응용

  심장 자기 신호 감지의 중요성 인체의 자기장은 인체 내의 다양한 조직 및 기관에 대한 정보를 반영할 수 있습니다. 인체 자기장을 측정하면 인체의 질병에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 그 검출 효과와 편의성은 인체의 생체 전기 측정을 뛰어 넘었습니다. 심장의 자기장의 크기는 수십 pT 정도이며, 이는 뇌의 자기장과 비교하여 인간이 연구한 가장 초기의 자기장 중 하나입니다. 심장의 심방 및 심실 근육은 신체의 가장 중요한 부분입니다. 자기심장검사(MCG)는 심장의 심방 및 심실 근육의 순환 수축 및 확장기에 수반되는 복잡한 교류 생체 전류의 결과입니다. 심전도(ECG)에 비해 심장 자기장 감지는 흉벽 및 기타 조직의 영향을 받지 않으며, MCG는 다각도, 다차원 센서 어레이를 통해 심장 자기장을 감지하여 심장에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있습니다. 심장 심장 초점의 정확한 위치 파악이 가능합니다. CT, MRI 및 기타 심장 연구 기술과 비교할 때 자기심장검사에는 방사선이 전혀 없습니다. 현재 자기심장검사 기술은 점점 더 성숙해지고 있으며 100,000개 이상의 임상 적용이 이루어지고 있으며 이는 주로 다음 측면에 반영됩니다.   01 관상동맥질환 관상동맥심장병은 흔하고 자주 발생하는 질병으로 통계에 따르면 현재 중국의 관상동맥심장병 환자는 1100만 명이 넘습니다. 관상동맥질환은 사망의 가장 흔한 원인이며, 사망자 수는 심지어 모든 종양으로 인한 전체 사망자 수를 초과합니다. 관상 동맥 심장 질환의 경우 MCG는 주로 심근 허혈로 인한 심근 재분극 불일치를 감지합니다. 예를 들어, Li et al. 관상동맥질환 환자 101명과 건강한 지원자 116명을 대상으로 MCG를 측정했습니다. 그 결과, 관상동맥질환 환자가 정상인에 비해 R-max/T-max, R-값, 평균각 세 가지 지표가 유의하게 높은 것으로 나타났다. 관상동맥질환 환자 101명 중 MCG, 심전도, 심장초음파로 발견된 심근허혈 비율은 각각 74.26%, 48.51%, 45.54%로 관상동맥질환 환자에서 MCG의 진단 정확도가 유의미한 것으로 나타났다. 심전도검사나 심장초음파검사보다 높습니다. 이는 관상동맥심장질환 환자에서 MCG의 진단 정확도가 ECG나 심장초음파 검사보다 훨씬 높다는 것을 보여준다. 참고문헌 ：Int. J. 클린. 특급. 메드. 8(2):2441-2446(2015) 02 부정맥 부정맥은 발생 부위의 심장 자극, 심장 박동의 빈도와 리듬, 자극 전도의 모든 부분에 이상이 있는 것으로 정의됩니다. 통계에 따르면 중국의 부정맥 환자 수는 2천만 명이 넘으며 MEG를 사용하면 부정맥 환자의 병변 위치를 정확하게 파악할 수 있습니다. Itoet al. 51명의 부정맥 환자를 연구하고 심전도의 세 가지 매개변수를 분석하여 부정맥을 유발한 다양한 병소(우심실 유출로, 대동맥동)의 위치를 ​​94%의 정확도로 확인할 수 있었습니다. 참고문헌 : Heart Rhythm, 11(9):1605-1612(2014) 03 태아심장검진 중국에서는 매년 약 10만~20만 명의 어린이가 선천성 심장병을 갖고 태어난다. 현재 태아 심전도는 태아 표면의 피지선, 양수, 양막의 영향을 받는 경우가 많아 심장 활동에 대한 정보를 정확하게 얻을 수 없습니다. 태아 심전도와 달리 자기 신호는 신체 조직을 방해하지 않으므로 태아 심전도는 태아 심장을 정확하게 반영하므로 임신 중 태아 심장 활동을 감지하는 유일한 수단입니다. Campbellet al. 2건의 단태 임신과 1건의 쌍둥이 임신이 심실상 빈맥성 부정맥으로 인정되었으며 MCG를 사용하여 임산부와 태아의 심장 부정맥을 모니터링했습니다. MCG를 활용하여 산모 및 태아 부정맥을 모니터링하고 이를 토대로 약물치료를 실시한 결과, 본 연구에서 태아 부정맥이 있는 3명의 환자 모두 효과적으로 치료되는 것으로 나타났다. 참고문헌: Obstet Gynecol, 108(3-2):767-771(2006).   