Magnetocardiografía basada en un sensor cuántico de estado sólido. un esquema de la configuración de magnetocardiografía de rata (MCG). El corazón de una rata viva permanece aproximadamente un milímetro por debajo de un trozo de diamante que contiene un conjunto de centros vacantes de nitrógeno (NV). La rata se escanea automáticamente a lo largo de los ejes XY para el mapeo del campo magnético y manualmente a lo largo del eje Z para el ajuste de altura. Una señal de electrocardiografía (ECG) se monitorea a través de perfiladores de ECG simultáneamente con el MCG. Los centros NV están excitados por una luz láser verde de 2,0 W. Esta excitación implica una fluorescencia dependiente del estado de espín recogida por una lente condensadora asférica. b Diagrama del nivel de energía del centro NV. La mS = ±1 estados fundamentales son divididos por un campo magnético polarizado y mezclados por microondas resonantes con las frecuencias de transición NV. Cada uno de los estados básicos se divide aún más por interacciones hiperfinas con el host 14 N espín nuclear. c Vista ampliada del corazón y el diamante. Las corrientes eléctricas que fluyen a través del corazón generan un campo circulante (flechas azules). Los centros NV (flechas rojas) a lo largo de la orientación [111] son sensibles a la componente Z del campo magnético. d Principio de magnetometría. El campo magnético cardíaco variable en el tiempo (azul), que cambia la frecuencia de transición NV, se convierte en un cambio en la señal de fluorescencia demodulada de bloqueo (rojo). Se observan cinco picos en el espectro de resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR) porque tres frecuencias de transición hiperfinas se excitan con microondas de tres tonos. e Sensibilidad del campo magnético en la banda de frecuencia de la señal del corazón de la rata de DC ~200 Hz. La línea discontinua negra indica 140 pT Hz −1/2 . Crédito:Física de las comunicaciones (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00978-0
Los problemas cardíacos, como la taquicardia y la fibrilación, surgen principalmente de imperfecciones en la forma en que las corrientes eléctricas se propagan por el corazón. Desafortunadamente, es difícil para los médicos estudiar estas imperfecciones, ya que la medición de estas corrientes implica procedimientos altamente invasivos y la exposición a la radiación de rayos X.
Sin embargo, hay otras opciones. Por ejemplo, la magnetocardiografía (MCG) es un enfoque alternativo prometedor para medir indirectamente las corrientes cardíacas. La técnica consiste en detectar cambios diminutos en el campo magnético cerca del corazón causados por corrientes cardíacas, lo que se puede hacer sin contacto. Con este fin, se han desarrollado varios tipos de sensores cuánticos adecuados para este fin. Sin embargo, su resolución espacial está limitada a escalas de centímetros:no es lo suficientemente buena para detectar corrientes cardíacas que se propagan a escalas de milímetros. Además, cada uno de estos sensores tiene una buena parte de sus limitaciones prácticas, como el tamaño y la temperatura de funcionamiento.
En un estudio reciente publicado en Communications Physics , un equipo de científicos dirigido por el profesor asociado Takayuki Iwasaki del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), Japón, ha desarrollado ahora una configuración novedosa para realizar MCG a resoluciones más altas. Su enfoque se basa en un sensor cuántico de diamante que comprende vacantes de nitrógeno, que actúan como "centros" magnéticos especiales que son sensibles a los campos magnéticos débiles producidos por las corrientes cardíacas.
Pero, ¿cómo se observa el estado de estos centros para extraer información sobre las corrientes cardíacas? Resulta que el sensor también es fluorescente, lo que significa que absorbe fácilmente la luz a frecuencias específicas y luego las vuelve a emitir a diferentes frecuencias. Lo que es más importante, la intensidad de la luz reemitida en las vacantes de nitrógeno cambia según la intensidad y la dirección del campo magnético externo.
El equipo de investigación creó una configuración de MCG usando un láser de 532 nm (verde) para excitar el sensor de diamante y un fotodiodo para capturar los fotones reemitidos (partículas de luz). También desarrollaron modelos matemáticos para mapear con precisión estos fotones capturados con los campos magnéticos correspondientes y, a su vez, con las corrientes cardíacas responsables de ellos.
Con una resolución espacial sin precedentes de 5,1 mm, el sistema propuesto podría crear mapas bidimensionales detallados de las corrientes cardíacas medidas en los corazones de ratas de laboratorio. Además, el sensor de diamante podría funcionar a temperatura ambiente, a diferencia de otros sensores MCG bien establecidos que requieren temperaturas criogénicas. Esto permitió a los investigadores colocar su sensor muy cerca del tejido cardíaco, lo que amplificó las señales medidas. "Las ventajas de nuestro sensor sin contacto combinado con nuestros modelos actuales permitirán observaciones más precisas de las imperfecciones cardíacas utilizando modelos animales de pequeños mamíferos", destaca el Dr. Iwasaki.
En general, la configuración de MCG desarrollada en este estudio parece ser una herramienta prometedora para comprender muchos problemas cardíacos, así como otros procesos corporales que involucran corrientes eléctricas. Al respecto, el Dr. Iwasaki comenta:“Nuestra técnica permitirá estudiar el origen y la progresión de diversas arritmias cardíacas, así como otros fenómenos biológicos impulsados por corrientes”. Mejora de los sensores cuánticos midiendo la orientación de espines coherentes dentro de una red de diamantes
