Tim tạo ra một từ trường yếu đến mức gần như chìm trong nhiễu: Một mẩu kim cương nhỏ đang học cách “nghe” nó mà không cần chạm da

Tín hiệu điện giúp tim co bóp cũng tạo ra một từ trường, nhưng trường này yếu đến mức nó dễ bị nhấn chìm bởi nhiễu từ môi trường và chính thiết bị đo. Một nghiên cứu mới trên Science Advances cho thấy một cảm biến lượng tử dùng kim cương có thể ghi lại tín hiệu từ tim người mà đầu cảm biến không cần chạm vào da.

Điểm đáng chú ý không phải là magnetocardiography — phép đo từ trường của tim — vừa được phát minh. Kỹ thuật này đã tồn tại nhiều thập kỷ. Điều mới là ba hệ cảm biến độc lập dựa trên các tâm khuyết tật nitrogen-vacancy, hay NV center, trong kim cương đều ghi được tín hiệu tim người ở nhiệt độ phòng, với vùng cảm biến hoạt động nhỏ hơn 0,5 mm³. Một trong các hệ được đặt cách ngực người tham gia khoảng 1 cm.

Nghiên cứu mang tên Human Cardiac Measurements with Diamond Magnetometers, do Muhib Omar và các cộng sự thực hiện trong dự án DIAQNOS, với sự tham gia của Johannes Gutenberg University Mainz, Helmholtz Institute Mainz, University of Stuttgart, Q.ANT và nhiều đối tác khác. Bài báo được công bố ngày 16/9/2026 trên Science Advances.

ECG đo điện, còn mẩu kim cương này tìm phần từ trường đi kèm

Điện tâm đồ, hay ECG, đo chênh lệch điện thế trên bề mặt cơ thể bằng các điện cực dán lên da. Magnetocardiography (MCG) nhìn cùng hoạt động điện sinh học theo một hướng khác: nó đo từ trường sinh ra bởi các dòng điện trong tim.

Hai tín hiệu phản ánh cùng quá trình khử cực và tái cực của cơ tim, nhưng chúng không đi qua cơ thể theo cách giống nhau. Điện thế mà ECG thu được phụ thuộc vào độ dẫn điện của các mô nằm giữa tim và điện cực. Từ trường ít bị biến dạng bởi sự khác biệt về độ dẫn của mô hơn, nên MCG có thể cung cấp thông tin bổ sung về vị trí và hướng của nguồn dòng điện trong tim.

Vấn đề là từ trường sinh học rất yếu. Các hệ MCG truyền thống thường dựa vào SQUID — cảm biến lượng tử siêu dẫn cần làm lạnh — hoặc magnetometer quang bơm dùng hơi nguyên tử. Cả hai hướng đều có thể đạt độ nhạy rất cao, nhưng phần cứng, yêu cầu môi trường và khoảng cách làm việc khiến việc biến MCG thành một thiết bị nhỏ gọn bên giường bệnh không đơn giản.

Nhóm nghiên cứu thử một vật liệu tưởng như không liên quan đến tim mạch: kim cương.

Điểm hữu ích của kim cương lại nằm ở một “lỗi” trong mạng tinh thể

Một NV center hình thành khi một nguyên tử nitrogen thay thế carbon trong mạng tinh thể kim cương và nằm cạnh một vị trí carbon bị khuyết. Cặp khuyết tật này có các trạng thái spin điện tử rất nhạy với từ trường xung quanh.

Khi NV center được kích thích bằng ánh sáng và điều khiển bằng vi sóng, từ trường bên ngoài làm thay đổi các mức năng lượng của spin. Sự thay đổi đó có thể được đọc ra qua tín hiệu quang từ kim cương. Nói đơn giản, mẩu kim cương không “nghe” tim theo nghĩa âm thanh; nó biến một thay đổi từ trường cực nhỏ thành tín hiệu quang mà thiết bị điện tử có thể đo được.

