# 1. 中文标题 基于金刚石NV色心量子磁力计的非屏蔽人体心磁图检测：室温量子传感技术的临床转化之路

《SCIENCE ADVANCES》：Human cardiac measurements with diamond magnetometers

　　

# 3. 摘要翻译

心脏会产生微弱的磁信号，但在不接触人体且无需重型屏蔽设备的情况下检测这些信号仍然是一项重大挑战。本研究中，研究人员展示了一种利用金刚石制成的紧凑型量子传感器对这些信号进行非侵入性测量的方法。这些传感器可在室温下工作，即使在高度屏蔽环境之外也能检测到心脏产生的极微弱磁场。通过对多次心跳的信号进行平均处理并使用噪声抑制技术，研究人员成功记录了清晰的心磁图（Magnetocardiography, MCG）轨迹。尽管目前的测量仍需要信号平均，但研究结果表明了一条通向实时检测的明确路径。研究人员还探索了一种适用于非屏蔽噪声环境的梯度计（Gradiometry）方案，为在具有挑战性的临床条件下实现非接触式心脏检测铺平了道路。这项工作为将量子传感器应用于心脏和大脑的实际医学诊断指明了一条途径。

# 4. 论文解读

## 研究背景与科学问题

心脏的电生理活动不仅产生体表可测的电位变化，也伴随产生微弱的磁场信号。目前，心电图（Electrocardiography, ECG）作为心脏疾病临床诊断的"金标准"，具有技术成熟、成本低廉、普及度高的优势，但其固有局限也十分明显：ECG信号受人体组织导电性（如肺、脂肪、体液）的强烈影响，导致空间分辨率受限；同时，ECG必须通过贴附于体表的电极进行接触式测量，在烧伤患者等无法接触皮肤的场景下难以应用。

相比之下，心磁图（Magnetocardiography, MCG）通过高灵敏度磁力计非接触式地检测心脏电流产生的磁场，几乎不受组织导电性衰减的影响，能够探测ECG可能遗漏的细微异常，并支持对病理源的精确定位，在心律失常、早期缺血检测和胎儿MCG等领域展现出独特优势。然而，长期以来MCG的临床推广受制于两大瓶颈：其一，心脏磁信号极其微弱（通常在皮特斯拉量级），极易被环境磁噪声淹没；其二，主流的超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）依赖低温制冷，系统复杂、成本高昂且需要严格的磁屏蔽室。近年来新兴的光泵磁力计（Optically Pumped Magnetometer, OPM）虽已展示非屏蔽环境下的MCG检测能力，但仍面临航向误差、死区以及较高工作温度带来的接触测量限制等问题。

氮空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心是金刚石中的一种固态自旋缺陷，因其在室温下即可实现单个电子自旋的相干操控和光学读出，已成为量子传感领域的领先平台。NV磁力计具有传感体积小（便于构建梯度计并进行矢量分辨测量）、初始化速度快、生物相容性优良、温度工作范围宽等突出优势，尤其在与磁通集中器（Flux Concentrator）结合后，其体积灵敏度可与OPM竞争。正是基于上述背景，研究人员开展了此项研究，旨在验证NV金刚石磁力计用于人体MCG检测的可行性，并探索其在非屏蔽噪声环境中的实际应用潜力。该论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

## 关键技术方法概述

本研究由三个独立团队协同推进：德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学（Johannes Gutenberg University Mainz, JGU）团队、斯图加特大学（University of Stuttgart, ZAQuant）团队以及量子技术初创企业Q.ANT GmbH团队。三组研究人员各自开发了不同构型的NV金刚石磁力计系统。JGU团队采用零直流偏置磁场下的磁调制方案，在美因茨亥姆霍兹研究所（Helmholtz Institute Mainz）的多层磁屏蔽室内进行测量，传感金刚石为截顶金字塔形（0.18 mm高，0.5 mm × 0.5 mm底面），通过光纤耦合实现内窥镜式紧凑设计。ZAQuant团队和Q.ANT团队则采用约1 mT偏置磁场下的微波（Microwave, MW）调制方案（分别为频率调制和幅度调制），分别在单层磁屏蔽室和非屏蔽环境中进行测量，其中ZAQuant使用了双传感器梯度计配置（传感器间距78 mm）。所有测量均同步记录ECG信号作为时间触发基准以实现跨心动周期的信号平均。为验证NV传感器所获MCG信号的真实性，研究人员在弗劳恩霍夫物理测量技术研究所（Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques, Freiburg）使用49通道FieldLine OPM阵列（名义灵敏度约15 fT/√Hz）对同一受试者的胸前MCG信号进行了空间分布标测，以确定NV传感器的放置位置并交叉验证信号形态。此外，ZAQuant团队在磁屏蔽室内利用背景场亥姆霍兹线圈模拟环境干扰，系统地表征了梯度计方案的共模噪声抑制性能，并进一步通过仿真展示了盲源分离（Blind Source Separation, BSS）辅助的自适应梯度计分析方法。

