Magnetocardiografia basata su un sensore quantistico a stato solido. uno schema della configurazione della magnetocardiografia del ratto (MCG). Il cuore di un topo vivente rimane circa un millimetro al di sotto di una scheggia di diamante contenente un insieme di centri di vacanza di azoto (NV). Il ratto viene scansionato automaticamente lungo gli assi XY per la mappatura del campo magnetico e manualmente lungo l'asse Z per la regolazione dell'altezza. Un segnale elettrocardiografico (ECG) viene monitorato tramite profilatori ECG in concomitanza con l'MCG. I centri NV sono eccitati da una luce laser verde da 2,0 W. Questa eccitazione comporta una fluorescenza dipendente dallo stato di spin raccolta da una lente a condensatore asferica. b Diagramma del livello di energia del centro NV. La mS = ±1 stati fondamentali sono divisi da un campo magnetico di polarizzazione e mescolati da microonde risonanti con le frequenze di transizione NV. Ciascuno degli stati fondamentali è ulteriormente suddiviso da interazioni iperfini con l'host 14 Spin nucleare N. c Vista ingrandita del cuore e del diamante. Le correnti elettriche che scorrono attraverso il cuore generano un campo circolante (frecce blu). I centri NV (frecce rosse) lungo l'orientamento [111] sono sensibili alla componente Z del campo magnetico. d Principio della magnetometria. Il campo magnetico cardiaco variabile nel tempo (blu), che sposta la frequenza di transizione NV, viene convertito in un cambiamento nel segnale di fluorescenza lock-in-demodulato (rosso). Cinque picchi sono osservati nello spettro di risonanza magnetica (ODMR) rilevato otticamente perché tre frequenze di transizione iperfine sono eccitate con microonde a tre toni. e Sensibilità del campo magnetico attraverso la banda di frequenza del segnale cardiaco del ratto di DC ~200 Hz. La linea tratteggiata nera indica 140 pT Hz −1/2 . Credito:Fisica delle comunicazioni (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00978-0
I problemi cardiaci, come la tachicardia e la fibrillazione, derivano principalmente da imperfezioni nel modo in cui le correnti elettriche si propagano attraverso il cuore. Sfortunatamente, è difficile per i medici studiare queste imperfezioni poiché la misurazione di queste correnti comporta procedure altamente invasive ed esposizione ai raggi X.
Tuttavia, ci sono altre opzioni. Ad esempio, la magnetocardiografia (MCG) è un approccio alternativo promettente per misurare indirettamente le correnti cardiache. La tecnica prevede il rilevamento di piccoli cambiamenti nel campo magnetico vicino al cuore causati dalle correnti cardiache, che possono essere eseguiti in modo completamente senza contatto. A tal fine sono stati sviluppati vari tipi di sensori quantistici adatti a questo scopo. Tuttavia, la loro risoluzione spaziale è limitata a scale centimetriche:non abbastanza per rilevare le correnti cardiache che si propagano su scale millimetriche. Inoltre, ciascuno di questi sensori ha una buona parte dei suoi limiti pratici, come le dimensioni e la temperatura di esercizio.
In un recente studio pubblicato su Fisica delle comunicazioni , un team di scienziati guidato dal Professore Associato Takayuki Iwasaki del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Giappone, ha ora sviluppato una nuova configurazione per eseguire MCG a risoluzioni più elevate. Il loro approccio si basa su un sensore quantistico diamantato comprendente posti vacanti di azoto, che agiscono come speciali "centri" magnetici sensibili ai deboli campi magnetici prodotti dalle correnti cardiache.
Ma come osservare lo stato di questi centri per estrarre informazioni sulle correnti cardiache? Si scopre che anche il sensore è fluorescente, il che significa che assorbe facilmente la luce a frequenze specifiche e poi le riemette a frequenze diverse. Ancora più importante, l'intensità della luce riemessa nelle vacanze di azoto cambia a seconda dell'intensità e della direzione del campo magnetico esterno.
Il team di ricerca ha creato una configurazione MCG utilizzando un laser a 532 nm (verde) per eccitare il sensore del diamante e un fotodiodo per catturare i fotoni riemessi (particelle di luce). Hanno anche sviluppato modelli matematici per mappare accuratamente questi fotoni catturati con i corrispondenti campi magnetici e, a loro volta, con le correnti cardiache responsabili.
Con una risoluzione spaziale senza precedenti di 5,1 mm, il sistema proposto potrebbe creare mappe bidimensionali dettagliate delle correnti cardiache misurate nel cuore dei ratti di laboratorio. Inoltre, il sensore diamantato potrebbe funzionare a temperatura ambiente, a differenza di altri sensori MCG consolidati che richiedono temperature criogeniche. Ciò ha consentito ai ricercatori di posizionare il sensore estremamente vicino al tessuto cardiaco, amplificando i segnali misurati. "I vantaggi del nostro sensore contactless combinato con i nostri modelli attuali consentiranno osservazioni più precise delle imperfezioni cardiache utilizzando piccoli mammiferi modello di animali", sottolinea il dott. Iwasaki.
Nel complesso, la configurazione MCG sviluppata in questo studio sembra essere uno strumento promettente per comprendere molti problemi cardiaci e altri processi corporei che coinvolgono correnti elettriche. A questo proposito, il Dr. Iwasaki osserva:"La nostra tecnica consentirà lo studio dell'origine e della progressione di varie aritmie cardiache, nonché di altri fenomeni biologici guidati dalla corrente". + Esplora ulteriormente