Ưu điểm lớn là quá trình này hoạt động ở nhiệt độ phòng. Không cần làm lạnh kim cương xuống nhiệt độ cryogenic như với nhiều hệ SQUID. Đồng thời, vùng vật liệu thực sự tham gia cảm biến có thể rất nhỏ, cho phép đưa đầu dò tới gần nguồn tín hiệu hơn.

Trong hệ của Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), phần kim cương có dạng kim tự tháp cụt, cao khoảng 0,18 mm với đáy 0,5 x 0,5 mm. Cả đầu dò được thiết kế theo dạng sợi quang để có thể phát triển thành một cảm biến kiểu endoscope có thể di chuyển.

Ba hệ độc lập cùng nhìn thấy tín hiệu tim, nhưng chưa theo từng nhịp riêng lẻ

Nghiên cứu không dựa trên một thiết bị duy nhất. Ba nền tảng cảm biến được phát triển độc lập tại JGU, Zentrum für Angewandte Quantentechnologie (ZAQuant) của University of Stuttgart và Q.ANT GmbH. Chúng được thử trong các điều kiện che chắn từ khác nhau, từ phòng được che chắn nhiều lớp tới môi trường ít che chắn hơn.

Các cảm biến đạt mức nhiễu tương đương độ nhạy khoảng 6–26 pT/√Hz tùy cấu hình. Với hệ JGU, mức đo được trong phòng che chắn là khoảng 13 pT/√Hz. Hệ ZAQuant đạt khoảng 7 pT/√Hz, còn cấu hình Q.ANT khoảng 26 pT/√Hz.

Trong phép đo JGU, đầu cảm biến được đặt cách ngực một người đang ngồi khoảng 1 cm, đủ để người này thở mà không chạm vào đầu dò. Tín hiệu từ trường thu được sau đó được so sánh với một mảng magnetometer quang bơm thương mại để kiểm tra rằng dạng sóng thực sự đến từ hoạt động tim chứ không phải nhiễu điện tử.

Nhưng đây là giới hạn quan trọng nhất của kết quả hiện tại: cảm biến chưa đọc được rõ từng nhịp tim theo thời gian thực. Để làm hiện tín hiệu MCG, các nhóm phải cộng trung bình nhiều chu kỳ tim. Dữ liệu trình bày trong paper dùng khoảng 12.000 lần trung bình ở hệ JGU, 300 ở ZAQuant và 2.000 ở Q.ANT.

Vì vậy, đây chưa phải một thiết bị có thể đặt cạnh người bệnh rồi lập tức hiển thị magnetocardiogram sạch như ECG hiện nay.

“Không chạm da” cũng cần một chú thích quan trọng

Đầu cảm biến kim cương không cần tiếp xúc với cơ thể. Tuy nhiên, trong các thí nghiệm hiện tại, nhóm vẫn dùng điện cực ECG làm tín hiệu tham chiếu để xác định thời điểm của từng nhịp tim và đồng bộ quá trình cộng trung bình.

Điều này có nghĩa nghiên cứu đã chứng minh phần đo từ trường có thể thực hiện không tiếp xúc, chứ chưa chứng minh một hệ hoàn toàn không cần điện cực ở mọi khâu. Nếu cảm biến đủ nhạy để đọc từng nhịp riêng lẻ, bước phụ thuộc vào ECG để kích hoạt trung bình có thể được loại bỏ, nhưng đó vẫn là mục tiêu tiếp theo chứ chưa phải kết quả hiện tại.

Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng khi nghĩ tới các ứng dụng như đo trên vùng da bị bỏng, theo dõi thai nhi hoặc đặt đầu dò ở vị trí mà điện cực khó sử dụng. Lợi thế thực sự chỉ xuất hiện khi hệ thống vẫn giữ được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đủ cao ngoài một phòng thí nghiệm được kiểm soát.

Hai mẩu kim cương có thể giúp loại bỏ “tiếng ồn” của cả căn phòng

Một trong những trở ngại lớn nhất của MCG là nhiễu từ môi trường. Dòng điện trong tường, thiết bị điện, thang máy, xe cộ và nhiều nguồn khác có thể tạo ra tín hiệu mạnh hơn đáng kể so với trường từ tim.

