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Cómo se configuran los sensores de diamante para revolucionar el diagnóstico médico
El cuerpo humano pulsa con campos eléctricos que son causados por el movimiento de carga a través de los nervios ya través del tejido muscular. Los físicos han medido durante mucho tiempo estas corrientes directamente con técnicas como los electrocardiógrafos, que revelan la función cardíaca, y los electroencefalógrafos, que revelan la función cerebral.
Pero los mismos procesos también producen campos magnéticos, y estos tienen el potencial de ser tan útiles en el diagnóstico de enfermedades, tal vez incluso más. En particular, los sensores magnéticos no necesitan tocar la piel para hacer su trabajo. Eso es útil para medir señales de corazones fetales o de víctimas de quemaduras, por ejemplo.
Pero hay un problema. El campo magnético del cuerpo es diminuto y detectarlo requiere sensores muy sensibles. Los únicos dispositivos disponibles comercialmente que pueden hacer este trabajo son los dispositivos de interferencia cuántica superconductores, o SQUID, que pueden medir los cambios en los campos magnéticos medidos en femtoTesla (10-15). Estos deben enfriarse a la temperatura del helio líquido y las mediciones deben realizarse en salas protegidas que están protegidas de campos magnéticos externos.
Cómo los átomos de nitrógeno (azul) se incrustan en una red de diamantes.
Y eso los hace caros. Un sistema típico de magnetocardiógrafo cuesta alrededor de $ 1 millón, en comparación con unos pocos miles de dólares para un electrocardiógrafo.
Entonces, una forma de hacer magnetocardiógrafos o (magnetoencefalógrafos) más baratos sería muy útil.
Da la casualidad de que hay una tecnología esperando en las alas que promete hacer precisamente eso: sensores de diamante capaces de medir pequeños campos magnéticos a temperatura ambiente. La esperanza es que estos sensores puedan hacer que los magnetocardiógrafos sean significativamente más baratos al tiempo que eliminan la necesidad de que los hospitales construyan costosas salas blindadas para operarlos.
Hoy, Matthew Dale y Gavin Morley de la Universidad de Warwick en el Reino Unido dicen que los sensores de diamante están preparados para revolucionar la forma en que los médicos utilizan las mediciones de campo magnético en la medicina de diagnóstico. Mapean el estado del arte en esta área y dicen que la oportunidad de negocio es significativa.
Primero algunos antecedentes. En el corazón de estos sensores de diamante hay un dispositivo a escala atómica llamado centro de vacancia de nitrógeno o NV. Este es un tipo de defecto en una red de diamante que consiste en un átomo de nitrógeno junto a una vacante.
Los centros NV tienen propiedades interesantes cuando aceptan un electrón y se cargan negativamente. Se puede hacer que el electrón emita luz roja, que se detecta fácilmente. La cantidad de luz que emite depende de la polarización del espín del electrón, y esta es muy sensible a cualquier campo magnético externo.
Entonces, cualquier cambio en un campo magnético externo se puede medir observando la cantidad de luz emitida por un centro NV. Este proceso funciona a temperatura ambiente y los físicos lo han utilizado para medir cambios de campo medidos en picoTesla (10-12). Esperan poder hacer que la técnica sea significativamente más sensible en el futuro, tal vez incluso capaz de igualar la sensibilidad de los SQUID.
Aunque actualmente son menos sensibles, los centros NV tienen otras ventajas sobre los SQUID. Para empezar, los sensores que utilizan centros NV siempre pueden acercarse más a la señal que los SQUID, que deben estar aislados debido a su temperatura de congelación.
Y los sensores basados en diamantes pueden funcionar sin estar cuidadosamente protegidos de campos magnéticos externos. Esto se debe a que se pueden usar en grupos, y las señales de sensores más distantes se usan para cancelar el efecto de cualquier campo externo no deseado.
Por supuesto, existen algunos desafíos por delante para hacer que los sensores de diamante sean útiles. Una es que el centro NV emite luz en todas las direcciones, y esto dificulta su recolección. Sin embargo, los espejos cuidadosamente formados deberían poder capturar la mayor parte de esta luz.
Otra es una tecnología competidora llamada magnetómetros de metales alcalinos. Estos dependen de la capacidad de ciertos tipos de átomos polarizados por espín para absorber la luz según el campo magnético local. Entonces, estos dispositivos funcionan midiendo la cantidad de luz que pasa a través de un pequeño recipiente de gas atómico calentado.
Sin embargo, los sensores de diamante son dispositivos de estado sólido que probablemente sean más robustos que cualquiera de los competidores. Incluso si los magnetómetros NV finalmente no superan a otros en sensibilidad, podrían ofrecer ventajas significativas en robustez, costo y proximidad al sujeto, dicen Dale y Morley.
Es probable que el mercado de magnetocardiógrafos basados en diamantes sea importante. Dale y Morley estiman que hay alrededor de 100 sistemas magnetocardiográficos basados en SQUID en todo el mundo. Pero hay unos 100.000 hospitales en todo el mundo que podrían beneficiarse de dispositivos más baratos. Calculamos que se podrían vender 100.000 sistemas de magnetocardiógrafos si la funcionalidad fuera la misma que la de los sistemas SQUID existentes y el precio fuera inferior a 150.000 dólares, concluyen.
Ese es un estudio interesante. El campo magnético del cuerpo no se utiliza en gran medida en lo que respecta a los diagnósticos médicos. Si Dale y Morely tienen razón, es probable que eso cambie en los próximos años.
Ref: arxiv.org/abs/1705.01994 : Aplicaciones médicas de la magnetometría de diamante: viabilidad comercial