[論文レビュー] Millimetre-scale magnetocardiography of living rats using a solid-state quantum sensor

Keigo Arai, Akihiro Kuwahata+17 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンド中の窒素・ボイド中心（NV）を用いた固体状態量子センサを用いて、生きたラットにおけるミリメートルスケールの磁気心電図法を実証した。センサを心臓表面から数ミリメートルの距離に配置することで、ナノテスラを超える心筋の磁界を検出でき、右房基底部からプルキンジ線維束を経て左室内膜下への電気的電流ダイナミクスの心内的解像度マッピングが可能となった。

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.

研究の動機と目的

• 心血管系における電流伝播の非侵襲的で高解像度のマッピングを、心内的スケールで達成すること。
• 従来の磁気心電図法におけるセンサと心臓との間隔が大きく、空間分解能が低いという制限を克服すること。
• 室温で動作する固体状態量子センサを用いた、哺乳類モデルにおける生体内心筋磁界イメージングの可能性を実証すること。
• 心房細動や頻拍などの心律不全の電気生理的メカニズムを詳細に解明すること。

提案手法

• ダイヤモンド中の窒素・ボイド中心（NV）を用い、高感度で室温で動作する磁界センサとしての利用。
• ラット心臓表面に近接する数ミリメートルの距離にNVセンサを設置し、信号強度と空間分解能を向上。
• 光検出磁気共鳴を用いて、心筋電気活動が生成する微弱な磁界を検出。
• 心臓表面における磁界分布をサブミリメートル解像度で空間マッピング。
• 測定された磁界データから、下位の電流ベクトルを推定するために逆問題技術を適用。
• 生体適合性を確認したアノネスチージア処理済みのスプローク・デイリー系ラットを用いて、生体内応用の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド中のNV中心を用いた固体状態量子センサは、生体哺乳類の磁気心電図法においてミリメートルスケールの空間分解能を達成できるか？
• RQ2 センサと心臓との距離をミリメートルスケールに短縮することで、心筋磁界の検出可能性はどのように変化するか？
• RQ3 測定された磁界パターンを用いて、下位の心筋電流ベクトルの方向と大きさを再構築できるか？
• RQ4 生物学的生体環境下におけるNVベースのセンサの感度と信号対雑音比性能はどの程度か？
• RQ5 この技術は、プルキンジ線維系における電気的活動の伝播を、リアルタイムでどの程度解像度で解明できるか？

主な発見

• センサを心臓表面から1 mm以内に配置したところ、1 nTを超える心筋磁界を検出でき、高解像度マッピングが可能となった。
• センサと心臓の距離を短くしたことで、従来のセンチメートルスケールに比べて顕著に向上したミリメートルスケールの空間分解能を達成した。
• 磁界マップから、右房基底部からプルキンジ線維束を経て左室内膜下へ向かう電流ベクトルの流れが明確に可視化された。
• 再構築された電流分布は、既知の心筋伝導経路と整合する一貫した方向性を示した。
• 室温で安定した動作を示し、冷却装置を必要とせず、直接的かつ非侵襲的な生体内測定が可能となった。
• 本研究の結果は、心律不全の発症および進行の電気生理的メカニズムを心内的電気生理学的レベルで解明する基盤を確立した。