Hoe Diamond Sensors een revolutie teweeg zullen brengen in de medische diagnostiek

Het menselijk lichaam pulseert met elektrische velden die worden veroorzaakt door de beweging van lading door zenuwen en door spierweefsel. Natuurkundigen hebben deze stromen lang rechtstreeks gemeten met technieken zoals elektrocardiografen, die de hartfunctie onthullen, en elektro-encefalografieën, die de hersenfunctie onthullen.

Maar dezelfde processen produceren ook magnetische velden, en deze kunnen net zo nuttig zijn bij het diagnosticeren van ziekten, misschien zelfs meer. Met name magnetische sensoren hoeven de huid niet aan te raken om hun werk te doen. Dat is handig om bijvoorbeeld signalen van foetale harten of brandwondenslachtoffers te meten.

Maar er is een probleem. Het magnetische veld van het lichaam is klein en voor de detectie ervan zijn enorm gevoelige sensoren nodig. De enige in de handel verkrijgbare gadgets die dit kunnen doen, zijn supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten, of SQUID's, die veranderingen in magnetische velden kunnen meten, gemeten in femtoTesla (10-15). Deze moeten worden gekoeld tot de temperatuur van vloeibaar helium en de metingen worden gedaan in afgeschermde ruimtes die zijn afgeschermd van externe magnetische velden.

Hoe stikstofatomen (blauw) ingebed raken in een diamantrooster.

En dat maakt ze duur. Een typisch magnetocardiograafsysteem kost ongeveer $ 1 miljoen, vergeleken met een paar duizend dollar voor een elektrocardiograaf.

Dus een manier om magnetocardiografen of (magneto-encefalografen) goedkoper te maken zou enorm nuttig zijn.

Er wacht namelijk een technologie in de coulissen die precies dat belooft: diamantsensoren die kleine magnetische velden bij kamertemperatuur kunnen meten. De hoop is dat deze sensoren magnetocardiografen aanzienlijk goedkoper kunnen maken, terwijl ziekenhuizen de noodzaak wegnemen om dure afgeschermde kamers te bouwen om ze in te gebruiken.

Tegenwoordig zeggen Matthew Dale en Gavin Morley van de Universiteit van Warwick in het VK dat diamantsensoren klaar zijn om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop artsen magnetische veldmetingen gebruiken in diagnostische geneeskunde. Ze brengen de stand van de techniek op dit gebied in kaart en zeggen dat de zakelijke kans groot is.

Eerst wat achtergrond. Het hart van deze diamantsensoren is een apparaat op atomaire schaal dat een stikstof-vacature of NV-centrum wordt genoemd. Dit is een type defect in een diamantrooster bestaande uit een stikstofatoom dat naast een vacature zit.

NV-centra hebben interessante eigenschappen wanneer ze een elektron accepteren en negatief worden geladen. Het elektron kan worden gemaakt om rood licht uit te zenden, dat gemakkelijk wordt gedetecteerd. De hoeveelheid licht die het uitzendt, hangt af van de spinpolarisatie van het elektron en dit is zeer gevoelig voor elk extern magnetisch veld.

Dus elke verandering in een extern magnetisch veld kan worden gemeten door te kijken naar de hoeveelheid licht die wordt uitgestraald door een NV-centrum. Dit proces werkt bij kamertemperatuur en natuurkundigen hebben het gebruikt om veldveranderingen gemeten in picoTesla (10-12) te meten. Ze verwachten de techniek in de toekomst aanzienlijk gevoeliger te kunnen maken, misschien zelfs in staat om de gevoeligheid van SQUID's te evenaren.

Hoewel momenteel minder gevoelig, hebben NV-centra andere voordelen ten opzichte van SQUID's. Om te beginnen kunnen sensoren die NV-centra gebruiken altijd dichter bij het signaal komen dan SQUID's, die vanwege hun vriestemperatuur moeten worden geïsoleerd.

En op diamanten gebaseerde sensoren kunnen werken zonder zorgvuldig te worden afgeschermd van externe magnetische velden. Dat komt omdat ze in groepen kunnen worden gebruikt, waarbij de signalen van verder verwijderde sensoren worden gebruikt om het effect van een ongewenst extern veld teniet te doen.

Natuurlijk zijn er enkele uitdagingen om diamantsensoren nuttig te maken. Een daarvan is dat het NV-centrum licht uitstraalt in alle richtingen, en dit maakt het moeilijk om te verzamelen. Zorgvuldig gevormde spiegels moeten echter het meeste van dit licht kunnen opvangen.

Een andere is een concurrerende technologie die alkalimetaalmagnetometers wordt genoemd. Deze zijn afhankelijk van het vermogen van bepaalde soorten spin-gepolariseerde atomen om licht te absorberen, afhankelijk van het lokale magnetische veld. Dus deze apparaten werken door de hoeveelheid licht te meten die door een kleine container met verwarmd atomair gas gaat.

Diamantsensoren zijn echter solid-state apparaten die waarschijnlijk robuuster zijn dan alle concurrenten. Zelfs als NV-magnetometers uiteindelijk anderen niet overtreffen in gevoeligheid, kunnen ze aanzienlijke voordelen bieden op het gebied van robuustheid, kosten en nabijheid van het onderwerp, zeggen Dale en Morley.

De markt voor op diamanten gebaseerde magnetocardiografen zal waarschijnlijk aanzienlijk zijn. Dale en Morley schatten dat er over de hele wereld ongeveer 100 op SQUID gebaseerde magnetocardiograafsystemen zijn. Maar er zijn wereldwijd zo'n 100.000 ziekenhuizen die baat kunnen hebben bij goedkopere apparaten. We schatten dat 100.000 magnetocardiograafsystemen verkocht zouden kunnen worden als de functionaliteit hetzelfde was als de bestaande SQUID-systemen en de prijs lager was dan $ 150.000, concluderen ze.

Dat is een interessante studie. Het magnetische veld van het lichaam wordt grotendeels ongebruikt voor medische diagnostiek. Als Dale en Morely gelijk hebben, zal dat de komende jaren waarschijnlijk veranderen.

Referentie: arxiv.org/abs/1705.01994 : Medische toepassingen van diamantmagnetometrie: commerciële levensvatbaarheid

zich verstoppen