다이아몬드 NV 센서, 상온·비접촉으로 심장 자기장 측정 성공

연구 배경: 기존 심장 자기 측정법의 한계

심장 활동을 비침습적으로 관찰하는 방법은 크게 두 가지다. 피부에 전극 패치를 부착하는 심전도(ECG)와, 심장이 발생시키는 자기장을 포착하는 심자도(MCG)가 그것이다. ECG는 보편적으로 사용되지만 체내 조직의 전도율 차이에 영향을 받으며, 화상 환자처럼 피부에 전극 부착이 불가능한 경우에는 활용이 어렵다. MCG는 피부 접촉이 필요 없고 조직 전도율의 영향도 적지만, 기존에는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)나 광학적 펌핑 자력계(OPM) 같은 고비용·대형 장비에 의존해야 했다.

NV 다이아몬드 센서의 구조와 원리

다이아몬드 결정격자에서 탄소 원자가 빠진 자리(공공) 바로 옆에 질소 원자가 위치할 때 NV 센터가 형성된다. 이 센터의 에너지 준위 변화를 관측하면 자기장, 전기장, 온도, 기계적 응력 등을 높은 정밀도로 측정할 수 있다. JGU 연구팀이 개발한 센서는 부피 0.5 세제곱밀리미터 미만의 절단된 다이아몬드 피라미드 형태로, 기존 SQUID 기반 시스템과 달리 상온에서 작동하며 자기 바이어스 장 없이 섬유 기반 내시경 형태로 설계됐다.

세 기관 공동 검증과 현재 성능 격차

이번 연구는 DIAQNOS(신경외과를 위한 다이아몬드 기반 양자 센싱) 플래그십 프로젝트의 일환으로, JGU·슈투트가르트 대학교·프라이부르크 대학교, 그리고 스타트업 Q.ANT GmbH가 각자 독립적으로 개발한 세 가지 시스템을 동원해 심장 자기장을 측정했다. 복수 기관이 개발 시스템을 교차 검증함으로써 독일 내 양자 기술이 의료 응용 단계로 진입할 준비가 됐음을 확인했다. 다만 현재 단계에서 NV 자력계의 감도와 신호 대 잡음비는 SQUID·OPM 대비 아직 열위에 있으며, 이 격차 해소가 향후 핵심 과제로 꼽힌다.

성능 향상 경로: 플럭스 집중기와 그라디오미터

연구팀은 성능 격차를 줄이기 위한 두 가지 접근을 제시하고 있다. 첫째는 플럭스 집중기(flux concentrator)로, 자기 플럭스를 다이아몬드 내부에 집중시켜 신호를 100배 이상 증폭하는 구조다. 박사과정 연구원 무히브 오마르(Muhib Omar)가 상온용 플럭스 집중기 연구·개발을 집중적으로 수행하고 있다. 둘째는 두 센서 사이의 자기장 차분을 측정하는 그라디오미터 방식으로, 비차폐 환경에서도 외부 자기 잡음을 효과적으로 억제할 수 있다. 이 방식은 산전 모니터링에서 모체와 태아의 심장 신호를 분리하거나, 수술 중 신경 모니터링, 종양 수술에도 활용 가능하다고 연구팀은 밝혔다.

임상 및 신경공학적 응용 전망

소형·상온 작동이라는 특성은 기존 SQUID 기반 MCG가 도달하기 어려웠던 영역을 열어준다. 심근염이나 뇌전증의 조기 발견, 심장 전도계의 3차원 재구성, 이식형이 아닌 휴대형 뇌자도(MEG) 시스템 구현 가능성이 거론된다. 더 나아가 차세대 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와의 접목도 검토되고 있다. 단, 연구팀 스스로 임상 적용까지 추가 개선이 필요하다고 인정하고 있어, 실제 의료 현장 투입까지는 상당한 기술적 개선이 선행되어야 한다.