[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究利用金刚石中氮空位中心的固态量子传感器，在活体大鼠中实现了毫米级的磁心电图。通过将传感器置于距离心肌表面毫米以内的位置，该方法检测到超过纳特斯拉水平的心脏磁场，实现了从右心房基底部经浦肯野纤维束至左心室心尖的电流传导动力学的腔内分辨率映射。

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.

研究动机与目标

• 在腔内尺度上实现心血管系统电流传导的非侵入性、高分辨率映射。
• 克服传统磁心电图因传感器与心脏之间距离过大而导致的空间分辨率低的局限性。
• 证明室温下固态量子传感器在哺乳动物模型中进行体内心脏磁场成像的可行性。
• 实现对心律失常（如心室颤动和心动过速）电生理机制的详细研究。

提出的方法

• 利用金刚石中的氮空位（NV）中心作为高灵敏度、室温工作的磁传感器。
• 将NV传感器安装在距离大鼠心脏表面毫米范围以内，以增强信号强度和空间分辨率。
• 采用光学探测磁共振技术，检测心脏电活动产生的微弱磁场。
• 以亚毫米分辨率对心脏表面的磁场分布进行空间映射。
• 应用反问题技术，从测量的磁场数据中估算潜在的电流传导矢量。
• 在麻醉状态下的成年远缘白化大鼠中开展实验，以验证其在体应用的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于金刚石中NV中心的固态量子传感器能否在活体哺乳动物磁心电图中实现毫米级空间分辨率？
• RQ2 将传感器与心脏之间的距离缩短至毫米级别，对心脏磁场的可检测性有何影响？
• RQ3 所测得的磁场分布模式是否可用于重建潜在心脏电流传导矢量的方向与大小？
• RQ4 NV基传感器在生物体内在体环境下的灵敏度与信噪比表现如何？
• RQ5 该技术在多大程度上可实现实时分辨浦肯野纤维系统中电活动的传播？

主要发现

• 当传感器位于心脏表面1 mm以内时，检测到超过1 nT的心脏磁场，实现了高分辨率映射。
• 该方法实现了毫米级空间分辨率，显著优于传统磁心电图因传感器距离减小而带来的厘米级分辨率。
• 磁场分布图显示电流从右心房基底部经浦肯野纤维束流向左心室心尖。
• 重建的电流分布显示出与已知心脏传导通路一致的方向性模式。
• 该技术在室温下稳定运行，实现了无需低温冷却的直接、非侵入性在体测量。
• 研究结果为从腔内心电生理水平研究心律失常的起源与进展奠定了基础。