Nhóm nghiên cứu thử giải quyết vấn đề này bằng gradiometry: dùng hai cảm biến đặt ở các vị trí khác nhau và lấy hiệu giữa chúng. Nhiễu từ xa thường tác động gần giống nhau lên cả hai cảm biến nên bị triệt bớt, trong khi nguồn từ gần một cảm biến hơn — chẳng hạn tim — tạo ra chênh lệch có thể giữ lại.

Đây là nơi kích thước nhỏ của NV sensor trở thành lợi thế. Hai vùng cảm biến có thể đặt gần nhau, giúp tạo một gradiometer với baseline ngắn và vẫn giữ khả năng phân biệt biến thiên từ trường theo không gian.

Một hướng khác là dùng flux concentrator, các cấu trúc vật liệu dẫn từ được thiết kế để tập trung đường sức vào vùng kim cương. Theo nhóm nghiên cứu, cách này có thể khuếch đại tín hiệu bên trong sensor hơn 100 lần trong các cấu hình phù hợp. Nhưng việc tích hợp bộ tập trung từ thông mà vẫn giữ nhiễu thấp và hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng vẫn là một bài toán kỹ thuật.

Kim cương chưa thay ECG, và cũng chưa vượt SQUID hay OPM

Nhóm tác giả thừa nhận khoảng cách hiệu năng vẫn còn. SQUID và các OPM tốt hiện đạt độ nhạy cao hơn, nên chúng có thể ghi tín hiệu sinh học với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn. Diamond NV sensor đang đánh đổi độ nhạy tuyệt đối để lấy kích thước rất nhỏ, hoạt động ở nhiệt độ phòng, khả năng đặt gần cơ thể và triển vọng tích hợp thành đầu dò gọn hơn.

Vì thế, nghiên cứu này không cho thấy ECG sắp bị thay thế. ECG rẻ, nhanh, phổ biến và đã có hạ tầng lâm sàng trưởng thành. Một hệ MCG dựa trên kim cương chỉ có ý nghĩa nếu nó cung cấp thông tin bổ sung mà ECG khó có được, hoặc hoạt động trong những tình huống mà tiếp xúc với da không phù hợp.

Các tác giả còn nhìn tới những nguồn từ sinh học yếu hơn nữa, đặc biệt là hoạt động thần kinh trong não. Về nguyên tắc, cùng nền tảng NV có thể được phát triển cho magnetoencephalography, theo dõi dây thần kinh trong phẫu thuật hoặc tách tín hiệu tim của thai nhi khỏi tín hiệu của mẹ. Nhưng những ứng dụng đó đòi hỏi độ nhạy, chống nhiễu và khả năng định vị nguồn tốt hơn mức đã được chứng minh ở đây.

Bước tiếp theo là nghe một nhịp duy nhất

Đích kỹ thuật rõ nhất sau nghiên cứu này không phải làm viên kim cương nhỏ hơn nữa. Nó là tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đủ để magnetometer nhận ra một chu kỳ tim duy nhất mà không phải cộng dồn hàng trăm hay hàng nghìn lần.

Nếu đạt được điều đó trong môi trường ít hoặc không che chắn từ, cảm biến kim cương mới bắt đầu tiến gần tới một công cụ lâm sàng thực dụng: hoạt động ở nhiệt độ phòng, có thể đưa tới sát cơ thể, không cần đầu dò tiếp xúc với da và đủ nhỏ để bố trí thành nhiều điểm đo.

Hiện tại, kết quả đáng chú ý hơn ở mức nền tảng: một khuyết tật có kích thước nguyên tử trong mẩu kim cương đã đủ nhạy để lần theo từ trường do tim người tạo ra ở khoảng cách centimet. Nhưng để biến “lời thì thầm” đó thành tín hiệu y khoa theo thời gian thực, phần khó nhất vẫn là lọc đi phần còn lại của thế giới.

Nguồn: Science Advances (2026); bản thảo arXiv của nghiên cứu; Johannes Gutenberg University Mainz / PRISMA++.