Gli scienziati hanno sviluppato un sensore altamente sensibile per rilevare piccoli cambiamenti in forti campi magnetici. Il sensore può trovare un uso diffuso in medicina e in altri settori.

Ricercatori dell'Istituto di Ingegneria Biomedica, che è gestito congiuntamente dall'ETH di Zurigo e dall'Università di Zurigo, sono riusciti a misurare piccoli cambiamenti in forti campi magnetici con una precisione senza precedenti. Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno magnetizzato una goccia d'acqua all'interno di uno scanner per risonanza magnetica (MRI), un dispositivo utilizzato per l'imaging medico. I ricercatori sono stati in grado di rilevare anche le più piccole variazioni dell'intensità del campo magnetico all'interno della gocciolina. Questi cambiamenti erano fino a un trilione di volte inferiori all'intensità del campo di sette tesla dello scanner MRI utilizzato nell'esperimento.

"Fino ad ora, era possibile solo misurare variazioni così piccole in campi magnetici deboli, "dice Klaas Prüssmann, Professore di Bioimaging all'ETH di Zurigo e all'Università di Zurigo. Un esempio di campo magnetico debole è quello della Terra, dove l'intensità del campo è di poche decine di microtesla. Per campi di questo tipo, metodi di misurazione altamente sensibili sono già in grado di rilevare variazioni di circa un trilionesimo dell'intensità di campo, dice Prussmann. "Ora, abbiamo un metodo altrettanto sensibile per campi forti di più di un tesla, come quelli usati, tra l'altro, nella diagnostica per immagini".

Sensore di nuova concezione

Gli scienziati hanno basato la tecnica di rilevamento sul principio della risonanza magnetica nucleare, che serve anche come base per la risonanza magnetica e i metodi spettroscopici che i biologi usano per chiarire la struttura 3D delle molecole.

Però, misurare le variazioni, gli scienziati hanno dovuto costruire un nuovo sensore ad alta precisione, parte della quale è un ricevitore radio digitale altamente sensibile. "Questo ci ha permesso di ridurre il rumore di fondo a un livello estremamente basso durante le misurazioni, " dice Simon Gross. Gross ha scritto la sua tesi di dottorato su questo argomento nel gruppo di Prüssmann ed è l'autore principale del documento pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Eliminazione delle interferenze dell'antenna

Nel caso della risonanza magnetica nucleare, le onde radio vengono utilizzate per eccitare i nuclei atomici in un campo magnetico. Ciò fa sì che i nuclei emettano deboli onde radio proprie, che vengono misurati utilizzando un'antenna radio; la loro frequenza esatta indica l'intensità del campo magnetico.

Come sottolineano gli scienziati, è stata una sfida costruire il sensore in modo tale che l'antenna radio non distorcesse le misurazioni. Gli scienziati devono posizionarlo nelle immediate vicinanze della goccia d'acqua, ma poiché è fatto di rame si magnetizza nel forte campo magnetico, provocando un cambiamento nel campo magnetico all'interno della gocciolina.

I ricercatori hanno quindi escogitato un trucco:hanno lanciato la gocciolina e l'antenna in un polimero appositamente preparato; la sua magnetizzabilità (suscettibilità magnetica) corrispondeva esattamente a quella dell'antenna in rame. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di eliminare l'influenza dannosa dell'antenna sul campione d'acqua.

Ampie applicazioni previste

Questa tecnica di misurazione per cambiamenti molto piccoli nei campi magnetici consente ora agli scienziati di esaminare le cause di tali cambiamenti. Si aspettano che la loro tecnica trovi impiego in varie aree della scienza, alcuni di loro nel campo della medicina, sebbene la maggior parte di queste applicazioni sia ancora agli inizi.

"In uno scanner MRI, le molecole nel tessuto corporeo ricevono una magnetizzazione minima - in particolare, le molecole d'acqua che sono presenti anche nel sangue, " spiega il dottorando Gross. "Il nuovo sensore è così sensibile che possiamo usarlo per misurare i processi meccanici nel corpo; Per esempio, la contrazione del cuore con il battito cardiaco."

Gli scienziati hanno effettuato un esperimento in cui hanno posizionato il loro sensore davanti al torace di un soggetto di test volontario all'interno di uno scanner MRI. Sono stati in grado di rilevare cambiamenti periodici nel campo magnetico, che pulsava a tempo con il battito del cuore. La curva di misurazione ricorda un elettrocardiogramma (ECG), ma a differenza di quest'ultimo misura un processo meccanico (la contrazione del cuore) piuttosto che la conduzione elettrica. "Stiamo analizzando e perfezionando la nostra tecnica di misurazione del magnetometro in collaborazione con cardiologi ed esperti di elaborazione del segnale, " dice Prüssmann. "In definitiva, speriamo che il nostro sensore sia in grado di fornire informazioni sulle malattie cardiache e lo faccia in modo non invasivo e in tempo reale".

Sviluppo di mezzi di contrasto migliori

La nuova tecnica di misurazione potrebbe essere utilizzata anche nello sviluppo di nuovi mezzi di contrasto per la risonanza magnetica:in MRI, il contrasto dell'immagine si basa in gran parte sulla velocità con cui uno spin nucleare magnetizzato ritorna al suo stato di equilibrio. Gli esperti chiamano questo processo rilassamento. Gli agenti di contrasto influenzano le caratteristiche di rilassamento degli spin nucleari anche a basse concentrazioni e vengono utilizzati per evidenziare alcune strutture del corpo.

In forti campi magnetici, problemi di sensibilità avevano precedentemente limitato gli scienziati alla misurazione di solo due dei tre componenti di spin nucleare spaziale e al loro rilassamento. Dovevano fare affidamento su una misurazione indiretta del rilassamento nell'importante terza dimensione. Per la prima volta, la nuova tecnica di misurazione ad alta precisione consente la misurazione diretta di tutte e tre le dimensioni dello spin nucleare in forti campi magnetici.

La misurazione diretta di tutti e tre i componenti dello spin nucleare apre anche la strada a futuri sviluppi nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) per applicazioni nella ricerca biologica e chimica.