Алмазные квантовые датчики для измерения сердечной активности

Физики из Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) разработали технологию на основе квантовых датчиков, способную регистрировать биомагнитные сигналы, в том числе от сердца. Исследование выполнено в рамках флагманского проекта DIAQNOS (Квантовое зондирование для нейрохирургии на основе алмазов), финансируемого Федеральным министерством исследований, технологий и космоса Германии и координируемого доктором Арне Викенброком из Майнца. Группа под руководством профессора Дмитрия Будкера — члена кластера передового опыта PRISMA⁺⁺ и Института Гельмгольца в Майнце — использовала азотные вакансии в алмазах (NV), о чём сообщается в недавней статье в журнале Science Advances. Аспирант Мухиб Омар, один из руководителей работы, разработал новый компактный квантовый датчик в ходе своей диссертации; он работает при комнатной температуре и потенциально пригоден для раннего выявления таких состояний, как миокардит или эпилепсия.

NV‑центры образуются, когда в кристаллической решётке алмаза рядом с вакансией оказывается атом азота, заместивший атом углерода. Наблюдая за энергетическими уровнями таких центров, учёные могут с высокой точностью измерять магнитные и электрические поля, температуру и механическое напряжение.

«Эти результаты — итог более чем десятилетней исследовательской работы. Мы тесно сотрудничаем с нейрохирургами, чтобы наши технологии не остались в лаборатории, а получили практическое применение. Наша цель — создать высокочувствительные датчики, работающие вне лабораторных условий и отвечающие важным социальным потребностям», — отмечают авторы исследования.

Доктор Арне Викенброк, Университет имени Иоганна Гутенберга в Майнце

В проекте DIAQNOS использовали три независимые системы, разработанные партнёрами: JGU, университетами Штутгарта и Фрайбурга и стартапом Q.ANT GmbH. Учёные измеряли магнитное поле сердца и показали, что квантовые технологии в Германии готовы сделать важный шаг к медицинскому применению, одновременно определив, какие улучшения ещё необходимы. Волоконный NV‑алмазный магнитометр, созданный в JGU, спроектирован как портативный «эндоскоп» и работает без внешнего смещающего магнитного поля; две другие системы применяют такие поля для подавления помех от окружающей среды.

Разработка нового способа обнаружения сигналов сердца

В клинической практике сейчас используются два основных подхода к регистрации сердечной активности: электрокардиография (ЭКГ) и магнитокардиография (МКГ). ЭКГ регистрирует электрические потенциалы с поверхности кожи с помощью электродов, тогда как МКГ фиксирует магнитные поля — ей при этом в меньшей степени мешает проводимость тканей. В ряде ситуаций, например при ожогах, нельзя разместить электроды непосредственно на коже, а МКГ не требует контакта с кожей и фактически не зависит от локальной проводимости. Исторически МКГ опиралась на дорогостоящие и громоздкие приборы — сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (СКВИДы) и магнитометры с оптической накачкой (ОПМ).

Система JGU на базе NV‑центров представляет собой альтернативу с рядом преимуществ. Ключевое отличие — компактность датчика: усечённая ромбовидная пирамида объёмом менее 0,5 мм³, что облегчает его транспортировку и установку. Важное преимущество по сравнению с СКВИДами и ОПМ — работа при комнатной температуре: такие датчики можно размещать непосредственно на теле пациента и в произвольных точках, что открывает возможности для более детального картирования биомагнитных полей, трёхмерной реконструкции проводящей системы сердца и мониторинга сердечной активности плода. «NV‑магнитометры характеризуются быстрой инициализацией, высокой биосовместимостью и стабильной работой в широком диапазоне температур. Это делает их особенно привлекательными для биомедицинских приложений», — подчёркивает Арне Викенброк.

Потенциал высок, но технические задачи остаются

Исследование подчёркивает перспективность алмазных NV‑магнитометров, однако по чувствительности и соотношению сигнал/шум они пока уступают лучшим СКВИДам и ОПМ. Вместе с тем уникальное сочетание широкого динамического диапазона, подавления шума и масштабируемой геометрии открывает новые области применения за пределами традиционной клиники.

Малые размеры детекторов позволяют сочетать их с усилительными структурами — так называемыми концентратами потока, которые фокусируют магнитный поток внутри алмаза и тем самым усиливают сигнал. Благодаря компактности NV‑датчиков оценочное усиление может превышать 100 раз; разработка концентраторов, работающих при комнатной температуре, — одно из ключевых направлений работы Мухиба Омара. «Адаптация магнитных структур для оптимальной концентрации магнитных силовых линий внутри алмаза — путь к практическому использованию этих квантовых технологий», — говорит он. Кроме того, комбинация двух пространственно разделённых датчиков в градиометре позволяет измерять разницу магнитного поля, что подходит для интраоперационного мониторинга нервов в неэкранированной среде и для разделения сигналов матери и плода при пренатальном наблюдении. В перспективе NV‑градиометры могут сделать переносные системы магнитоэнцефалографии работающими при комнатной температуре, что расширит возможности неврологической диагностики и интерфейсов «мозг‑компьютер».