자기 탐지 수단 수십 년간의 심장 자기 기술 개발을 통해 자력계는 초전도 및 비초전도 자력계로 광범위하게 분류될 수 있습니다. 초전도 자력계는 자속 양자화 기술과 초전도 조셉슨 접합 효과를 기반으로 하며 임상 응용에 사용되는 초기 자력계입니다. 현재 국내외에는 미국 Cardio Ma, 독일 SQUID AG, 핀란드 Neuromag, 중국 MANDI Medical, Cardiomag 등과 같은 성숙한 제조업체가 있습니다.   초전도 자기심장계   초전도 자기심장검사는 초전도 상태를 유지하기 위해 넓은 자기 차폐실과 다량의 액체 헬륨이 필요하며, 현재 전 세계적으로 헬륨이 부족함에 따라 액체 헬륨 가격이 상승하여 운영 비용이 극도로 높아 임상 적용이 크게 제한됩니다. . 그러나 MRI의 임상적 효과는 놀랍고 과학자들은 대안을 찾고 있습니다.   다채널 원자 자력계를 기반으로 성인 심장 자기 탐지   원자 자력계는 최근 몇 년간 개발된 초고감도 자력계입니다. 2012년에 과학자들은 알칼리 금속 기반 원자 자력계를 사용하여 채널당최대6-11fT/Hz 1/2 의 감도를 갖는 4채널 어레이의 초민감 원자 자력계를 구축했으며 성인용 심전도를 성공적으로 획득했습니다. 자기차폐실. 참고문헌 ：Phys. 메드. Biol. 57 (2012) 2619 – 2632     원자 자력계 기반 자력계는 운영 및 유지 관리 비용이 거의 없기 때문에 대규모 임상 적용 가능성이 있습니다. ㈜제네테시스는 2017년 원자 자력계 기반 자력계 연구 개발에 착수했으며, 이후 세계 최초로 제품을 출시했습니다. 원자 자력계 기반 자력계인 CardioFlux™는 현재 임상에 사용되고 있습니다. 원자 자력계 기반 자력계는 자력 측정 분야에서 중요한 개발 방향이 되었으며, 원자 자력계는 핵심 구성 요소로서 자력 측정의 감도를 더욱 향상시키는 동시에 운영 비용을 효과적으로 절감합니다. CIQTEK은 양자 정밀 측정 분야의 심도 깊은 기술 축적과 응용 사례를 바탕으로 양자 스핀 자력계(SpinMag-I)를 개발, 출시했습니다. 스핀마그-I CIQTEK이 개발한 양자스핀자력계(SpinMag-I)는 알칼리 금속 원자(Rb-87)의...

빛, 전기, 열, 자성은 모두 생명 과학 측정에 관련된 중요한 물리량이며, 광학 이미징이 가장 널리 사용됩니다. 지속적인 기술 발전으로 광학 이미징, 특히 형광 이미징은 생물 의학 연구의 지평을 크게 확장했습니다. 그러나 광학 이미징은 생물학적 시료의 배경 신호, 형광 신호의 불안정성 및 절대 정량화의 어려움으로 인해 적용이 어느 정도 제한되는 경우가 많습니다. 자기공명영상(MRI)은 좋은 대안이며 관통력이 낮고 관통력이 낮기 때문에 두개골, 신경, 근육, 힘줄, 관절 및 복부골반 장기 병변 검사와 같은 일부 중요한 생명과학 시나리오에서 폭넓게 응용됩니다. 배경 및 안정성 특성. MRI는 위에서 언급한 광학 영상의 단점을 해결할 것으로 기대되지만, 낮은 감도와 낮은 공간 해상도로 인해 마이크론에서 나노미터 해상도의 조직 수준 영상에 적용하기가 어렵습니다.    최근 새롭게 개발된 양자자기센서인 질소공극(NV) 센터는 다이아몬드의 발광점 결함인  NV 센터 기반 자기영상 기술을 통해 나노미터 수준까지의 분해능으로 약한 자기 신호를 검출할 수 있으며, -침습적 . 이는 생명 과학을 위한 유연하고 호환성이 높은 자기장 측정 플랫폼을 제공합니다. 면역 및 염증, 신경퇴행성 질환, 심혈관 질환, 생체 자기 감지, 자기 공명 조영제, 특히 광학 배경 및 광학 전송 수차를 포함하는 생물학적 조직 분야에서 조직 수준 연구 및 임상 진단을 수행하는 데 고유하며 정량적 분석.     Diamond NV 센터 자기 이미징 기술   다이아몬드 NV 중심 자기 이미징 기술에는 스캐닝 자기 이미징과 광역 자기 이미징이라는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 스캐닝 자기 이미징은 다이아몬드 단색 중심 센서를 사용하는 원자간력현미경(AFM) 기술과 결합됩니다. 이미징 방법은 단일 지점 스캐닝 유형의 이미징으로 공간 해상도와 감도가 매우 높습니다. 