Des physiciens de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont développé une technologie révolutionnaire qui utilise des capteurs quantiques pour mesurer des signaux biomagnétiques, tels que l’activité cardiaque.
Les chercheurs du projet phare DIAQNOS (DIAmond-based Quantum Sensing for NeurOSurgery), financé par le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace et coordonné par le Dr Arne Wickenbrock à Mayence, ont démontré le potentiel de la technologie quantique pour de futures applications médicales. À cette fin, les chercheurs de l’équipe dirigée par le professeur Dmitry Budker – membre du cluster d’excellence PRISMA++ et de l’Institut Helmholtz de Mayence – ont utilisé les lacunes d’azote (NV) présentes dans les diamants, comme le rapporte un récent article publié dans la revue Science Advances.
Muhib Omar, doctorant au sein du groupe de recherche de Budker et auteur coordinateur de l’article, a développé ce nouveau capteur quantique dans le cadre de sa thèse. Grâce à sa taille compacte et à sa capacité à fonctionner à température ambiante, ce capteur à base de NV ouvre de nouvelles voies pour améliorer la mesure des signaux magnétiques du cœur ou du cerveau. Il pourrait être utilisé pour la détection précoce de maladies telles que la myocardite ou l’épilepsie.
Les centres NV se forment lorsqu’une lacune du réseau cristallin du diamant se trouve immédiatement à côté d’un atome d’azote incorporé dans le diamant à la place d’un atome de carbone. En observant les niveaux d’énergie de ces centres, les chercheurs peuvent mesurer avec une grande précision une large gamme de phénomènes physiques, tels que les champs magnétiques ou électriques, la température et les contraintes mécaniques.
« Ces résultats sont le fruit de plus de dix ans de travaux de développement », a expliqué Arne Wickenbrock. « Nous travaillons en étroite collaboration avec des neurochirurgiens afin que nos technologies ne restent pas confinées au laboratoire, mais trouvent des applications pratiques concrètes. Notre objectif principal est de développer des capteurs très sensibles, capables de fonctionner en dehors du laboratoire et de répondre à des besoins sociétaux importants. »
Les chercheurs du projet DIAQNOS ont utilisé trois systèmes développés indépendamment par les partenaires du projet – la JGU, les universités de Stuttgart et de Fribourg, ainsi que la start-up Q.ANT GmbH – pour mesurer le champ magnétique du cœur. Ce faisant, ils ont démontré que les technologies quantiques allemandes sont prêtes à franchir le pas décisif vers les applications médicales et ont identifié les améliorations encore nécessaires pour y parvenir. Le magnétomètre NV-diamant à fibre développé par la JGU a été conçu comme un endoscope portable et fonctionne sans champ magnétique de polarisation. Cela le distingue des deux autres systèmes, qui utilisent de tels champs pour filtrer les interférences magnétiques provenant de l’environnement.
Développer une nouvelle méthode de détection des signaux cardiaques
Il existe actuellement deux méthodes courantes pour mesurer l’activité cardiaque : l’électrocardiographie (ECG) et la magnétocardiographie (MCG). Tandis que l’ECG utilise des patchs d’électrodes appliqués sur la peau du patient pour mesurer l’activité électrique au sein du cœur, les méthodes MCG détectent les champs magnétiques. L’ECG est largement utilisé, mais il est sensible aux différences de conductivité des tissus corporels. Certains scénarios médicaux, comme les brûlures, peuvent également rendre impossible la pose directe d’électrodes sur la peau. En revanche, la MCG ne nécessite aucun contact avec la peau et n’est que très peu influencée par la conductivité des tissus. Cette méthode exigeant des magnétomètres très sensibles, elle s’est historiquement appuyée sur des technologies complexes et coûteuses, telles que les interféromètres quantiques supraconducteurs (SQUID) et les magnétomètres à pompage optique (OPM).
Le système de l’équipe de la JGU, fondé sur les centres NV dans les diamants, constitue une alternative présentant des avantages significatifs par rapport aux méthodes MCG existantes. La différence la plus importante réside dans la taille réduite du capteur : une pyramide de diamant tronquée d’un volume inférieur à 0,5 millimètre cube, facile à transporter. Autre avantage : contrairement aux systèmes basés sur les SQUID ou les OPM, les magnétomètres NV fonctionnent à température ambiante. Ils se prêtent donc à une utilisation directe sur la peau du patient et peuvent être appliqués à l’emplacement souhaité. Cela ouvre la voie à une cartographie plus précise des signaux biomagnétiques, comme la reconstruction en 3D du système de conduction électrique du cœur ou la mesure de l’activité cardiaque fœtale.
« Les magnétomètres NV se caractérisent par une initialisation rapide, une excellente biocompatibilité et un fonctionnement stable sur une large plage de températures. Cela les rend particulièrement attractifs pour les applications biomédicales », a résumé Arne Wickenbrock.
Un potentiel élevé, mais des défis techniques subsistent
Bien que l’étude démontre tout le potentiel des magnétomètres à diamant NV, un écart de performance subsiste par rapport aux SQUID et aux OPM, qui offrent encore une sensibilité supérieure et de meilleurs rapports signal/bruit. Cependant, à mesure que le développement progresse, des possibilités d’application au-delà du domaine clinique se dessinent : la combinaison unique d’une large plage dynamique, d’une suppression du bruit et d’une géométrie évolutive rend les magnétomètres NV adaptés à diverses nouvelles applications biomédicales.
Grâce à leur taille compacte, les détecteurs peuvent être facilement combinés à des mécanismes d’amélioration qui pourraient leur permettre d’atteindre une qualité comparable à celle de l’ECG. L’un d’eux est constitué par les concentrateurs de flux : des structures capables de concentrer le flux magnétique à l’intérieur des diamants et ainsi d’amplifier les signaux magnétiques. Grâce au faible volume des capteurs NV, des amplifications supérieures à un facteur 100 peuvent être obtenues.
La recherche et le développement de concentrateurs de flux fonctionnant à température ambiante constituent l’un des principaux axes de travail de Muhib Omar. « Adapter les structures magnétiques afin de concentrer de manière optimale, dans le diamant, les lignes de champ magnétique émises par une source est la voie qui permettra de faire passer ces technologies quantiques à l’usage pratique. »
Autre domaine d’application : l’oncologie chirurgicale. Dans ce contexte, on mesure la différence de champ magnétique entre deux capteurs spatialement séparés formant un gradiomètre. La méthode prend également en charge la surveillance intraopératoire des nerfs dans des environnements non blindés. La sensibilité spatiale aux gradients de champ facilite aussi, par exemple, la séparation non invasive des signaux cardiaques maternels et fœtaux pour la surveillance prénatale. Surtout, les gradiomètres NV pourraient permettre aux systèmes portables de magnétoencéphalographie de fonctionner à température ambiante, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour le diagnostic neurologique ou les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) de nouvelle génération.
Article : Human Cardiac Measurements with Diamond Magnetometers – Journal : Science Advances – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Uni-Mainz
