Medição de correntes no coração em resolução milimétrica com um sensor quântico de diamante
Magnetocardiografia baseada em um sensor quântico de estado sólido. a Esquema da configuração da magnetocardiografia de rato (MCG). O coração de um rato vivo permanece aproximadamente um milímetro abaixo de um chip de diamante contendo um conjunto de centros de vacância de nitrogênio (NV). O rato é escaneado automaticamente ao longo dos eixos XY para mapeamento de campo magnético e manualmente ao longo do eixo Z para ajuste de altura. Um sinal de eletrocardiografia (ECG) é monitorado através de perfis de ECG simultaneamente com o MCG. Os centros NV são excitados por uma luz laser verde de 2,0 W. Essa excitação envolve fluorescência dependente do estado de rotação coletada por uma lente condensadora asférica. b Diagrama de nível de energia central NV. O mS = ±1 estados fundamentais são divididos por um campo magnético de polarização e misturados por micro-ondas ressonantes com as frequências de transição NV. Cada um dos estados básicos é dividido por interações hiperfinas com o host
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N spin nuclear. c Visão ampliada do coração e do diamante. As correntes elétricas que fluem pelo coração geram um campo circulante (setas azuis). Os centros NV (setas vermelhas) ao longo da orientação [111] são sensíveis ao componente Z do campo magnético. d Princípio da magnetometria. O campo magnético cardíaco variável no tempo (azul), que muda a frequência de transição NV, é convertido em uma mudança no sinal de fluorescência demodulado lock-in (vermelho). Cinco picos são observados no espectro de ressonância magnética detectada opticamente (ODMR) porque três frequências de transição hiperfina são excitadas com micro-ondas de três tons. e Sensibilidade do campo magnético em toda a banda de frequência do sinal cardíaco do rato de DC ~ 200 Hz. A linha tracejada preta indica 140 pT Hz
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. Crédito:Física das Comunicações (2022). DOI:10.1038/s42005-022-00978-0
Problemas cardíacos, como taquicardia e fibrilação, surgem principalmente de imperfeições na forma como as correntes elétricas se propagam pelo coração. Infelizmente, é difícil para os médicos estudar essas imperfeições, pois a medição dessas correntes envolve procedimentos altamente invasivos e exposição à radiação de raios X.
No entanto, existem outras opções. Por exemplo, a magnetocardiografia (MCG) é uma abordagem alternativa promissora para medir indiretamente as correntes cardíacas. A técnica envolve a detecção de pequenas mudanças no campo magnético próximo ao coração causadas por correntes cardíacas, o que pode ser feito de maneira completamente sem contato. Para tal, foram desenvolvidos vários tipos de sensores quânticos adequados para este fim. No entanto, sua resolução espacial é limitada a escalas de centímetros:não é boa o suficiente para detectar correntes cardíacas que se propagam em escalas milimétricas. Além disso, cada um desses sensores tem uma boa parte de suas limitações práticas, como tamanho e temperatura de operação.
Em um estudo recente publicado em
Communications Physics , uma equipe de cientistas liderada pelo Professor Associado Takayuki Iwasaki do Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japão, desenvolveu agora uma nova configuração para realizar MCG em resoluções mais altas. Sua abordagem é baseada em um sensor quântico de diamante composto por vacâncias de nitrogênio, que atuam como "centros" magnéticos especiais que são sensíveis aos campos magnéticos fracos produzidos pelas correntes cardíacas.
Mas como observar o estado desses centros para extrair informações sobre as correntes cardíacas? Acontece que o sensor também é fluorescente, o que significa que absorve facilmente a luz em frequências específicas e depois as reemite em frequências diferentes. Mais importante ainda, a intensidade da luz reemitida nas vacâncias de nitrogênio muda dependendo da intensidade e direção do campo magnético externo.
A equipe de pesquisa criou uma configuração de MCG usando um laser de 532 nm (verde) para excitar o sensor de diamante e um fotodiodo para capturar os fótons reemitidos (partículas de luz). Eles também desenvolveram modelos matemáticos para mapear com precisão esses fótons capturados com os campos magnéticos correspondentes e, por sua vez, com as correntes cardíacas responsáveis por eles.
Com uma resolução espacial sem precedentes de 5,1 mm, o sistema proposto poderia criar mapas bidimensionais detalhados das correntes cardíacas medidas no coração de ratos de laboratório. Além disso, o sensor de diamante pode operar à temperatura ambiente, ao contrário de outros sensores MCG bem estabelecidos que exigem temperaturas criogênicas. Isso permitiu que os pesquisadores posicionassem seu sensor extremamente próximo ao tecido cardíaco, o que amplificou os sinais medidos. "As vantagens de nosso sensor sem contato combinado com nossos modelos atuais permitirão observações mais precisas de imperfeições cardíacas usando animais modelo de pequenos mamíferos", destaca o Dr. Iwasaki.
No geral, a configuração do MCG desenvolvida neste estudo parece ser uma ferramenta promissora para entender muitos problemas cardíacos, bem como outros processos corporais envolvendo correntes elétricas. A esse respeito, o Dr. Iwasaki observa:"Nossa técnica permitirá o estudo da origem e progressão de várias arritmias cardíacas, bem como outros fenômenos biológicos conduzidos por correntes".
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