Magnetfeltføling med høj præcision

Forskere har udviklet en meget følsom sensor til at registrere små ændringer i stærke magnetiske felter. Sensoren kan finde udbredt brug inden for medicin og andre områder.

Forskere fra Institut for Biomedicinsk Teknik, som drives i fællesskab af ETH Zürich og Zürich Universitet, er lykkedes med at måle små ændringer i stærke magnetfelter med hidtil uset præcision. I deres eksperimenter, forskerne magnetiserede en vanddråbe inde i en magnetisk resonansbilledscanner (MRI), en enhed, der bruges til medicinsk billeddannelse. Forskerne var i stand til at opdage selv de mindste variationer af magnetfeltstyrken i dråben. Disse ændringer var op til en billion gange mindre end feltstyrken på syv teslaer fra den MRI-scanner, der blev brugt i eksperimentet.

"Indtil nu, det var kun muligt at måle så små variationer i svage magnetfelter, siger Klaas Prüssmann, Professor i Bioimaging ved ETH Zürich og Zürich Universitet. Et eksempel på et svagt magnetfelt er Jordens, hvor feltstyrken blot er et par dusin mikrotesla. For områder af denne art, meget følsomme målemetoder er allerede i stand til at detektere variationer på omkring en billiontedel af feltstyrken, siger Prüssmann. "Nu, vi har en lignende følsom metode til stærke felter på mere end én tesla, som dem der bruges, blandt andet, i medicinsk billeddiagnostik."

Nyudviklet sensor

Forskerne baserede sanseteknikken på princippet om kernemagnetisk resonans, som også tjener som grundlag for magnetisk resonansbilleddannelse og de spektroskopiske metoder, som biologer bruger til at belyse molekylers 3D-struktur.

Imidlertid, at måle variationerne, forskerne skulle bygge en ny højpræcisionssensor, hvoraf en del er en meget følsom digital radiomodtager. "Dette gjorde det muligt for os at reducere baggrundsstøj til et ekstremt lavt niveau under målingerne, " siger Simon Gross. Gross skrev sin doktorafhandling om dette emne i Prüssmanns gruppe og er hovedforfatter på papiret offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Eliminering af antenneinterferens

I tilfælde af kernemagnetisk resonans, radiobølger bruges til at excitere atomkerner i et magnetfelt. Dette får kernerne til at udsende svage radiobølger af deres egne, som måles ved hjælp af en radioantenne; deres nøjagtige frekvens angiver styrken af ​​magnetfeltet.

Som forskerne understreger, det var en udfordring at konstruere sensoren sådan, at radioantennen ikke forvrængede målingerne. Forskerne skal placere den i umiddelbar nærhed af vanddråben, men da det er lavet af kobber, bliver det magnetiseret i det stærke magnetfelt, forårsager en ændring i magnetfeltet inde i dråben.

Forskerne fandt derfor på et trick:de støbte dråben og antennen i en specialfremstillet polymer; dens magnetiserbarhed (magnetisk følsomhed) matchede nøjagtigt kobberantennens. På denne måde forskerne var i stand til at eliminere antennens skadelige indflydelse på vandprøven.

Brede ansøgninger forventes

Denne måleteknik for meget små ændringer i magnetiske felter gør det muligt for forskerne nu at undersøge årsagerne til sådanne ændringer. De forventer, at deres teknik kan finde anvendelse inden for forskellige områder af videnskaben, nogle af dem inden for medicin, selvom størstedelen af ​​disse applikationer stadig er i deres vorden.

"I en MR-scanner, molekylerne i kropsvæv modtager minimal magnetisering - især de vandmolekyler, der også er til stede i blodet, " forklarer ph.d.-studerende Gross. "Den nye sensor er så følsom, at vi kan bruge den til at måle mekaniske processer i kroppen; for eksempel, sammentrækningen af ​​hjertet med hjerteslag."

Forskerne udførte et eksperiment, hvor de placerede deres sensor foran brystet på en frivillig testperson inde i en MR-scanner. De var i stand til at detektere periodiske ændringer i magnetfeltet, som pulserede i takt med hjertebanken. Målekurven minder om et elektrokardiogram (EKG), men i modsætning til sidstnævnte måler en mekanisk proces (sammentrækningen af ​​hjertet) snarere end elektrisk ledning. "Vi er i gang med at analysere og forfine vores magnetometermåleteknik i samarbejde med kardiologer og signalbehandlingseksperter, " siger Prüssmann. "I sidste ende, vi håber, at vores sensor vil være i stand til at give information om hjertesygdomme - og gøre det non-invasivt og i realtid."

Udvikling af bedre kontrastmidler

Den nye måleteknik kunne også bruges i udviklingen af ​​nye kontrastmidler til magnetisk resonansbilleddannelse:i MR, billedkontrasten er i vid udstrækning baseret på, hvor hurtigt et magnetiseret nuklear spin vender tilbage til sin ligevægtstilstand. Eksperter kalder denne proces afslapning. Kontrastmidler påvirker afslapningsegenskaberne ved nukleare spins selv ved lave koncentrationer og bruges til at fremhæve visse strukturer i kroppen.

I stærke magnetiske felter, Følsomhedsproblemer havde tidligere begrænset videnskabsmænd til måling af kun to af de tre rumlige nukleare spin-komponenter og deres afslapning. De måtte stole på en indirekte måling af afslapning i den vigtige tredje dimension. For første gang, den nye højpræcisionsmåleteknik tillader direkte måling af alle tre dimensioner af nuklear spin i stærke magnetiske felter.

Direkte måling af alle tre nukleare spin-komponenter baner også vejen for fremtidige udviklinger inden for nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi til anvendelser inden for biologisk og kemisk forskning.