قلب‌تان را بدون تماس با پوست اندازه‌گیری کنید؛ الماس به کمک پزشکان آمد!

به گزارش مجله خبری نگار/سیناپرس، حسگر‌های کوانتومی مبتنی‌بر الماس می‌توانند ثبت فعالیت قلب را بدون چسباندن الکترود به پوست آسان‌تر کنند. فیزیکدانان دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینتس (JGU) از یک الماس بسیار ریز برای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی قلب استفاده کرده‌اند و حسگر خود را در دستگاهی فیبری شبیه به یک آندوسکوپ حمل‌شدنی ساخته‌اند.

چرا اندازه‌گیری میدان مغناطیسی قلب اهمیت دارد؟

روش اندازه‌گیری این حسگر با نوار قلب (ECG) متفاوت است. نوار قلب با چسباندن الکترود روی پوست، فعالیت الکتریکی قلب را ثبت می‌کند؛ اما خوانش آن می‌تواند تحت تأثیر تفاوت‌های هدایت الکتریکی بافت‌های بدن قرار گیرد و جراحاتی مثل سوختگی مانع از قراردادن الکترود در محل لازم شود.

در مقابل، مغناطیس‌نگاری قلب (MCG) میدان‌های مغناطیسی ناشی از فعالیت قلب را تشخیص می‌دهد. این روش نیازی به تماس با پوست ندارد و هدایت بافتی تأثیر کمی بر اندازه‌گیری‌ها دارد. با این حال، ثبت این سیگنال‌ها به ابزار‌های بسیار حساسی نیاز دارد.

مغناطیس‌نگاری قلب به‌طور معمول به فناوری‌های پرهزینه و پیچیده‌ای مثل دستگاه‌های تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) و مغناطیس‌سنج‌های نوری پمپ‌شده (OPM) وابسته بوده است.

این فناوری‌های جاافتاده هنوز در حساسیت و توانایی تشخیص سیگنال از نویز پس‌زمینه از حسگر‌های الماسی بهتر عمل می‌کنند. پژوهش جدیدی که در نشریه سایِنس اَدوَنسِز/ Science Advances منتشر شده، بررسی می‌کند آیا مزیت‌های عملی الماس می‌تواند با بهبود عملکرد، اندازه‌گیری‌های مغناطیسی را به محیط‌های پزشکی بیشتری وارد کند یا خیر.

حسگر الماسی چگونه کار می‌کند؟

این حسگر الماسی به شکل هرمی است که نوک آن بریده شده و حجمی کمتر از ۰.۵ میلی‌متر مکعب دارد. اندازه کوچک آن حمل‌ونقل را آسان می‌کند و برخلاف سامانه‌های تداخل کوانتومی ابررسانا و مغناطیس‌سنج‌های نوری پمپ‌شده، در دمای اتاق کار می‌کند؛ بنابراین می‌توان آن را مستقیماً در نقاط مختلف روی پوست قرار داد و احتمالاً پژوهشگران می‌توانند سیگنال‌های مغناطیسی بدن را با جزئیات بیشتری نقشه‌برداری کنند. یک کاربرد احتمالی، بازسازی سه‌بعدی دستگاه هدایت الکتریکی قلب است.

دکتر آرنه ویکنبروک (Arne Wickenbrock)، هماهنگ‌کننده طرح DIAQNOS در ماینتس، می‌گوید: مغناطیس‌سنج‌های نیتروژن تهی‌جا (NV) با راه‌اندازی سریع، سازگاری زیستی عالی و کارکرد پایدار در گستره دمایی وسیع شناخته می‌شوند. همین ویژگی‌ها آنها را برای کاربرد‌های زیست‌پزشکی بسیار جذاب می‌کند.

نیتروژن تهی‌جا (NV) نوعی نقص خاص در ساختار بلوری الماس است. در یک مرکز نیتروژن تهی‌جا، یک اتم نیتروژن جای اتم کربن را می‌گیرد و یک جای خالی بلافاصله در کنار آن قرار دارد. پژوهشگران می‌توانند سطوح انرژی این مراکز را بررسی کنند تا اندازه‌گیری‌های دقیقی از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی، دما و تنش مکانیکی انجام دهند. در این پژوهش، الماس به‌عنوان یک مغناطیس‌سنج عمل می‌کند.