그러나 이미징 속도와 이미징 범위로 인해 일부 영역에서는 이 기술의 적용이 제한됩니다. 반면, 광역 자기 이미징은 단일 NV 센터에 비해 NV 센터의 집중도가 높은 테더링된 다이아몬드 센서를 사용하므로 공간 분해능은 떨어지지만 광역 실시간 이미징에 큰 잠재력을 보여줍니다. 후자가 세포 자기 영상 분야의 연구에 더 적합할 수 있습니다.   응용  NV센터 세포 연구에서의 광시야 자기영상 기술   응용 1: 자기주성 박테리아의 자기 이미징   자기주성박테리아는 외부 자기장의 작용에 따라 방향적으로 이동할 수 있고 주로 토양, 호수 및 바다에서 몸에 자성 나노입자(자기솜)를 형성할 수 있는 박테리아 종류입니다. 박테리아를 다이아몬드 표면에 배치하고 광학적 방법을 사용하여 NV 센터의 양자 스핀 상태를 조사함으로써 연구자들은 박테리아의 마그네토솜에 의해 생성된 자기장 벡터 구성 요소의 이미지를 신속하게 재구성할 수 있습니다. 광시야 자기 이미징 현미경을 사용하면 서브미크론 해상도와 넓은 시야에서 여러 세포의 광학 및 자기 이미징을 동시에 수행할 수 있습니다. 이 연구는 높은 공간 해상도 조건에서 살아있는 세포 내의 생체 자기 구조를 이미징하는 새로운 접근 방식을 제공하며 세포 및 세포 네트워크 내의 광범위한 자기 신호 매핑을 가능하게 합니다.     그림 1. 자기친화성 박테리아의 자기 이미징   (이미지 제공: DL Stage et al. 살아있는 세포의 광학 자기 이미징 Nature, 2013, 496(7446): 486-489)   응용 2: 대식세포 철분 흡수의 자기 영상화   대식세포의 주요 기능은 고정 또는 유리 세포 형태의 세포 잔해 및 병원체를 식균작용(즉, 식균작용 및 소화)하고, 림프구 또는 기타 면역 세포를 활성화하여 병원체에 반응하는 것입니다. 대식세포는 다양한 기능을 가진 면역 세포이며 세포식작용, 세포 면역 및 분자 면역학 연구에 중요한 대상입니다. 연구진은 그림 2와 같이 서브미크론 해상도와 나노테슬라 감도를 갖춘 다이아몬드 NV 센터 기반 광역 자기 이미징을 사용하여 마우스 동물의 세포와 조직의 자기장을 이미지화했습니다. 이 기술의 유용성은 대식세포 철을 관찰하여 입증되었습니다. 마우스를 모델로 사용하여 간 조직 샘플에서 철분 섭취 및 검출. 또한 연구자들은 살아있는 세포에서 자성 입자의 세포내이입을 감지했습니다. 이 접근법은 MRI 복셀과 미세한 구성 요소 사이의 격차를 해소합니다.   그림 2. 대식세포 철분 흡수에 대한 자기영상 연구   (이미지 출처: HC Davis 등. 세포하 다이아몬드 자기측정법을 사용한 자기 공명 영상 대조의 미세 규모 기원 매핑, Nature Communications, 2018, 9:131)   응용 3: 면역자기 표지 세포의 자기 영상화   암은 현재 인간에게 가장 치명적인 질병 중 하나입니다. 암의 분자적 메커니즘에 대한 연구와 조기, 정확한 임상진단은 효과적인 치료의 기초입니다.     그림 3. 폐암 조직의 자기영상 연구   (이미지 출처: SY Chen et al. 다이아몬드의 양자 센서를 사용한 종양 조직의 면역자기 현미경, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2022,119: e2118876119)   중국 과학기술대학교(USTC)는 조직 수준의 면역자기 라벨링 방법을 개발했습니다. 초상자성 입자는 항원-항체의 특이적 인식을 통해 종양 조직에서 PD-L1과 같은 표적 단백질 분자로 특이적으로 표지되었습니다. 그런 다음 조직 시료를 다이아몬드 표면에 밀착시키고 약 100 nm의 다이아몬드 표면 근처에 분포하는 NV 중심층을 400 nm 해상도의 자기장 이미징을 위한 2차원 양자자기 센서로 사용했습니다. NV 광시야 현미경(그림 3)은 밀리미터 시야에서 미크론 수준의 공간 분해능을 달성합니다. 마지막으로, 자기장에 대응하는 자기모멘트 분포를 딥러닝 모델을 통해 재구성하여 정량적 분석의 기초를 제공했습니다.   하버드 스미스 천체물리학 센터는 NV 광시야 자기 이미징과 함...