Elmas kuantum sensörleri, cilt teması olmadan oda sıcaklığında kalp manyetizmasını tespit edebilir

Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz’deki (JGU) fizikçiler, kalp aktivitesi gibi biyomanyetik sinyalleri ölçmek için kuantum sensörlerini kullanan bir teknoloji geliştirdiler. Mainz’da Dr. Arne Wickenbrock tarafından koordine edilen DIAQNOS (DIAmond tabanlı Nöroşirurji için Kuantum Algılama) amiral gemisi projesindeki araştırmacılar, kuantum teknolojisinin gelecekteki tıbbi uygulamalar için potansiyelini ortaya koydu.

Bu amaçla, PRISMA üyesi Dr. Dmitry Budker liderliğindeki gruptaki araştırmacılar⁺⁺ Cluster of Excellence ve Helmholtz Institute Mainz — dergideki bir makalede bildirildiği üzere elmaslarda nitrojen boşlukları (NV) kullanıldı Bilim Gelişmeleri.

Budker’in araştırma grubundaki doktora öğrencisi ve makalenin koordinatör yazarı Muhib Omar, doktora araştırması sırasında yeni kuantum sensörünü geliştirdi.

Kompakt boyutu ve oda sıcaklığında çalışabilme yeteneği sayesinde bu NV tabanlı sensör, kalpten veya beyinden gelen manyetik sinyallerin ölçümünü iyileştirmek için yeni yollar açıyor. Miyokardit veya epilepsi gibi durumların erken tespiti için kullanılabilir.

NV merkezleri, elmas kafesindeki bir boşluk, bir karbon atomu yerine elmasa dahil edilmiş bir nitrojen atomunun doğrudan yanına yerleştirildiğinde oluşur. Araştırmacılar bu merkezlerin enerji seviyelerini gözlemleyerek manyetik veya elektrik alanları, sıcaklık ve mekanik stres gibi çok çeşitli fiziksel olayları yüksek hassasiyetle ölçebilirler.

Wickenbrock, “Bu sonuçlar 10 yılı aşkın geliştirme çalışmasının ürünüdür” diye açıkladı. “Teknolojilerimizin laboratuvarla sınırlı kalmamasını ve net pratik uygulamalar bulmasını sağlamak için beyin cerrahlarıyla yakın işbirliği içinde çalışıyoruz. Öncelikli hedefimiz, laboratuvar dışında çalışan ve önemli toplumsal ihtiyaçları karşılayabilecek son derece hassas sensörler geliştirmek.”

DIAQNOS projesindeki araştırmacılar, kalbin manyetik alanını ölçmek için proje ortakları JGU, Stuttgart ve Freiburg Üniversiteleri ve yeni kurulan Q.ANT GmbH tarafından bağımsız olarak geliştirilen üç sistemi kullandı.

Bunu yaparak, Almanya’daki kuantum teknolojilerinin tıbbi uygulamalara yönelik önemli bir adım atmaya hazır olduğunu gösterdiler ve bunu başarmak için hâlâ ihtiyaç duyulan iyileştirmeleri belirlediler. JGU tarafından geliştirilen fiber bazlı NV-elmas manyetometresi, taşınabilir bir endoskop olarak tasarlandı ve manyetik bir öngerilim alanı olmadan çalışıyor. Bu, çevreden gelen manyetik parazitleri filtrelemek için bu tür alanları kullanan diğer iki sistemle tezat oluşturuyor.

Kalp sinyallerini tespit etmenin yeni bir yolunu geliştirmek

Şu anda kalp aktivitesini ölçmek için iki yaygın yöntem vardır: elektrokardiyografi (EKG) ve manyetokardiyografi (MCG). EKG, kalpteki elektriksel aktiviteyi ölçmek için hastanın cildine uygulanan elektrot yamalarını kullanırken, MCG yöntemleri manyetik alanları tespit eder. EKG yaygın olarak kullanılır ancak vücut dokularının farklı iletkenliklerine duyarlıdır. Yanık yaraları gibi bazı tıbbi senaryolar da elektrotların doğrudan cilde yerleştirilmesini imkansız hale getirebilir.