مسیر بهبود عملکرد

محب عمر (Muhib Omar) این حسگر را در جریان پژوهش دکتری خود در گروه پروفسور دمیتری بودکر (Dmitry Budker) توسعه داد. ویکنبروک می‌گوید: این نتایج حاصل بیش از ده سال کار است.

این پژوهش بخشی از طرح DIAQNOS (سنجش کوانتومی مبتنی‌بر الماس برای جراحی مغز و اعصاب) است. این طرح شاخص توسط وزارت فدرال پژوهش، فناوری و فضای آلمان تأمین مالی می‌شود. برای این مطالعه، پژوهشگران میدان مغناطیسی قلب را با سه سامانه اندازه‌گیری کردند که به‌طور مستقل توسط شرکای طرح در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینتس، دانشگاه‌های اشتوتگارت و فرایبورگ و شرکت نوپای کیو. آنت (Q.ANT GmbH) توسعه یافته بودند.

دستگاه دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینتس در نحوه انجام اندازه‌گیری با دو دستگاه دیگر تفاوت دارد. این دستگاه بدون میدان مغناطیسی خارجی (میدانی که از بیرون اِعمال می‌شود) کار می‌کند. دو سامانه دیگر از چنین میدان‌هایی برای فیلتر کردن تداخل مغناطیسی محیط استفاده می‌کنند.

یکی از راه‌های بهبود عملکرد، متمرکزکردن بخش بیشتری از میدان مغناطیسی در الماس کوچک است. ساختار‌هایی به نام متمرکزکننده شار، شار مغناطیسی را در ناحیه حسگر جمع و سیگنال را تقویت می‌کنند. حجم کم حسگر‌های نیتروژن تهی‌جا امکان تقویت بیش از ۱۰۰ برابری را فراهم می‌کند و ترکیب آشکارساز‌ها با این ساختار‌ها می‌تواند در نهایت ثبت‌هایی با کیفیت مشابه نوار قلب تولید کند.

عمر می‌گوید: تنظیم ساختار‌های مغناطیسی به‌گونه‌ای که خطوط میدان مغناطیسیِ یک منبع را به بهترین شکل در داخل الماس متمرکز کنند، راه ورود این فناوری‌های کوانتومی به کاربرد عملی است.

به سوی پایش قابل حمل مغز

هدف گسترده‌تر، توسعه حسگر‌هایی برای سیگنال‌های مغناطیسی قلب و مغز است. کاربرد‌های آینده بالقوه شامل تشخیص زودهنگام میوکاردیت (التهاب عضله قلب) و صرع است.

ویکنبروک می‌گوید: ما با جراحان مغز و اعصاب همکاری نزدیکی داریم تا مطمئن شویم فناوری‌های ما در آزمایشگاه محدود نمی‌ماند و کاربرد‌های عملی روشنی پیدا می‌کند. هدف اصلی ما توسعه حسگر‌های بسیار حساسی است که بیرون از آزمایشگاه کار کنند و نیاز‌های مهم اجتماعی را برآورده سازند.

به نقل از ایرنا، دو حسگر جدا از هم در فضا می‌توانند یک گرادیومتر تشکیل دهند که تفاوت میدان مغناطیسی بین آنها را ثبت می‌کند. این روش در جراحی سرطان کاربرد دارد و پایش فعالیت عصبی را در حین عمل در محیط‌های بدون حفاظ مغناطیسی پشتیبانی می‌کند. حساسیت آن به تغییرات میدان در فضا می‌تواند به جداکردن سیگنال قلب جنین از مادر بدون روش تهاجمی نیز کمک کند.

گرادیومتر‌های نیتروژن تهی‌جا می‌توانند در نهایت سامانه‌های قابل حمل و اِم‌ای‌جی (روشی برای ثبت سیگنال‌های مغناطیسی مغز) را ممکن سازند. چنین سامانه‌هایی می‌توانند از تشخیص‌های عصبی و رابط‌های آینده مغز و رایانه پشتیبانی کنند؛ این رابط‌ها از فعالیت مغز برای ارتباط با دستگاه‌های بیرونی استفاده می‌کنند.