Onderzoekers hebben een op licht gebaseerde techniek ontwikkeld voor het meten van zeer zwakke magnetische velden, zoals die geproduceerd wanneer neuronen in de hersenen vuren. De goedkope en compacte sensoren zouden een alternatief kunnen bieden voor de magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)-systemen die momenteel worden gebruikt om hersenactiviteit in kaart te brengen zonder de dure koeling of elektromagnetische afscherming die MRI-machines nodig hebben.

"Een draagbare, goedkoop hersenbeeldvormingssysteem dat bij kamertemperatuur in niet-afgeschermde omgevingen kan werken, zou het mogelijk maken om de hersenactiviteit in realtime in kaart te brengen na mogelijke hersenschuddingen op het sportveld en in conflictgebieden waar het effect van explosieven op de hersenen catastrofaal kan zijn, " zei onderzoeker Babak Amirsolaimani van de Universiteit van Arizona, Tucson.

Zoals beschreven in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , de onderzoekers fabriceerden de magnetische sensoren met behulp van optische vezels en een nieuw ontwikkelde composiet van polymeer-nanodeeltjes die gevoelig is voor magnetische velden. De sensoren kunnen het magnetische veld van de hersenen detecteren, die 100 miljoen keer zwakker is dan het magnetische veld van de aarde.

De onderzoekers toonden ook aan dat de nieuwe sensor het zwakke magnetische patroon van een menselijke hartslag kan detecteren en de mogelijkheid heeft om magnetische fluctuaties te detecteren die elke microseconde veranderen vanaf een gebied zo klein als 100 vierkante micron.

"Het volledig optische ontwerp van de sensor betekent dat hij goedkoop kan worden gefabriceerd op een siliciumfotonica-chip, waardoor het mogelijk is een systeem te produceren dat bijna net zo klein is als de optische vezel van de sensor met een diameter van 10 micron, "Zei Amirsolaimani. "Meerdere sensoren kunnen dan samen worden gebruikt om hersenafbeeldingen met een hoge ruimtelijke resolutie te bieden."

De nieuwe sensoren kunnen wetenschappers helpen de activiteit van de hersenen en hersenziekten zoals dementie en Alzheimer beter te begrijpen. Ze kunnen ook nuttig zijn voor het meten van de magnetische velden die worden gebruikt om vulkaanuitbarstingen en aardbevingen te voorspellen, identificeren van olie en mineralen voor opgravingen en het opsporen van militaire onderzeeërs.

Optische detectie van magnetische velden

De optische methode voor het detecteren van zwakke magnetische velden maakt gebruik van het feit dat een magnetisch veld ervoor zorgt dat de polarisatie van licht roteert, waarbij de mate van rotatie afhankelijk is van het materiaal waar het licht doorheen gaat. De onderzoekers ontwikkelden een nieuw composietmateriaal gemaakt van nanodeeltjes gedispergeerd in een polymeer dat zorgt voor een waarneembare polarisatierotatie in licht wanneer er zeer zwakke magnetische velden aanwezig zijn.

Ze selecteerden nanodeeltjes op basis van magnetiet en kobalt omdat deze materialen een zeer hoge magnetische gevoeligheid hebben. Vervolgens hebben ze de grootte geoptimaliseerd, tussenruimte en coating van de nanodeeltjes om een ​​composietmateriaal te creëren dat extreem gevoelig is voor magnetische velden.

De onderzoekers detecteerden de polarisatierotatie met behulp van een optische interferometer. Dit werkt door laserlicht in twee paden te splitsen, waarvan de ene door het zeer gevoelige materiaal gaat en de andere niet. De polarisatie van elk lichtpad wordt gedetecteerd en vergeleken om fluctuaties in zeer kleine magnetische velden te meten.

Bij het detecteren van zwakke magnetische velden, ruis kan het gedetecteerde signaal gemakkelijk verdoezelen. Om deze reden, de onderzoekers gebruikten een interferometeropstelling die omgevingseffecten zoals trillingen en temperatuurschommelingen elimineert. Deze opstelling hield het geluidsniveau zeer dicht bij de theoretische limiet van het optische ontwerp, wat de sleutel was voor het detecteren van zeer zwakke magnetische velden.

De onderzoekers gebruikten de sensoren om het magnetische veld te meten dat wordt gecreëerd door elektrische impulsen die worden geproduceerd tijdens de menselijke hartslag. Ze waren in staat om een ​​helder magnetisch signaal met een hoog contrast te detecteren, het aantonen van het potentieel van de technologie als een eenvoudige vervanging voor elektrocardiografie, of ECG, tests die vaak worden uitgevoerd om hartproblemen op te sporen.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan om de stabiliteit van de sensoren op lange termijn te bestuderen en hoe goed ze bestand zijn tegen omgevingsveranderingen. Ze willen ook enkele honderden sensoren fabriceren om een ​​systeem te maken voor het evalueren en in beeld brengen van het hele magnetische veld van een menselijk brein.