[論文レビュー] Medical applications of diamond magnetometry: commercial viability

Matthew W. Dale, Gavin W. Morley|arXiv (Cornell University)|May 2, 2017

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、医療用途、特に磁気心図計測（MCG）および磁気脳図計測（MEG）におけるダイヤモンド窒素空位（NV⁻）磁力計の商業的実現可能性を評価する。NV⁻中心は、室温で安定し、低コストで動作する磁気センシングを可能にし、SQUIDおよびアルカリ蒸気基準に匹敵する感度を実現する可能性を有する。これにより、冷却や磁気シールドの必要性が低減され、ポータブル性や耐久性に優れる。

ABSTRACT

The sensing of magnetic fields has important applications in medicine, particularly to the sensing of signals in the heart and brain. The fields associated with biomagnetism are exceptionally weak, being many orders of magnitude smaller than the Earth's magnetic field. To measure them requires that we use the most sensitive detection techniques, however, to be commercially viable this must be done at an affordable cost. The current state of the art uses costly SQUID magnetometers, although they will likely be superseded by less costly, but otherwise limited, alkali vapour magnetometers. Here, we discuss the application of diamond magnetometers to medical applications. Diamond magnetometers are robust, solid state devices that work in a broad range of environments, with the potential for sensitivity comparable to the leading technologies.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドNV⁻磁力計が、MCGやMEGなどの臨床的バイオ磁気センシングに必要な感度を達成できるかどうかを評価すること。
• 現在のSQUIDおよびアルカリ蒸気磁力計と比較して、ダイヤモンドベース磁力計の商業的実現可能性を評価すること。
• 室温での動作、磁気シールドの必要性の低減、製造コストの低減といったNV⁻磁力計の技術的・経済的利点を特定すること。
• ダイヤモンド材料の品質向上、センサーデザインの最適化、光学検出技術の改善が、最先端センサーとの感度差を縮小する可能性を検討すること。
• 医療用途におけるダイヤモンド磁力計の技術成熟度（TRL）を特定し、残された開発課題を同定すること。

提案手法

• ダイヤモンド内の窒素空孔（NV⁻）中心を量子センサーとして活用し、光学的磁気共鳴検出（ODMR）により電子スピン状態を用いて磁界を検出する。
• 光学励起とマイクロ波励起を用いてNV⁻スピン状態を偏極し、磁界に依存するスピン準位の分裂を、光励起発光強度の変化により測定する。
• LEDを用いた広帯域励起により室温で動作させ、アルカリ蒸気センサーで用いられるレーザー駆動システムと比較してコストを低減する。
• 楕円形反射板とファイバーオプティクス結合を提案し、NV⁻の光励起発光収率を最大化することで、信号対雑音比を向上させる。
• 測定体積およびコherenct時間との感度スケーリングを分析し、特に¹²C安定同位体を不純物として含まない高純度ダイヤモンドでは、長いスピンコherenct時間を持つことが性能向上に寄与することを指摘する。
• SQUIDおよびアルカリ蒸気磁力計と性能を比較し、特にSERF状態（超低磁界環境）では、1フェムトテスラ未満の感度が達成可能であるが、これには極めて低い磁界環境が要求されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンドNV⁻磁力計は、臨床的MCGおよびMEG用途に必要な感度（約50 fT/Hz¹ᐟ²）を達成できるか？
• RQ2 医療現場におけるSQUIDおよびアルカリ蒸気磁力計と比較して、NV⁻磁力計の主な技術的・経済的利点は何か？
• RQ3 LEDを用いた光学励起と、光の収率向上が、レーザー駆動システムと比較して、システムコストおよび複雑性をどの程度低減できるか？
• RQ4 材料の品質、特に¹²C安定同位体の不純物を低減した状態や欠陥工学の向上が、NV⁻磁力計の性能に与える影響はどの程度か？
• RQ5 現在のところ、NV⁻磁力計の技術成熟度（TRL）は医療用途でどの程度か？また、残された開発のマイルストーンは何か？

主な発見

• 現在のダイヤモンドNV⁻磁力計の感度は約100 fT/Hz¹ᐟ²であり、最先端のSQUIDおよびアルカリ蒸気センサーと比較すると数個のオーダー低いが、さらなる改善の可能性を有する。
• 光学励起に安定化レーザーではなくLEDを用いることで、ダイヤモンド格子内のフォノン結合に起因する広帯域励起が可能となり、システムコストを顕著に低減できる。
• 楕円形反射板とファイバーオプティクス結合を用いることで、NV⁻の光励起発光収率をほぼ100％に近づけることが可能となり、信号収率の大きな課題を克服できる。
• NV⁻中心は、特に¹²Cを不純物として含まない高純度ダイヤモンドにおいて、室温でも極めて長いスピンコherenct時間を示し、高感度検出に非常に有望である。
• センサー自体はTRL 7に達しているが、MCGシステム全体としてはTRL 4～5にとどまっており、センサーは動作可能であるが、システム統合および感度最適化が依然として課題である。
• 現在の感度が低いとはいえ、耐久性、ポータビリティ、冷却や磁気シールドの必要性の低減といった点で顕著な利点を有しており、感度が向上すれば、広範な臨床応用が可能になる可能性がある。