Forskare har utvecklat en mycket känslig sensor för att upptäcka små förändringar i starka magnetfält. Sensorn kan komma att bli utbredd inom medicin och andra områden.

Forskare från Institute for Biomedical Engineering, som drivs gemensamt av ETH Zürich och Zürichs universitet, har lyckats mäta små förändringar i starka magnetfält med en aldrig tidigare skådad precision. I deras experiment, forskarna magnetiserade en vattendroppe inuti en magnetisk resonanstomografi (MRI) skanner, en enhet som används för medicinsk bildbehandling. Forskarna kunde upptäcka även de minsta variationerna av magnetfältstyrkan i droppen. Dessa förändringar var upp till en biljon gånger mindre än de sju tesla -fältstyrkan hos MR -skannern som användes i experimentet.

"Tills nu, det var bara möjligt att mäta så små variationer i svaga magnetfält, "säger Klaas Prüssmann, Professor i biobildning vid ETH Zürich och universitetet i Zürich. Ett exempel på ett svagt magnetfält är jordens, där fältstyrkan bara är några dussin mikrotesla. För sådana fält, mycket känsliga mätmetoder kan redan upptäcka variationer på ungefär en biljonedel av fältstyrkan, säger Prüssmann. "Nu, vi har en liknande känslig metod för starka fält med mer än en tesla, som de som används, bland annat, inom medicinsk bildbehandling. "

Nyutvecklad sensor

Forskarna baserade avkänningstekniken på principen om kärnmagnetisk resonans, som också fungerar som grund för magnetisk resonansavbildning och de spektroskopiska metoder som biologer använder för att belysa molekylernas 3D -struktur.

Dock, för att mäta variationerna, forskarna var tvungna att bygga en ny högprecisionssensor, varav en mycket känslig digital radiomottagare. "Detta gjorde att vi kunde minska bakgrundsljudet till en extremt låg nivå under mätningarna, "säger Simon Gross. Gross skrev sin doktorsavhandling om detta ämne i Prüssmanns grupp och är huvudförfattare till tidningen publicerad i tidskriften Naturkommunikation .

Eliminera antennstörningar

Vid kärnmagnetisk resonans, radiovågor används för att excitera atomkärnor i ett magnetfält. Detta får kärnorna att avge egna svaga radiovågor, som mäts med en radioantenn; deras exakta frekvens indikerar magnetfältets styrka.

Som forskarna betonar, det var en utmaning att konstruera sensorn på ett sådant sätt att radioantennen inte snedvrider mätningarna. Forskarna måste placera den i omedelbar närhet av vattendroppen, men när den är gjord av koppar blir den magnetiserad i det starka magnetfältet, orsakar en förändring av magnetfältet inuti droppen.

Forskarna kom därför med ett knep:de kastade droppen och antennen i en specialberedd polymer; dess magnetiserbarhet (magnetisk känslighet) stämde exakt överens med kopparantennens. På det här sättet, forskarna kunde eliminera antennens skadliga inflytande på vattenprovet.

Breda applikationer förväntas

Denna mätteknik för mycket små förändringar i magnetfält gör att forskarna nu kan undersöka orsakerna till sådana förändringar. De förväntar sig att deras teknik kommer att användas inom olika vetenskapsområden, några av dem inom medicin, även om majoriteten av dessa applikationer fortfarande är i sin linda.

"I en MR -skanner, molekylerna i kroppsvävnad får minimal magnetisering - i synnerhet vattenmolekylerna som också finns i blodet, "förklarar doktorand Gross." Den nya sensorn är så känslig att vi kan använda den för att mäta mekaniska processer i kroppen; till exempel, sammandragning av hjärtat med hjärtslaget. "

Forskarna utförde ett experiment där de placerade sin sensor framför bröstet på en frivillig testperson i en MR -skanner. De kunde upptäcka periodiska förändringar i magnetfältet, som pulserade i takt med hjärtslaget. Mätkurvan påminner om ett elektrokardiogram (EKG), men till skillnad från den senare mäter en mekanisk process (hjärtkontraktion) snarare än elektrisk ledning. "Vi håller på att analysera och förfina vår magnetometermätningsteknik i samarbete med kardiologer och experter på signalbehandling, "säger Prüssmann." I slutändan, Vi hoppas att vår sensor kommer att kunna ge information om hjärtsjukdomar - och göra det icke -invasivt och i realtid. "

Utveckling av bättre kontrastmedel

Den nya mättekniken kan också användas för utveckling av nya kontrastmedel för magnetisk resonansavbildning:vid MRT, bildkontrasten bygger till stor del på hur snabbt en magnetiserad kärnspinn återgår till dess jämviktstillstånd. Experter kallar denna process avslappning. Kontrastmedel påverkar avslappningsegenskaperna hos nukleära snurr även vid låga koncentrationer och används för att markera vissa strukturer i kroppen.

I starka magnetfält, känslighetsfrågor hade tidigare begränsat forskare till mätning av bara två av de tre rumsliga nukleära spinnkomponenterna och deras avslappning. De var tvungna att förlita sig på en indirekt mätning av avslappning i den viktiga tredje dimensionen. För första gången, den nya högprecisionsmättekniken möjliggör direkt mätning av alla tre dimensioner av kärnvridning i starka magnetfält.

Direktmätning av alla tre nukleära spinnkomponenter banar också väg för framtida utveckling inom kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för tillämpningar inom biologisk och kemisk forskning.