Bunun aksine, MCG ciltle temas gerektirmez ve doku iletkenliğinden yalnızca minimum düzeyde etkilenir. Yöntem son derece hassas manyetometreler gerektirdiğinden, tarihsel olarak süper iletken kuantum girişim cihazları (SQUID’ler) ve optik olarak pompalanan manyetometreler (OPM’ler) gibi maliyetli, karmaşık teknolojilere dayanıyordu.

JGU grubunun elmastaki NV merkezlerini temel alan sistemi, mevcut MCG yöntemlerine göre önemli avantajlar sunan bir alternatiftir. En önemli fark, sensörün küçük boyutudur: hacmi 0,5 milimetreküpten daha az olan, taşımayı kolaylaştıran kesik bir elmas piramit.

Diğer bir avantaj ise, SQUID veya OPM tabanlı sistemlerden farklı olarak NV manyetometrelerinin oda sıcaklığında çalışmasıdır. Bu, onları doğrudan hastanın cildinde kullanıma uygun hale getirir ve istenilen herhangi bir yere uygulanmasına olanak tanır.

Bu, kalbin elektriksel iletim sisteminin 3 boyutlu olarak yeniden yapılandırılması veya fetal kalp aktivitesinin ölçümü gibi biyomanyetik sinyallerin daha hassas haritalanması olasılığının önünü açıyor.

Wickenbrock, “NV manyetometreleri hızlı başlatma, mükemmel biyouyumluluk ve geniş bir sıcaklık aralığında kararlı çalışma ile karakterize edilir. Bu, onları özellikle biyomedikal uygulamalar için çekici kılmaktadır” diye özetledi.

Potansiyel yüksek ancak teknik zorluklar devam ediyor

Çalışma NV elmas manyetometrelerin vaat ettiğini gösterse de, daha yüksek hassasiyet ve daha iyi sinyal-gürültü oranları sunan SQUID’ler ve OPM’lerle karşılaştırıldığında hala bir performans farkı var.

Bununla birlikte, geliştirme ilerledikçe, klinik alanın ötesindeki uygulama olanakları da açılıyor: geniş dinamik aralık, gürültü bastırma ve ölçeklenebilir geometrinin benzersiz kombinasyonu, NV manyetometrelerini çeşitli yeni biyomedikal uygulamalar için uygun hale getiriyor.

Kompakt boyutları sayesinde dedektörler, EKG benzeri kalite elde etmelerini sağlayacak iyileştirme mekanizmalarıyla kolayca birleştirilebilir. Böyle bir mekanizma, bir akı yoğunlaştırıcıdır: manyetik akıyı elmasların içinde yoğunlaştırabilen ve böylece manyetik sinyalleri yükseltebilen bir yapı. NV sensörlerinin küçük hacmi sayesinde 100 kattan fazla amplifikasyon elde edilebilir.

Oda sıcaklığında çalışan fluks yoğunlaştırıcıların araştırılması ve geliştirilmesi Omar’ın ana odak alanlarından biridir.

“Elmas içindeki bir kaynaktan gelen manyetik alan çizgilerini en iyi şekilde yoğunlaştırmak için manyetik yapıları uyarlamak, bu kuantum teknolojilerini pratik kullanıma getirmenin yoludur.”

Bir diğer uygulama alanı ise cerrahi onkolojidir. Bu bağlamda, bir gradyometre oluşturan, konumsal olarak ayrılmış iki sensör arasındaki manyetik alan farkı ölçülmektedir.

Yöntem aynı zamanda korumasız ortamlarda intraoperatif sinir izlemeyi de destekler. Alan gradyanlarına yönelik mekansal hassasiyet, örneğin doğum öncesi izleme için anne ve fetal kalp sinyallerinin invazif olmayan şekilde ayrılmasını da kolaylaştırır.

Her şeyden önce NV gradiometreler, taşınabilir manyetoensefalografi sistemlerinin oda sıcaklığında çalışmasını sağlayabilir, böylece nörolojik teşhisler veya yeni nesil beyin-bilgisayar arayüzleri (BCI’ler) için yeni olanaklar açabilir.