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(dòng)掃描大鼠以進(jìn)行磁場(chǎng)映射，并沿 Z 軸手動(dòng)掃描以調(diào)整高度。心電圖 (ECG) 信號(hào)通過(guò) ECG 分析器與 MCG 同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(jí)圖。米S?= ±1 基態(tài)被偏置磁場(chǎng)分裂并被與 NV 躍遷頻率共振的微波混合。每個(gè)基態(tài)通過(guò)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(guò)心臟的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)循環(huán)場(chǎng)（藍(lán)色箭頭）。沿 [111] 方向的 NV 核心（紅色箭頭）對(duì)磁場(chǎng)的 Z 分量敏感。d 磁力測(cè)量原理。改變 NV 躍遷頻率的時(shí)變心臟磁場(chǎng)（藍(lán)色）被轉(zhuǎn)換為鎖定解調(diào)熒光信號(hào)（紅色）的變化。在鎖定光學(xué)檢測(cè)磁共振 (ODMR) 光譜中觀察到五個(gè)峰，因?yàn)槿齻�(gè)超精細(xì)躍遷頻率被三音微波激發(fā)。e 整個(gè)大鼠心臟信號(hào)頻帶 DC ~200 Hz 的磁場(chǎng)靈敏度。黑色虛線表示 140 pT Hz -1/2。來(lái)源：通信物理學(xué)（2022 年）。DOI: 10.1038/s42005-022-00978-0

心臟問(wèn)題，如心動(dòng)過(guò)速和纖顫，主要是由于電流通過(guò)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?yàn)闇y(cè)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(cè)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(chǎng)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(kāi)發(fā)了適用于此目的的各種類(lèi)型的量子傳感器。然而，它們的空間分辨率限于厘米級(jí)：不足以檢測(cè)以毫米級(jí)傳播的心臟電流。此外，這些傳感器中的每一個(gè)都具有相當(dāng)大的實(shí)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(xiàng)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(kāi)發(fā)出一種新的裝置來(lái)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(duì)心臟電流產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)敏感。

但是如何觀察這些核心的狀態(tài)來(lái)提取有關(guān)心臟電流的信息呢？事實(shí)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(chǎng)的強(qiáng)度和方向而變化。

研究小組創(chuàng)建了一個(gè) MCG 設(shè)置，使用 532 nm（綠色）激光來(lái)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(kāi)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(chǎng)，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(shí)驗(yàn)室大鼠心臟中測(cè)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�心臟組織的位置，從而放大了測(cè)量的信號(hào)�！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(shì)將允許使用小型哺乳動(dòng)物模型動(dòng)物更準(zhǔn)確地觀察心臟缺陷，”Iwasaki 博士強(qiáng)調(diào)說(shuō)。

總體而言，本研究中開(kāi)發(fā)的 MCG 設(shè)置似乎是了解許多心臟問(wèn)題以及其他涉及電流的身體過(guò)程的有前途的工具。在這方面，巖崎博士評(píng)論說(shuō)：“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(dòng)的現(xiàn)象�！