Hartproblemen, zoals tachycardie en fibrillatie, ontstaan ​​voornamelijk door onvolkomenheden in de manier waarop elektrische stromen zich door het hart voortplanten. Helaas is het voor artsen moeilijk om deze onvolkomenheden te bestuderen, aangezien het meten van deze stromen zeer invasieve procedures en blootstelling aan röntgenstraling met zich meebrengt.

Er zijn echter andere opties. Magnetocardiografie (MCG) is bijvoorbeeld een veelbelovende alternatieve benadering om indirect hartstromen te meten. De techniek omvat het waarnemen van minieme veranderingen in het magnetische veld nabij het hart veroorzaakt door hartstromen, wat volledig contactloos kan worden gedaan. Hiervoor zijn verschillende soorten kwantumsensoren ontwikkeld die hiervoor geschikt zijn. Hun ruimtelijke resolutie is echter beperkt tot centimeterschalen:niet goed genoeg om hartstromen te detecteren die zich voortplanten op millimeterschalen. Bovendien heeft elk van deze sensoren een behoorlijk deel van zijn praktische beperkingen, zoals grootte en bedrijfstemperatuur.

In een recente studie gepubliceerd in Communications Physics , heeft een team van wetenschappers onder leiding van universitair hoofddocent Takayuki Iwasaki van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, nu een nieuwe opstelling ontwikkeld om MCG met hogere resoluties uit te voeren. Hun aanpak is gebaseerd op een diamanten kwantumsensor met stikstofvacatures, die fungeren als speciale magnetische "centra" die gevoelig zijn voor de zwakke magnetische velden die worden geproduceerd door hartstromen.

Maar hoe observeer je de toestand van deze centra om informatie over de hartstromen te extraheren? Het blijkt dat de sensor ook fluorescerend is, wat betekent dat hij gemakkelijk licht absorbeert op specifieke frequenties en dit vervolgens weer uitstraalt op verschillende frequenties. Het belangrijkste is dat de intensiteit van het licht dat opnieuw wordt uitgestraald bij de stikstofvacatures verandert afhankelijk van de intensiteit en richting van het externe magnetische veld.

Het onderzoeksteam creëerde een MCG-opstelling met behulp van een 532 nm (groene) laser om de diamantsensor te exciteren en een fotodiode om de opnieuw uitgezonden fotonen (lichtdeeltjes) te vangen. Ze ontwikkelden ook wiskundige modellen om deze gevangen fotonen nauwkeurig in kaart te brengen met de bijbehorende magnetische velden en, op hun beurt, met de hartstromen die ervoor verantwoordelijk zijn.

Met een ongekende ruimtelijke resolutie van 5,1 mm zou het voorgestelde systeem gedetailleerde tweedimensionale kaarten kunnen maken van de hartstromen gemeten in de harten van laboratoriumratten. Bovendien zou de diamantsensor bij kamertemperatuur kunnen werken, in tegenstelling tot andere gevestigde MCG-sensoren die cryogene temperaturen vereisen. Hierdoor konden de onderzoekers hun sensor extreem dicht bij het hartweefsel plaatsen, waardoor de gemeten signalen werden versterkt. "De voordelen van onze contactloze sensor in combinatie met onze huidige modellen zullen zorgen voor nauwkeurigere observaties van cardiale onvolkomenheden met behulp van kleine zoogdiermodeldieren", benadrukt Dr. Iwasaki.

Over het algemeen lijkt de MCG-opstelling die in deze studie is ontwikkeld een veelbelovend hulpmiddel te zijn voor het begrijpen van veel hartproblemen en andere lichamelijke processen waarbij elektrische stromen betrokken zijn. In dit verband merkt Dr. Iwasaki op:"Onze techniek zal de studie van de oorsprong en progressie van verschillende hartritmestoornissen mogelijk maken, evenals andere biologische stroomgestuurde verschijnselen." + Verder verkennen

Kwantumsensoren verbeteren door de oriëntatie van coherente spins in een diamantrooster te meten