Comment les capteurs diamant sont conçus pour révolutionner les diagnostics médicaux

Le corps humain émet des impulsions avec des champs électriques qui sont causés par le mouvement de charge à travers les nerfs et à travers les tissus musculaires. Les physiciens mesurent depuis longtemps ces courants directement avec des techniques telles que les électrocardiographes, qui révèlent la fonction cardiaque, et les électroencéphalographes, qui révèlent la fonction cérébrale.

Mais les mêmes processus produisent également des champs magnétiques, et ceux-ci ont le potentiel d'être tout aussi utiles dans le diagnostic des maladies, peut-être même plus. En particulier, les capteurs magnétiques n'ont pas besoin de toucher la peau pour faire leur travail. C'est utile pour mesurer les signaux des cœurs fœtaux ou des brûlés, par exemple.

Mais il y a un problème. Le champ magnétique du corps est minuscule et sa détection nécessite des capteurs extrêmement sensibles. Les seuls gadgets disponibles dans le commerce qui peuvent faire ce travail sont les dispositifs supraconducteurs d'interférence quantique, ou SQUID, qui peuvent mesurer les changements dans les champs magnétiques mesurés en femtoTesla (10-15). Ceux-ci doivent être refroidis à la température de l'hélium liquide et les mesures effectuées dans des salles blindées à l'abri des champs magnétiques externes.

Comment les atomes d'azote (bleu) s'incrustent dans un réseau de diamants.

Et cela les rend chers. Un système de magnétocardiographe typique coûte environ 1 million de dollars, contre quelques milliers de dollars pour un électrocardiographe.

Donc, un moyen de rendre les magnétocardiographes ou (magnétoencéphalographes) moins chers serait extrêmement utile.

Il se trouve qu'il y a une technologie qui attend dans les coulisses et qui promet de faire exactement cela : des capteurs en diamant capables de mesurer de minuscules champs magnétiques à température ambiante. L'espoir est que ces capteurs pourraient rendre les magnétocardiographes beaucoup moins chers tout en supprimant le besoin pour les hôpitaux de construire des salles blindées coûteuses pour les faire fonctionner.

Aujourd'hui, Matthew Dale et Gavin Morley de l'Université de Warwick au Royaume-Uni affirment que les capteurs à diamant sont sur le point de révolutionner la façon dont les médecins utilisent les mesures de champ magnétique en médecine diagnostique. Ils tracent l'état de l'art dans ce domaine et disent que l'opportunité commerciale est importante.

Tout d'abord un peu de contexte. Au cœur de ces capteurs à diamant se trouve un dispositif à l'échelle atomique appelé centre de lacune d'azote, ou centre NV. Il s'agit d'un type de défaut dans un réseau de diamant constitué d'un atome d'azote assis à côté d'une lacune.

Les centres NV ont des propriétés intéressantes lorsqu'ils acceptent un électron et deviennent chargés négativement. L'électron peut être amené à émettre une lumière rouge, qui est facilement détectée. La quantité de lumière qu'il émet dépend de la polarisation de spin de l'électron, et celle-ci est très sensible à tout champ magnétique externe.

Ainsi, tout changement dans un champ magnétique externe peut être mesuré en observant la quantité de lumière émise par un centre NV. Ce processus fonctionne à température ambiante, et les physiciens l'ont utilisé pour mesurer les changements de champ mesurés en picoTesla (10-12). Ils s'attendent à pouvoir rendre la technique beaucoup plus sensible à l'avenir, peut-être même capable d'égaler la sensibilité des SQUID.

Bien qu'actuellement moins sensibles, les centres NV présentent d'autres avantages par rapport aux SQUID. Pour commencer, les capteurs utilisant des centres NV peuvent toujours se rapprocher du signal par rapport aux SQUID, qui doivent être isolés en raison de leur température de congélation.

Et les capteurs à base de diamant peuvent fonctionner sans être soigneusement protégés des champs magnétiques externes. C'est parce qu'ils peuvent être utilisés en groupe, les signaux provenant de capteurs plus éloignés étant utilisés pour annuler l'effet de tout champ externe indésirable.

Bien sûr, il y a des défis à relever pour rendre les capteurs de diamant utiles. La première est que le centre NV émet de la lumière dans toutes les directions, ce qui rend sa collecte difficile. Cependant, des miroirs soigneusement formés devraient pouvoir capter la majeure partie de cette lumière.

Une autre est une technologie concurrente appelée magnétomètres à métaux alcalins. Ceux-ci dépendent de la capacité de certains types d'atomes polarisés en spin à absorber la lumière en fonction du champ magnétique local. Ces appareils fonctionnent donc en mesurant la quantité de lumière qui traverse un petit récipient de gaz atomique chauffé.

Cependant, les capteurs à diamant sont des dispositifs à semi-conducteurs susceptibles d'être plus robustes que n'importe lequel de leurs concurrents. Même si les magnétomètres NV ne dépassent finalement pas les autres en sensibilité, ils pourraient offrir des avantages significatifs en termes de robustesse, de coût et de proximité avec le sujet, déclarent Dale et Morley.

Le marché des magnétocardiographes à base de diamant devrait être important. Dale et Morley estiment qu'il existe environ 100 systèmes de magnétocardiographe basés sur SQUID dans le monde. Mais il y a quelque 100 000 hôpitaux dans le monde qui pourraient bénéficier d'appareils moins chers. Nous estimons que 100 000 systèmes de magnétocardiographe pourraient être vendus si la fonctionnalité était la même que celle des systèmes SQUID existants et que le prix était inférieur à 150 000 dollars, concluent-ils.

C'est une étude intéressante. Le champ magnétique du corps est largement inutilisé en ce qui concerne les diagnostics médicaux. Si Dale et Morely ont raison, cela devrait changer dans les prochaines années.

Réf : arxiv.org/abs/1705.01994 : Applications médicales de la magnétométrie diamant : viabilité commerciale

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