Hur diamantsensorer är inställda på att revolutionera medicinsk diagnostik

Människokroppen pulserar med elektriska fält som orsakas av laddningens rörelse genom nerver och över muskelvävnad. Fysiker har länge mätt dessa strömmar direkt med tekniker som elektrokardiografer, som avslöjar hjärtfunktion, och elektroencefalografer, som avslöjar hjärnans funktion.

Men samma processer producerar också magnetiska fält, och dessa har potential att vara lika användbara för att diagnostisera sjukdomar, kanske ännu mer. I synnerhet behöver magnetiska sensorer inte röra huden för att utföra sitt arbete. Det är användbart för att mäta signaler från fostrets hjärtan eller från brännskador, till exempel.

Men det är ett problem. Kroppens magnetfält är litet, och för att upptäcka det krävs enormt känsliga sensorer. De enda kommersiellt tillgängliga prylarna som kan göra det här jobbet är supraledande kvantinterferensenheter, eller SQUIDs, som kan mäta förändringar i magnetfält mätt i femtoTesla (10-15). Dessa måste kylas till flytande heliums temperatur och mätningarna görs i avskärmade rum som är avskärmade från yttre magnetfält.

Hur kväveatomer (blå) blir inbäddade i ett diamantgitter.

Och det gör dem dyra. Ett typiskt magnetokardiografsystem kostar i storleksordningen 1 miljon dollar, jämfört med några tusen dollar för en elektrokardiograf.

Så ett sätt att göra magnetokardiografer eller (magnetoencefalografer) billigare skulle vara oerhört användbart.

Som det händer finns det en teknik som väntar i kulisserna som lovar att göra just det: diamantsensorer som kan mäta små magnetfält vid rumstemperatur. Förhoppningen är att dessa sensorer skulle kunna göra magnetokardiografer avsevärt billigare och samtidigt ta bort behovet för sjukhus att bygga dyra avskärmade rum att använda dem i.

Idag säger Matthew Dale och Gavin Morley vid University of Warwick i Storbritannien att diamantsensorer är redo att revolutionera hur läkare använder magnetfältsmätningar i diagnostisk medicin. De kartlägger det senaste inom detta område och säger att affärsmöjligheten är betydande.

Först lite bakgrund. I hjärtat av dessa diamantsensorer finns en enhet i atomär skala som kallas en kvävevakans eller NV-center. Detta är en typ av defekt i ett diamantgitter som består av en kväveatom som sitter bredvid en ledig plats.

NV-centra har intressanta egenskaper när de accepterar en elektron och blir negativt laddade. Elektronen kan fås att avge rött ljus, vilket lätt upptäcks. Mängden ljus det avger beror på elektronens spinnpolarisation, och detta är mycket känsligt för alla yttre magnetfält.

Så varje förändring i ett externt magnetfält kan mätas genom att titta på mängden ljus som emitteras av ett NV-center. Denna process fungerar vid rumstemperatur, och fysiker har använt den för att mäta fältförändringar uppmätta i picoTesla (10-12). De förväntar sig att kunna göra tekniken betydligt känsligare i framtiden, kanske till och med kunna matcha känsligheten hos SQUID.

Även om de för närvarande är mindre känsliga, har NV-centra andra fördelar jämfört med SQUIDs. Till att börja med kan sensorer som använder NV-center alltid komma närmare signalen än SQUIDs, som måste isoleras på grund av sin frystemperatur.

Och diamantbaserade sensorer kan fungera utan att vara noggrant avskärmade från externa magnetfält. Det beror på att de kan användas i grupper, med signalerna från mer avlägsna sensorer som används för att eliminera effekten av alla oönskade externa fält.

Naturligtvis finns det några utmaningar framför sig för att göra diamantsensorer användbara. Den ena är att NV-centret avger ljus i alla riktningar, vilket gör det svårt att samla in. Noggrant formade speglar bör dock kunna fånga det mesta av detta ljus.

En annan är en konkurrerande teknik som kallas alkalimetallmagnetometrar. Dessa beror på förmågan hos vissa typer av spinnpolariserade atomer att absorbera ljus beroende på det lokala magnetfältet. Så dessa enheter fungerar genom att mäta mängden ljus som passerar genom en liten behållare med uppvärmd atomgas.

Men diamantsensorer är solid-state-enheter som sannolikt är mer robusta än någon av konkurrenterna. Även om NV-magnetometrar i slutändan inte överstiger andra i känslighet kan de erbjuda betydande fördelar i robusthet, kostnad och närhet till ämnet, säger Dale och Morley.

Marknaden för diamantbaserade magnetokardiografer kommer sannolikt att vara betydande. Dale och Morley uppskattar att det finns cirka 100 SQUID-baserade magnetokardiografsystem runt om i världen. Men det finns cirka 100 000 sjukhus runt om i världen som kan dra nytta av billigare enheter. Vi uppskattar att 100 000 magnetokardiografsystem skulle kunna säljas om funktionaliteten var densamma som befintliga SQUID-system och priset var under $150k, avslutar de.

Det är en intressant studie. Kroppens magnetfält är i stort sett oanvänt när det gäller medicinsk diagnostik. Om Dale och Morely har rätt, kommer det sannolikt att förändras under de närmaste åren.

Ref: arxiv.org/abs/1705.01994 : Medicinska tillämpningar av diamantmagnetometri: Kommersiell lönsamhet

Dölj