Magnétocardiographie basée sur un capteur quantique à l'état solide. a Schéma de la configuration de magnétocardiographie (MCG) de rat. Le cœur d'un rat vivant reste à environ un millimètre sous une puce de diamant contenant un ensemble de centres de lacune d'azote (NV). Le rat est scanné automatiquement le long des axes XY pour la cartographie du champ magnétique et manuellement le long de l'axe Z pour le réglage de la hauteur. Un signal d'électrocardiographie (ECG) est surveillé par des profileurs ECG en même temps que le MCG. Les centres NV sont excités par une lumière laser verte de 2,0 W. Cette excitation implique une fluorescence dépendante de l'état de spin collectée par une lentille de condenseur asphérique. b Diagramme du niveau d'énergie du centre NV. Le mS = ±1 états fondamentaux sont séparés par un champ magnétique de polarisation et mélangés par des micro-ondes résonnant avec les fréquences de transition NV. Chacun des états fondamentaux est ensuite divisé par des interactions hyperfines avec l'hôte 14 Spin nucléaire N. c Vue agrandie du cœur et du diamant. Les courants électriques circulant dans le cœur génèrent un champ circulant (flèches bleues). Les centres NV (flèches rouges) le long de l'orientation [111] sont sensibles à la composante Z du champ magnétique. d Principe de magnétométrie. Le champ magnétique cardiaque variable dans le temps (bleu), qui décale la fréquence de transition NV, est converti en un changement du signal de fluorescence démodulé par verrouillage (rouge). Cinq pics sont observés dans le spectre de résonance magnétique détecté optiquement (ODMR) car trois fréquences de transition hyperfines sont excitées avec des micro-ondes à trois tons. e Sensibilité au champ magnétique sur la bande de fréquence du signal cardiaque du rat de DC ~ 200 Hz. La ligne pointillée noire indique 140 pT Hz −1/2 . Crédit :Physique des communications (2022). DOI :10.1038/s42005-022-00978-0
Les problèmes cardiaques, tels que la tachycardie et la fibrillation, résultent principalement d'imperfections dans la façon dont les courants électriques se propagent dans le cœur. Malheureusement, il est difficile pour les médecins d'étudier ces imperfections car la mesure de ces courants implique des procédures très invasives et une exposition aux rayons X.
Cependant, il existe d'autres options. Par exemple, la magnétocardiographie (MCG) est une approche alternative prometteuse pour mesurer indirectement les courants cardiaques. La technique consiste à détecter des changements infimes du champ magnétique près du cœur causés par les courants cardiaques, ce qui peut être fait de manière totalement sans contact. A cet effet, différents types de capteurs quantiques adaptés à cet effet ont été développés. Cependant, leur résolution spatiale est limitée aux échelles centimétriques :pas assez bonne pour détecter les courants cardiaques qui se propagent à des échelles millimétriques. De plus, chacun de ces capteurs a une part équitable de ses limites pratiques, telles que la taille et la température de fonctionnement.
Dans une étude récente publiée dans Communications Physics , une équipe de scientifiques dirigée par le professeur associé Takayuki Iwasaki de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, a maintenant développé une nouvelle configuration pour effectuer la MCG à des résolutions plus élevées. Leur approche est basée sur un capteur quantique en diamant comprenant des lacunes d'azote, qui agissent comme des "centres" magnétiques spéciaux sensibles aux champs magnétiques faibles produits par les courants cardiaques.
Mais comment observer l'état de ces centres pour en extraire des informations sur les courants cardiaques ? Il s'avère que le capteur est également fluorescent, ce qui signifie qu'il absorbe facilement la lumière à des fréquences spécifiques, puis les réémet à différentes fréquences. Plus important encore, l'intensité de la lumière réémise au niveau des lacunes d'azote change en fonction de l'intensité et de la direction du champ magnétique externe.
L'équipe de recherche a créé une configuration MCG utilisant un laser de 532 nm (vert) pour exciter le capteur de diamant et une photodiode pour capturer les photons réémis (particules de lumière). Ils ont également développé des modèles mathématiques pour cartographier avec précision ces photons capturés avec les champs magnétiques correspondants et, à leur tour, avec les courants cardiaques qui en sont responsables.
Avec une résolution spatiale sans précédent de 5,1 mm, le système proposé pourrait créer des cartes bidimensionnelles détaillées des courants cardiaques mesurés dans le cœur des rats de laboratoire. De plus, le capteur de diamant pourrait fonctionner à température ambiante, contrairement à d'autres capteurs MCG bien établis qui nécessitent des températures cryogéniques. Cela a permis aux chercheurs de positionner leur capteur extrêmement près du tissu cardiaque, ce qui a amplifié les signaux mesurés. "Les avantages de notre capteur sans contact combinés à nos modèles actuels permettront des observations plus précises des imperfections cardiaques à l'aide de petits animaux modèles de mammifères", souligne le Dr Iwasaki.
Dans l'ensemble, la configuration MCG développée dans cette étude semble être un outil prometteur pour comprendre de nombreux problèmes cardiaques ainsi que d'autres processus corporels impliquant des courants électriques. À cet égard, le Dr Iwasaki remarque :« Notre technique permettra l'étude de l'origine et de la progression de diverses arythmies cardiaques, ainsi que d'autres phénomènes biologiques liés au courant. Améliorer les capteurs quantiques en mesurant l'orientation des spins cohérents à l'intérieur d'un réseau de diamants
