская группа создала установку MCG с использованием 532-нм (зеленого) лазера для возбуждения алмазного датчика и фотодиода для улавливания переизлучаемых фотонов (частиц света). Они также разработали математические модели для точного сопоставления этих захваченных фотонов с соответствующими магнитными полями и, в свою очередь, с сердечными токами, ответственными за них.

С беспрецедентным пространственным разрешением 5,1 мм предлагаемая система могла создавать подробные двумерные карты сердечных токов, измеренных в сердцах лабораторных крыс. Кроме того, алмазный датчик может работать при комнатной температуре, в отличие от других хорошо зарекомендовавших себя датчиков MCG, для которых требуются криогенные температуры. Это позволило исследователям расположить датчик очень близко к ткани сердца, что усилило измеренные сигналы. «Преимущества нашего бесконтактного датчика в сочетании с нашими текущими моделями позволят более точно наблюдать за сердечными дефектами с использованием моделей мелких млекопитающих», — подчеркивает доктор Ивасаки.

В целом, установка MCG, разработанная в этом исследовании, кажется многообещающим инструментом для понимания многих проблем с сердцем, а также других процессов в организме, связанных с электрическими токами. В связи с этим д-р Ивасаки отмечает: «Наша методика позволит изучать происхождение и прогрессирование различных сердечных аритмий, а также других биологических явлений, управляемых током».