Jak czujniki diamentowe mają zrewolucjonizować diagnostykę medyczną

Ludzkie ciało pulsuje polami elektrycznymi, które są spowodowane ruchem ładunku przez nerwy i tkankę mięśniową. Fizycy od dawna mierzą te prądy bezpośrednio za pomocą technik, takich jak elektrokardiografy, które ujawniają pracę serca i elektroencefalografy, które pokazują funkcję mózgu.

Ale te same procesy wytwarzają również pola magnetyczne, które mogą być równie przydatne w diagnozowaniu chorób, a może nawet bardziej. W szczególności czujniki magnetyczne nie muszą dotykać skóry, aby wykonywać swoją pracę. Jest to przydatne na przykład do pomiaru sygnałów z serca płodu lub od ofiar poparzeń.

Ale jest problem. Pole magnetyczne ciała jest niewielkie, a jego wykrycie wymaga niezwykle czułych czujników. Jedynymi dostępnymi na rynku gadżetami, które mogą wykonać tę pracę, są nadprzewodnikowe urządzenia interferencji kwantowej, czyli SQUID, które mogą mierzyć zmiany pól magnetycznych mierzonych w femtotesli (10-15). Należy je schłodzić do temperatury ciekłego helu, a pomiary wykonać w pomieszczeniach ekranowanych, osłoniętych przed zewnętrznymi polami magnetycznymi.

Jak atomy azotu (niebieskie) osadzają się w siatce diamentu.

A to czyni je drogimi. Typowy system magnetokardiografu kosztuje około 1 miliona dolarów w porównaniu do kilku tysięcy dolarów za elektrokardiograf.

Tak więc sposób na tańsze magnetokardiografy lub (magnetoencefalografy) byłby niezwykle przydatny.

Tak się składa, że ​​na skrzydłach czeka technologia, która obiecuje właśnie to zrobić: czujniki diamentowe zdolne do pomiaru maleńkich pól magnetycznych w temperaturze pokojowej. Istnieje nadzieja, że ​​czujniki te mogą sprawić, że magnetokardiografy będą znacznie tańsze, a szpitale nie będą musiały budować drogich ekranowanych pomieszczeń do ich obsługi.

Dziś Matthew Dale i Gavin Morley z University of Warwick w Wielkiej Brytanii twierdzą, że czujniki diamentowe mogą zrewolucjonizować sposób, w jaki lekarze wykorzystują pomiary pola magnetycznego w medycynie diagnostycznej. Określają stan wiedzy w tej dziedzinie i mówią, że szansa biznesowa jest znacząca.

Najpierw trochę tła. Sercem tych czujników diamentowych jest urządzenie w skali atomowej zwane centrum azot-wakancja lub NV. Jest to rodzaj defektu w siatce diamentowej składającej się z atomu azotu znajdującego się obok wakatu.

Centra NV mają interesujące właściwości, gdy przyjmują elektron i stają się naładowane ujemnie. Elektron może emitować czerwone światło, które można łatwo wykryć. Ilość emitowanego światła zależy od polaryzacji spinu elektronu, a ta jest bardzo wrażliwa na wszelkie zewnętrzne pole magnetyczne.

Tak więc każdą zmianę w zewnętrznym polu magnetycznym można zmierzyć obserwując ilość światła emitowanego przez centrum NV. Proces ten działa w temperaturze pokojowej, a fizycy wykorzystali go do pomiaru zmian pola mierzonych w pikoTesli (10-12). Oczekują, że w przyszłości będą w stanie sprawić, że technika będzie znacznie bardziej czuła, a być może nawet będzie w stanie dorównać czułości kałamarnic.

Chociaż obecnie mniej wrażliwe, ośrodki NV mają inne zalety w porównaniu z kałamarnicami. Po pierwsze, czujniki wykorzystujące centra NV zawsze mogą zbliżyć się do sygnału niż SQUID, które muszą być izolowane ze względu na ich temperaturę zamarzania.

A czujniki diamentowe mogą działać bez starannego ekranowania przed zewnętrznymi polami magnetycznymi. Dzieje się tak, ponieważ można ich używać w grupach, a sygnały z bardziej oddalonych czujników służą do niwelowania wpływu niepożądanego pola zewnętrznego.

Oczywiście stoją przed nami pewne wyzwania związane z użytecznością czujników diamentowych. Jednym z nich jest to, że centrum NV emituje światło we wszystkich kierunkach, co utrudnia jego zbieranie. Jednak starannie wyprofilowane lustra powinny być w stanie uchwycić większość tego światła.

Inną jest konkurencyjna technologia zwana magnetometrami metali alkalicznych. Zależą one od zdolności pewnych rodzajów atomów o polaryzacji spinowej do pochłaniania światła w zależności od lokalnego pola magnetycznego. Więc te urządzenia działają poprzez pomiar ilości światła przechodzącego przez mały pojemnik z rozgrzanym gazem atomowym.

Jednak czujniki diamentowe to urządzenia półprzewodnikowe, które prawdopodobnie będą bardziej wytrzymałe niż którykolwiek z konkurentów. Nawet jeśli magnetometry NV ostatecznie nie przewyższają innych pod względem czułości, mogą oferować znaczne korzyści pod względem wytrzymałości, kosztów i bliskości obiektu, mówią Dale i Morley.

Rynek magnetokardiografów opartych na diamentach będzie prawdopodobnie znaczący. Dale i Morley szacują, że na całym świecie istnieje około 100 systemów magnetokardiografów opartych na SQUID. Ale na całym świecie jest około 100 000 szpitali, które mogłyby skorzystać na tańszych urządzeniach. Szacujemy, że można by sprzedać 100 000 systemów magnetokardiografów, gdyby ich funkcjonalność była taka sama jak istniejących systemów SQUID, a cena byłaby niższa niż 150 tys. USD, podsumowują.

To ciekawe badanie. Pole magnetyczne organizmu jest w dużej mierze niewykorzystane w diagnostyce medycznej. Jeśli Dale i Morely mają rację, prawdopodobnie zmieni się to w ciągu najbliższych kilku lat.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1705.01994 : Medyczne zastosowania magnetometrii diamentowej: opłacalność komercyjna

ukryć