Forskare vid University of Melbourne har utvecklat en teknik som kan öka känsligheten hos magnetisk resonanstomografi (MRI) för patientdiagnos.

Den nya tekniken fungerar genom att öka styrkan hos det magnetiska fältet som produceras av molekyler, och därmed öka sin signal vid mätning med MR.

Teamet konstruerade specifika defekter i diamantkristaller som utövar ett kontrollerat kvantmekaniskt inflytande över nukleära snurr i närliggande molekyler, inklusive potentiellt de som används vid metabolisk avbildning av hjärntumörer, att få dem att `` rada upp '' (polarisera) i en specifik orientering.

Detta hyperpolariserade tillstånd av nukleära snurr är mycket ordnat och ökar magnetfältet som kan detekteras med tekniker som MR.

Det är första gången som denna polarisering av molekylära kärnor har visats med en sådan diamantbaserad kvantprobe.

University of Melbourne School of Physics forskare professor Lloyd Hollenberg ledde forskargruppen, med arbetet publicerat i Naturkommunikation .

Professor Hollenberg, som är CQC2T biträdande direktör och Thomas Baker ordförande vid University of Melbourne, sa att de bästa MR -skannrarna i världen nu når det maximala magnetfält som kan tolereras av människokroppen när tekniken strävar efter större känslighet.

"De superledande magneterna som producerar dessa fält är också anledningen till att MR -skannrar kostar miljoner dollar, eftersom magneterna måste hållas vid kryogena temperaturer, "Professor Hollenberg sa.

"Det behövs helt klart ett störande tillvägagångssätt, så vi ser till att använda kvantteknik för att producera en större signalintensitet för vissa molekylära mål på atomnivå. "

David Broadway, doktorand från University of Melbourne, sa att tekniken fungerade med hjälp av en kylmagnet och lite kvantmekanik på atomnivå.

"Vi kan tänka på atomkärnorna som en kompassnål som producerar ett magnetfält som beror på dess orientering, Sa Mr Broadway.

"När det finns flera kompassnålar som pekar åt olika håll, det resulterande fältet tenderar att genomsnittet till noll, men när kompasserna pekar alla i samma riktning kommer bidragen till fältet från varje kompassnål att bli något mätbart, " han sa.

"Så att alla kärnor är uppställda gör magnetfältet starkare och därför kan MR -läsningen få mer detaljer.

"För närvarande, MR kan få ungefär en av en miljon nukleära snurr att ställa upp, medan vår metod kan uppnå nästan 100 procent för att ställa upp inom molekyler, potentiellt öka bildkänsligheten med storleksordningar. "

De modifierade diamanterna kan användas för att konstruera ett "quantum hyperpolarisation" -chip, över vilket ett målmolekylärt kontrastmedel kunde strömmas. Den kvantmekaniska interaktionen mellan mål- och kvantprober utnyttjas för att överföra polarisationen från diamanten till agenten, som kan injiceras i, eller inandas av, en patient före sin MR. Medlet behåller sin polarisering tillräckligt länge för att, till exempel, resa till en tumörplats, gör det lättare att avbilda med MR.

Postdoktor Dr Liam Hall sa att MR-baserad precisionsmedicin redan använder denna typ av bildbehandling, men kostnaden för den infrastruktur som krävs kan konkurrera med MR -skannrarna själva.

"Dessutom, vi skulle bara använda ljus som lyser genom diamanter i den kvantmekaniska produktionen av polariserade kontrastmedel som redan är godkända för rutinmässig användning. Så inget giftigt skulle komma in i kroppen, Sa Dr Hall.

"Tekniken kom från vårt arbete med att utveckla kvantavkänningsteknik, och insikten att dessa diamantbaserade kvantprober kan utöva ett kraftfullt inflytande på omgivande kärnkraftspinn när vi optimerar förhållandena under vilka de direkt "pratar" med varandra ", sa Dr Hall, som kom på det teoretiska konceptet.

"På sätt och vis, kvantproben extraherar slumpmässig centrifugeringsstörning från ('het') målmolekyl för att producera ett ordnat ('kallt') centrifugerat tillstånd. Potentialen för tillämpning vid hyperpolarisering för MRT blev snart tydlig. "

Kvantteknikens kraft framgår av den experimentella demonstrationen.

Professor Hollenberg sa:"För att sätta det i sitt sammanhang, att uppnå samma polarisationsnivå med ett konventionellt tillvägagångssätt, vi skulle behöva öka magnetfältet med en faktor på cirka 100, 000 gånger, och du kommer bara att hitta sådana fält i en neutronstjärna. "

Tekniker för hyperpolarisering av nukleära snurr kan ha ett antal viktiga tillämpningar inom fysik och biovetenskap.

Hyperpolariserade metaboliter kan injiceras i patienter och kommer att resa till tumörställen och där de kan övervakas i realtid med MR när de metaboliseras; och hyperpolariserade gaser kan inandas för MR -avbildning av lungor och deras funktion. Båda dessa tekniker har centrala roller att spela i den personliga medicinens gryningstid.

Hyperpolarisering av målmolekyler ökar också till signal / brusförhållande för högupplöst kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi, vilket gör det till ett viktigt verktyg för att studera komplexa biomolekylära system.

"Klart nästa steg, som vi är mycket fokuserade på, är att upprepa denna process med hjälp av makroskopiskt utformade matriser av dessa kvantprober i diamant för att skala upp denna teknik, "Professor Hollenberg sa.

"Fler prober är lika med mer polarisering och fler kontrastmedelsmolekyler som produceras, men sonderna börjar störa varandra kvantemekaniskt om de packas in för nära, så vi måste hitta rätt balans, .

"Om vi ​​kan markera den rutan, vi kan sedan tänka på polariserande volymer av MR -kontrastmedel som kan detekteras av MR -skannrarna som finns i forskningslaboratorier och sjukhus. "