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- 使用金剛石量子傳感器以毫米分辨率測量心臟中的電流
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2022/8/29
基于固態(tài)量子傳感器的心磁圖。a 大鼠心磁圖 (MCG) 裝置示意圖。一只活著的老鼠的心臟仍然在包含氮空位 (NV) 核心集合的金剛石芯片下方約一毫米處。沿 XY 軸自動掃描大鼠以進(jìn)行磁場映射，并沿 Z 軸手動掃描以調(diào)整高度。心電圖 (ECG) 信號通過 ECG 分析器與 MCG 同時進(jìn)行監(jiān)測。NV 核心由 2.0 W 綠色激光激發(fā)。這種激發(fā)需要由非球面聚光透鏡收集的自旋態(tài)相關(guān)熒光。b NV核心能級圖。米S?= ±1 基態(tài)被偏置磁場分裂并被與 NV 躍遷頻率共振的微波混合。每個基態(tài)通過與宿主的超精細(xì)相互作用進(jìn)一步分裂14N 核自旋。c 心形和鉆石的放大視圖。流過心臟的電流會產(chǎn)生一個循環(huán)場（藍(lán)色箭頭）。沿 [111] 方向的 NV 核心（紅色箭頭）對磁場的 Z 分量敏感。d 磁力測量原理。改變 NV 躍遷頻率的時變心臟磁場（藍(lán)色）被轉(zhuǎn)換為鎖定解調(diào)熒光信號（紅色）的變化。在鎖定光學(xué)檢測磁共振 (ODMR) 光譜中觀察到五個峰，因為三個超精細(xì)躍遷頻率被三音微波激發(fā)。e 整個大鼠心臟信號頻帶 DC ~200 Hz 的磁場靈敏度。黑色虛線表示 140 pT Hz -1/2。來源：通信物理學(xué)（2022 年）。DOI: 10.1038/s42005-022-00978-0
心臟問題，如心動過速和纖顫，主要是由于電流通過心臟傳播的方式存在缺陷。不幸的是，醫(yī)生很難研究這些缺陷，因為測量這些電流涉及高度侵入性程序和暴露于 X 射線輻射。
但是，還有其他選擇。例如，心磁圖 (MCG) 是一種很有前途的替代方法，可以間接測量心臟電流。該技術(shù)涉及感應(yīng)由心臟電流引起的心臟附近磁場的微小變化，這可以以完全非接觸的方式完成。為此，已經(jīng)開發(fā)了適用于此目的的各種類型的量子傳感器。然而，它們的空間分辨率限于厘米級：不足以檢測以毫米級傳播的心臟電流。此外，這些傳感器中的每一個都具有相當(dāng)大的實際限制，例如尺寸和工作溫度。
在近期發(fā)表在Communications Physics上的一項研究中，由日本東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Tech）的 Takayuki Iwasaki 副教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種新的裝置來執(zhí)行更高分辨率的 MCG。他們的方法基于包含氮空位的金剛石量子傳感器，這些空位充當(dāng)特殊的磁性“核心”，對心臟電流產(chǎn)生的微弱磁場敏感。
但是如何觀察這些核心的狀態(tài)來提取有關(guān)心臟電流的信息呢？事實證明，傳感器也是熒光的，這意味著它很容易吸收特定頻率的光，然后以不同的頻率重新發(fā)射它們。重要的是，在氮空位處重新發(fā)射的光的強(qiáng)度根據(jù)外部磁場的強(qiáng)度和方向而變化。
研究小組創(chuàng)建了一個 MCG 設(shè)置，使用 532 nm（綠色）激光來激發(fā)金剛石傳感器和光電二極管以捕獲重新發(fā)射的光子（光粒子）。他們還開發(fā)了數(shù)學(xué)模型，以準(zhǔn)確地映射這些捕獲的光子與相應(yīng)的磁場，進(jìn)而映射出負(fù)責(zé)它們的心臟電流。
所提出的系統(tǒng)具有 5.1 毫米空間分辨率，可以創(chuàng)建在實驗室大鼠心臟中測量的心臟電流的詳細(xì)二維圖。此外，與其他需要低溫的成熟 MCG 傳感器不同，金剛石傳感器可以在室溫下運(yùn)行。這使研究人員能夠?qū)⑺麄兊膫鞲衅鞣胖迷诜浅？拷呐K組織的位置，從而放大了測量的信號�！拔覀兊姆墙佑|式傳感器與我們當(dāng)前的模型相結(jié)合的優(yōu)勢將允許使用小型哺乳動物模型動物更準(zhǔn)確地觀察心臟缺陷，”Iwasaki 博士強(qiáng)調(diào)說。
總體而言，本研究中開發(fā)的 MCG 設(shè)置似乎是了解許多心臟問題以及其他涉及電流的身體過程的有前途的工具。在這方面，巖崎博士評論說：“我們的技術(shù)將有助于研究各種心律失常的起源和進(jìn)展，以及其他生物電流驅(qū)動的現(xiàn)象。”
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