Forskare har utvecklat en ljusbaserad teknik för att mäta mycket svaga magnetfält, som de som produceras när nervceller eldar i hjärnan. De billiga och kompakta sensorerna skulle kunna erbjuda ett alternativ till de magnetiska resonansavbildningssystem (MRI) som för närvarande används för att kartlägga hjärnaktivitet utan den dyra kylning eller elektromagnetisk avskärmning som krävs av MRI-maskiner.
"En bärbar, Ett billigt hjärnavbildningssystem som kan fungera vid rumstemperatur i oskärmade miljöer skulle möjliggöra kartläggning av hjärnaktivitet i realtid efter potentiella hjärnskakning på idrottsplatsen och i konfliktzoner där effekten av explosiva ämnen på hjärnan kan vara katastrofal, " sa forskarmedlemmen Babak Amirsolaimani vid University of Arizona, Tucson.
Som beskrivs i tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , forskarna tillverkade de magnetiska sensorerna med hjälp av optiska fibrer och en nyutvecklad polymer-nanopartikelkomposit som är känslig för magnetfält. Sensorerna kan upptäcka hjärnans magnetfält, som är 100 miljoner gånger svagare än jordens magnetfält.
Forskarna visade också att den nya sensorn kan upptäcka det svaga magnetiska mönstret hos ett mänskligt hjärtslag och har förmågan att upptäcka magnetiska fluktuationer som ändras varje mikrosekund från ett område så litet som 100 kvadratmikron.
"Den helt optiska designen av sensorn betyder att den kan tillverkas billigt på ett kiselfotonikchip, gör det möjligt att producera ett system som är nästan lika litet som sensorns optiska fiber med 10 mikron diameter, ", sa Amirsolaimani. "Flera sensorer kan sedan användas tillsammans för att tillhandahålla hjärnkartläggning med hög rumslig upplösning."
De nya sensorerna kan hjälpa forskare att bättre förstå hjärnans aktivitet och sjukdomar i hjärnan som demens och Alzheimers. De kan också vara användbara för att mäta magnetfälten som används för att förutsäga vulkanutbrott och jordbävningar, identifiera olja och mineraler för utgrävning och upptäcka militära ubåtar.
Optisk detektering av magnetfält
Den optiska metoden för att detektera svaga magnetfält drar fördel av det faktum att ett magnetfält får ljusets polarisering att rotera, med rotationsgraden beroende av materialet genom vilket ljuset passerar. Forskarna utvecklade ett nytt kompositmaterial gjord av nanopartiklar dispergerade i en polymer som ger en detekterbar polarisationsrotation i ljus när mycket svaga magnetfält är närvarande.
De valde nanopartiklar baserade på magnetit och kobolt eftersom dessa material uppvisar mycket hög magnetisk känslighet. De optimerade sedan storleken, mellanrum och beläggning av nanopartiklarna för att skapa ett kompositmaterial som är extremt känsligt för magnetfält.
Forskarna upptäckte polarisationsrotationen med hjälp av en optisk interferometer. Detta fungerar genom att dela laserljus i två banor, varav en passerar genom det högkänsliga materialet medan den andra inte gör det. Polariseringen av varje ljusväg detekteras och jämförs för att mäta fluktuationer i mycket små magnetfält.
Vid detektering av svaga magnetfält, brus kan lätt täcka över signalen som detekteras. Av denna anledning, forskarna använde en interferometeruppsättning som eliminerar omgivande miljöeffekter som vibrationer och temperaturfluktuationer. Denna inställning höll ljudnivåerna mycket nära den teoretiska gränsen för den optiska designen, vilket var nyckeln för att upptäcka mycket svaga magnetfält.
Forskarna använde sensorerna för att mäta magnetfältet som skapas av elektriska impulser som produceras under människans hjärtslag. De kunde detektera en tydlig magnetisk signal som uppvisade hög kontrast, demonstrera teknikens potential som en enkel ersättning för elektrokardiografi, eller EKG, tester som vanligtvis utförs för att upptäcka hjärtproblem.
Nästa, forskarna planerar att studera sensorernas långsiktiga stabilitet och hur väl de tål miljöförändringar. De vill också tillverka flera hundra sensorer för att göra ett system för att utvärdera och avbilda hela magnetfältet i en mänsklig hjärna.
