[논문 리뷰] Millimetre-scale magnetocardiography of living rats using a solid-state quantum sensor

Keigo Arai, Akihiro Kuwahata외 17명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 25.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 다이아몬드 내 질소빈자점(NV) 중심을 기반으로 한 고체 상태 양자 센서를 사용하여 살아있는 쥐에서 밀리미터 수준의 자기심전도를 구현한다. 센서를 심장 표면에서 밀리미터 이내로 위치시킴으로써, 나노테슬라 수준을 초월하는 심장 자기장을 감지할 수 있었으며, 이는 오른쪽 심방 기저부에서 푸르킨제 섬유 묶음으로부터 왼쪽 심실 정상까지 심장 전기적 전류 동역학을 내심장 수준에서 해상도를 갖춘 맵핑을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A key challenge in cardiology is the non-invasive imaging of electric current propagation occurring in the cardiovascular system at an intra-cardiac scale. A promising approach for directly mapping the current dynamics is to monitor the associated stray magnetic field. However, in this magnetic field approach, the spatial resolution deteriorates significantly as the standoff distance between the target and the sensor increases. Existing sensors usually remain relatively far from the target and provide only centimetre-scale resolution because their operating temperature is not biocompatible. Here we demonstrate millimetre-scale magnetocardiography of living rats using a solid-state quantum sensor based on nitrogen-vacancy centres in diamond. The essence of the method is a millimetre proximity from the sensor to heart surface, which enhances the cardiac magnetic field to greater than nanoteslas and allows the mapping of these signals with intra-cardiac resolution. From the acquired magnetic images, we also estimate the source electric current vector, flowing from the right atria base via the Purkinje fibre bundle to the left ventricular apex. Our results establish the solid-state quantum sensor's capability to probe cardiac magnetic signals from mammalian animals and reveal their intra-cardiac electrodynamics. This technique will enable the study of the origin and progression of myriad cardiac arrhythmias including flutter, fibrillation, and tachycardia.

연구 동기 및 목표

• 심장 내부 수준에서 비침습적이고 고해상도의 전기적 전류 전파 맵핑을 실현하기 위해.
• 기존 자기심전도에서 센서와 심장 사이의 거리가 크기 때문에 발생하는 낮은 공간 해상도 문제를 해결하기 위해.
• 실온에서 동작하는 고체 상태 양자 센서를 이용해 체내에서 마우스 모델의 심장 자기장 영상 촬영의 가능성을 입증하기 위해.
• fibrillation과 빈맥과 같은 심장 부정맥의 전기생리학적 기전을 상세히 조사할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 다이아몬드 내 질소빈자점(NV) 중심을 고감도, 실온에서 동작하는 자기장 센서로 활용하기 위해.
• 쥐 심장 표면에 근접한 밀리미터 이내로 NV 센서를 장착하여 신호 강도와 공간 해상도를 향상시키기 위해.
• 심장 전기 활동에 의해 생성된 약한 자기장을 광학적으로 감지된 자기공명 기법을 통해 감지하기 위해.
• 심장 표면 전역에 걸쳐 밀리미터 이하의 해상도로 자기장 분포의 공간 맵핑을 수행하기 위해.
• 측정된 자기장 데이터로부터 기저 전류 벡터를 추정하기 위해 역문제 기법을 적용하기 위해.
• 실생활 적용 가능성을 검증하기 위해 마취된 살아있는 스프라우그-데이비드 쥐에서 실험 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 내 질소빈자점(NV) 중심을 기반으로 한 고체 상태 양자 센서가 생체 동물의 자기심전도에서 밀리미터 수준의 공간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 센서와 심장 사이의 거리를 밀리미터 수준으로 줄였을 때 심장 자기장을 감지할 수 있는가?
• RQ3 측정된 자기장 패턴을 이용해 기저 전기적 전류 벡터의 방향과 크기를 재구성할 수 있는가?
• RQ4 생물학적 체내 환경에서 NV 기반 센서의 감도와 신호 대 잡음 성능은 어떠한가?
• RQ5 이 기술이 실시간으로 푸르킨제 섬유 시스템을 통해 전기 활동이 전파되는 것을 어느 정도 해상도로 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 센서가 심장 표면에서 1 mm 이내로 위치했을 때 1 nT를 초월하는 심장 자기장을 감지하여 고해상도 맵핑이 가능했다.
• 센서와 심장 사이의 거리가 줄어들면서 기존의 센티미터 수준 해상도에 비해 상당히 향상된 밀리미터 수준의 공간 해상도를 달성했다.
• 자기장 맵은 오른쪽 심방 기저부에서 푸르킨제 섬유 묶음으로부터 왼쪽 심실 정상까지 향하는 전류 벡터의 흐름을 드러냈다.
• 재구성된 전류 분포는 알려진 심장 전도 경로와 일치하는 일관된 방향 패턴을 보였다.
• 실온에서 안정적으로 작동하여 냉각이 필요 없이 직접적인 비침습적 체내 측정이 가능했다.
• 이 결과는 심장 부정맥의 기원과 진행 과정을 심장 내부 전기생리학 수준에서 연구할 수 있는 기반을 마련했다.