Wetenschappers hebben een zeer gevoelige sensor ontwikkeld om kleine veranderingen in sterke magnetische velden te detecteren. De sensor kan wijdverbreid worden gebruikt in de geneeskunde en andere gebieden.

Onderzoekers van het Instituut voor Biomedische Technologie, die gezamenlijk wordt beheerd door ETH Zürich en de Universiteit van Zürich, zijn erin geslaagd om minuscule veranderingen in sterke magnetische velden met ongekende precisie te meten. In hun experimenten, de wetenschappers magnetiseerden een waterdruppel in een magnetische resonantie beeldvorming (MRI) scanner, een apparaat dat wordt gebruikt voor medische beeldvorming. De onderzoekers konden zelfs de kleinste variaties van de magnetische veldsterkte in de druppel detecteren. Deze veranderingen waren tot een biljoen keer kleiner dan de veldsterkte van zeven tesla van de MRI-scanner die in het experiment werd gebruikt.

"Tot nu, het was alleen mogelijk om zulke kleine variaties in zwakke magnetische velden te meten, " zegt Klaas Prüssmann, Professor in Bioimaging aan de ETH Zürich en de Universiteit van Zürich. Een voorbeeld van een zwak magnetisch veld is dat van de aarde, waar de veldsterkte slechts enkele tientallen microtesla is. Voor dit soort velden zeer gevoelige meetmethoden zijn al in staat om variaties van ongeveer een biljoenste van de veldsterkte te detecteren, zegt Prüssmann. "Nutsvoorzieningen, we hebben een vergelijkbare gevoelige methode voor sterke velden van meer dan één Tesla, zoals die worden gebruikt, onder andere, in medische beeldvorming."

Nieuw ontwikkelde sensor

De wetenschappers baseerden de detectietechniek op het principe van nucleaire magnetische resonantie, die ook dient als basis voor magnetische resonantiebeeldvorming en de spectroscopische methoden die biologen gebruiken om de 3D-structuur van moleculen op te helderen.

Echter, om de variaties te meten, moesten de wetenschappers een nieuwe uiterst nauwkeurige sensor bouwen, waarvan een deel een zeer gevoelige digitale radio-ontvanger is. "Hierdoor konden we het achtergrondgeluid tijdens de metingen tot een extreem laag niveau beperken, ", zegt Simon Gross. Gross schreef zijn proefschrift over dit onderwerp in de groep van Prüssmann en is hoofdauteur van het artikel dat is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Antenne-interferentie elimineren

In het geval van nucleaire magnetische resonantie, radiogolven worden gebruikt om atoomkernen in een magnetisch veld te prikkelen. Hierdoor zenden de kernen zelf zwakke radiogolven uit, die worden gemeten met een radioantenne; hun exacte frequentie geeft de sterkte van het magnetische veld aan.

Zoals de wetenschappers benadrukken, het was een uitdaging om de sensor zo te construeren dat de radioantenne de metingen niet vervormde. De wetenschappers moeten het in de onmiddellijke nabijheid van de waterdruppel plaatsen, maar omdat het van koper is gemaakt, wordt het gemagnetiseerd in het sterke magnetische veld, veroorzaakt een verandering in het magnetische veld in de druppel.

De onderzoekers bedachten daarom een ​​truc:ze wierpen de druppel en antenne in een speciaal geprepareerd polymeer; de magnetiseerbaarheid (magnetische gevoeligheid) kwam exact overeen met die van de koperen antenne. Op deze manier, de wetenschappers waren in staat om de schadelijke invloed van de antenne op het watermonster te elimineren.

Brede toepassingen verwacht

Met deze meettechniek voor zeer kleine veranderingen in magnetische velden kunnen de wetenschappers nu kijken naar de oorzaken van dergelijke veranderingen. Ze verwachten dat hun techniek gebruikt zal worden in verschillende wetenschapsgebieden, sommigen van hen op het gebied van geneeskunde, hoewel de meeste van deze toepassingen nog in de kinderschoenen staan.

"In een MRI-scanner, de moleculen in lichaamsweefsel worden minimaal gemagnetiseerd - in het bijzonder de watermoleculen die ook in het bloed aanwezig zijn, " legt promovendus Gross uit. "De nieuwe sensor is zo gevoelig dat we er mechanische processen in het lichaam mee kunnen meten; bijvoorbeeld, de samentrekking van het hart met de hartslag."

De wetenschappers voerden een experiment uit waarbij ze hun sensor voor de borst van een vrijwillige proefpersoon in een MRI-scanner plaatsten. Ze waren in staat om periodieke veranderingen in het magnetische veld te detecteren, die klopte met de hartslag. De meetcurve doet denken aan een elektrocardiogram (ECG), maar in tegenstelling tot de laatste meet een mechanisch proces (de samentrekking van het hart) in plaats van elektrische geleiding. "We zijn bezig met het analyseren en verfijnen van onze meettechniek voor magnetometers in samenwerking met cardiologen en experts op het gebied van signaalverwerking, ", zegt Prüssmann. "Uiteindelijk, we hopen dat onze sensor in staat zal zijn om informatie te verstrekken over hartziekten - en dat niet-invasief en in realtime zal doen."

Ontwikkeling van betere contrastmiddelen

De nieuwe meettechniek zou ook kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe contrastmiddelen voor magnetische resonantiebeeldvorming:in MRI, het beeldcontrast is grotendeels gebaseerd op hoe snel een gemagnetiseerde kernspin terugkeert naar zijn evenwichtstoestand. Experts noemen dit proces ontspanning. Contrastmiddelen beïnvloeden de relaxatie-eigenschappen van kernspins zelfs bij lage concentraties en worden gebruikt om bepaalde structuren in het lichaam te benadrukken.

In sterke magnetische velden, gevoeligheidsproblemen hadden wetenschappers eerder beperkt tot het meten van slechts twee van de drie ruimtelijke kernspincomponenten en hun relaxatie. Ze moesten vertrouwen op een indirecte meting van ontspanning in de belangrijke derde dimensie. Voor de eerste keer, de nieuwe zeer nauwkeurige meettechniek maakt de directe meting van alle drie de dimensies van kernspin in sterke magnetische velden mogelijk.

Directe meting van alle drie de kernspincomponenten maakt ook de weg vrij voor toekomstige ontwikkelingen in nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie voor toepassingen in biologisch en chemisch onderzoek.