Des physiciens de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont développé une technologie révolutionnaire qui utilise des capteurs quantiques pour mesurer les 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 du groupe dirigé par le professeur Dr. Dmitry Budker – membre du PRISMA++ Le Cluster of Excellence et l’Institut Helmholtz de Mayence ont utilisé des lacunes en azote (NV) dans les diamants, comme indiqué dans un article récent de la revue Avancées scientifiques. Muhib Omar, doctorant dans le groupe de recherche de Budker et auteur coordinateur de l’article, a développé le nouveau capteur quantique au cours de ses recherches doctorales. Grâce à sa taille compacte et à sa capacité à fonctionner à température ambiante, ce capteur basé sur NV ouvre de nouvelles voies pour améliorer la mesure des signaux magnétiques provenant du cœur ou du cerveau. Il pourrait être utilisé pour la détection précoce d’affections telles que la myocardite ou l’épilepsie.
Les centres NV se forment lorsqu’une lacune dans le réseau du diamant est située directement à côté d’un atome d’azote qui a été 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 un large éventail 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 années de travail de développement. Nous travaillons en étroite collaboration avec des neurochirurgiens pour garantir que nos technologies ne restent pas confinées au laboratoire mais trouvent des applications pratiques claires. Notre objectif principal est de développer des capteurs hautement sensibles qui fonctionnent en dehors du laboratoire et peuvent répondre à d’importants besoins sociétaux. »
Dr Arne Wickenbrock, Université Johannes Gutenberg de Mayence
Les chercheurs du projet DIAQNOS ont utilisé trois systèmes développés indépendamment par les partenaires du projet JGU, les universités de Stuttgart et de Fribourg, ainsi que par la startup Q.ANT GmbH, pour mesurer le champ magnétique du cœur. Ce faisant, ils ont démontré que les technologies quantiques en Allemagne sont prêtes à franchir une étape importante vers les applications médicales et ont identifié les améliorations encore nécessaires pour y parvenir. Le magnétomètre NV-diamant à base de fibre développé par JGU a été conçu comme un endoscope portable et fonctionne sans champ de polarisation magnétique. Cela contraste avec les deux autres systèmes, qui utilisent de tels champs pour filtrer les interférences magnétiques de l’environnement.
Développer une nouvelle façon de détecter les signaux cardiaques
Il existe actuellement deux méthodes courantes pour mesurer l’activité cardiaque : l’électrocardiographie (ECG) et la magnétocardiographie (MCG). Alors que l’ECG utilise des électrodes appliquées sur la peau du patient pour mesurer l’activité électrique dans le cœur, les méthodes MCG détectent les champs magnétiques. L’ECG est largement utilisé, mais il est sensible à la conductivité différente des tissus corporels. Certains scénarios médicaux, tels que les brûlures, peuvent également rendre impossible la pose d’électrodes directement sur la peau. En revanche, le MCG n’a besoin d’aucun contact avec la peau et n’est que très peu influencé par la conductivité tissulaire. Étant donné que la méthode nécessite des magnétomètres très sensibles, elle s’est historiquement appuyée sur des technologies complexes et coûteuses telles que les dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs (SQUID) et les magnétomètres à pompage optique (OPM).
Le système du groupe JGU, basé sur les centres NV dans le diamant, est une alternative qui offre des avantages significatifs par rapport aux méthodes MCG existantes. La différence la plus importante réside dans la petite taille du capteur : une pyramide tronquée en diamant d’un volume inférieur à 0,5 millimètre cube, ce qui facilite son transport. Un autre avantage est que, contrairement aux systèmes basés sur SQUID ou OPM, les magnétomètres NV fonctionnent à température ambiante. Cela les rend adaptés à une utilisation directe sur la peau du patient et permet de les appliquer à n’importe quel endroit souhaité. Cela ouvre la possibilité d’une cartographie plus précise des signaux biomagnétiques, comme la reconstruction 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.
Le potentiel est élevé mais des défis techniques demeurent
Bien que l’étude montre la promesse des magnétomètres diamant NV, il subsiste un écart de performances par rapport aux SQUID et aux OPM, qui offrent toujours une sensibilité plus élevée et de meilleurs rapports signal/bruit. Cependant, à mesure que le développement progresse, des possibilités d’application au-delà du domaine clinique s’ouvrent : 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 avec des mécanismes d’amélioration qui pourraient leur permettre d’atteindre une qualité similaire à celle d’un ECG. Un exemple de tels mécanismes sont les concentrateurs de flux : des structures qui peuvent concentrer le flux magnétique dans les diamants et ainsi 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 domaines d’intervention de Muhib Omar. « Adapter les structures magnétiques pour concentrer de manière optimale les lignes de champ magnétique provenant d’une source à l’intérieur du diamant est la voie à suivre pour mettre ces technologies quantiques en pratique. » Un autre domaine d’application est 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 nerveuse peropératoire dans des environnements non protégés. La sensibilité spatiale aux gradients de champ facilite également, par exemple, la séparation non invasive des signaux cardiaques maternels et fœtaux pour la surveillance prénatale. Surtout, les gradiomètres NV pourraient permettre aux systèmes de magnétoencéphalographie portables de fonctionner à température ambiante, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour les diagnostics neurologiques ou les interfaces cerveau-ordinateur (BCI) de nouvelle génération.