## 主要研究结果

**MCG with NV-based magnetometers（基于NV磁力计的心磁图检测）**

三组研究人员在各自不同的磁环境和传感器配置下均成功记录到了清晰的MCG信号。JGU传感器在多层磁屏蔽室内实现了13 pT/√Hz（20–30 Hz频段平均）的灵敏度，经过12,000次心跳平均后，获得的MCG轨迹可清晰辨识P波、QRS波群和T波等典型心电时相特征。ZAQuant传感器在部分屏蔽环境中达到7 pT/√Hz的灵敏度，经300次平均即获得可分辨的MCG波形。Q.ANT传感器在非屏蔽环境中实现26 pT/√Hz的灵敏度，经2,000次平均同样提取出锁相于ECG的MCG信号。三组传感器灵敏度差异源于金刚石几何尺寸、光学与微波实现方式、读出协议、传感器头集成度以及工作环境的不同，而信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）的差异则主要归因于各测量场地的环境磁噪声谱密度不同——低频1/f噪声因其时间相关性而无法通过简单平均有效抑制，这构成了非屏蔽环境中信号质量的主要限制因素。

**Validating the MCG signature（验证心磁图信号特征）**

为排除NV传感器测量电子学通道意外耦合ECG电信号的可能性，研究人员在保持相同ECG触发设置的条件下，于胸前两个不同位置（P1和P2）分别采集了NV-MCG数据，观察到了预期的MCG峰极性反转，从而排除了电子串扰的干扰。进一步利用OPM阵列对胸前MCG空间分布进行标测后发现，P1和P2位置的NV-MCG信号与OPM-MCG信号在QRS波群幅值上吻合良好，且与文献报道值一致。两者在T波形态上存在差异，这可由传感器灵敏轴取向、传感体积以及距体表距离的不同来解释——OPM阵列的空间分布图亦显示T波形态在相邻位置存在较大变异性，与已有文献一致。

**Gradiometry performance（梯度计性能）**

ZAQuant团队在单层磁屏蔽室内对双传感器梯度计方案进行了系统表征。两个NV传感器头间距78 mm，利用背景场亥姆霍兹线圈施加数百纳特斯拉量级的模拟环境干扰磁场。结果显示，简单的传感器信号相减即可将施加的均匀测试场几乎完全抵消，总噪声降低近两个数量级——在低毫赫兹频段，单个传感器的噪声密度超过100 nT/√Hz，而差分信号的噪声密度被抑制到该值的百分之一以下。梯度计的线性范围受磁共振线宽（约200 kHz）限制，约为±500 nT，但可通过主动频率跟踪和闭环反馈扩展至数微特斯拉范围，适用于神经外科手术室等动态磁场环境。此外，仿真分析进一步表明，当环境噪声在空间上不完全均匀或传感器通道间耦合不平衡时，可将梯度计问题推广为自适应盲源分离（BSS）问题。仿真中两个NV通道记录了心脏样磁信号与强时变环境噪声的不同线性混合，直接相减无法有效分离信号，而BSS成功恢复出了与心脏样信号和环境噪声分别对应的独立源分量。该方法为在弱屏蔽或动态变化环境中实现更稳健的NV-MCG检测提供了可行路径。

## 讨论与结论

本研究首次实现了基于NV色心金刚石量子传感器的人体心磁图检测，标志着自旋量子传感技术从实验室原理验证迈向临床生物医学应用的关键里程碑。三组独立团队在从多层屏蔽到完全非屏蔽的梯度环境条件下均成功记录到MCG信号，证明了该技术路线在不同实验条件下的可行性与可重复性。

然而，当前NV磁力计的性能与常规临床应用需求之间仍存在显著差距。研究指出，欲实现低平均次数甚至实时的MCG检测，需将传感器灵敏度从当前的约10 pT/√Hz量级提升至约1 pT/√Hz，即约一个数量级的改进——这一指标已在其他NV色心实验系统中实现。当前连续波（Continuous-Wave）协议下的NV磁力计已接近其实用灵敏度极限，光子散粒噪声（Photon Shot Noise）是主要噪声源，其幅度与检测荧光功率P的平方根成反比（∝1/√P），进一步增加光功率受功率展宽、样品加热和激光诱导退相干等因素制约。突破此瓶颈的量子增强策略包括：红外吸收磁测量（通过光谱学手段探测NV色心单重态跃迁以提升光子收集效率）、脉冲磁测量结合动力学去耦序列（已展示490 fT/√Hz的灵敏度）、微波腔增强检测（利用NV系综与微波谐振腔的强耦合实现数量级灵敏度提升），以及自旋压缩和量子增益放大等多体量子效应方案（有望超越标准量子极限）。在近期实用层面，磁通集中器提供了一条不改变测量协议即实现两个数量级以上信号增强的捷径，且其带来的一定空间分辨率损失在心脏监测等厘米级定位精度需求场景中是可接受的。

研究人员最后指出，NV金刚石磁力计凭借其小传感体积（支持梯度计构型和矢量分辨测量）、室温工作、无低温需求以及高度可集成化等综合优势，有望成为SQUID和OPM之外的一种更具可及性和成本效益的MCG替代方案，长期前景涵盖临床心脏监测和家庭健康监护两大应用场景。