Hochpräzise Magnetfeldmessung

Wissenschaftler haben einen hochempfindlichen Sensor entwickelt, um kleinste Veränderungen von starken Magnetfeldern zu erfassen. Er könnte in der Medizin und anderswo breite Anwendung finden.

Forschenden des Instituts für Biomedizinische Technik der ETH Zürich und der Universität Zürich ist es gelungen, kleinste Änderungen von starken Magnetfeldern mit noch nie dagewesener Präzision zu messen. In ihren Experimenten magnetisierten die Wissenschaftler ein Wassertröpfchen in einem Kernspintomografen (MRI), wie er für die medizinische Bildgebung verwendet wird. Im Tröpfchen konnten die Forscher minimste Schwankungen der Magnetfeldstärke nachweisen. Diese Änderungen waren bis zu einem Billionstel Mal geringer als die Feldstärke des verwendeten MRI-Geräts, die sieben Tesla betrug.

Nach Klaas Prüssmann, Professor für biologische Bildgebung an der ETH Zürich und der Universität Zürich, konnte man solche geringen Abweichungen bisher nur in schwachen Magnetfeldern messen.  Das Erdmagnetfeld mit seinen wenigen Dutzend Mikrotesla ist so ein schwaches Magnetfeld. Für solche Felder gibt es bereits sehr empfindliche Messmethoden, welche Abweichungen von rund einem Billionstel Teil des Feldes erkennen könnten. Jetzt haben die ETH-Forscher für starke Felder von mehr als einem Tesla, wie sie unter anderem in der medizinischen Bildgebung verwendet werden, eine ähnlich sensitive Methode.

Neuentwickelter Sensor

Für die Messung verwendeten die Wissenschaftler das Prinzip der Kernspinresonanz. Diese liegt auch der bildgebenden Magnetresonanztomografie zugrunde sowie den Spektroskopiemethoden, mit denen Biologen die 3D-Struktur von Molekülen aufklären.

Um die Abweichungen zu messen, mussten die Wissenschaftler allerdings einen neuen, hochpräzisen Sensor bauen. Teil davon ist ein sehr empfindlicher digitaler Radioempfänger. Damit konnte bei der Messung das Hintergrundrauschen auf ein extrem geringes Maß reduziert werden.

Störung durch Antenne ausgeschaltet

Bei der Kernspinresonanz werden in einem Magnetfeld liegende Atomkerne mit Radiowellen angeregt. Diese senden dadurch selbst schwache Radiowellen aus, die mit einer Radioantenne gemessen werden und deren exakte Frequenz Hinweise auf die Stärke des Magnetfelds geben.

Eine Herausforderung war es, den Sensor so zu bauen, dass die Radioantenne die Messungen nicht verfälscht. Denn die Antenne ist aus Kupfer, und die Wissenschaftler müssen sie in unmittelbarer Nähe des zu messenden Wassertröpfchens platzieren. Im starken Magnetfeld wird die Antenne ebenfalls magnetisiert. Dadurch verändert sich auch das Magnetfeld im Innern des Tröpfchens.

Die Forschenden verwendeten daher einen Trick: Sie gossen Tröpfchen und Antenne in ein speziell präpariertes Polymer. Dessen Magnetisierbarkeit (magnetische Suszeptibilität) entsprach exakt jener der Kupferantenne. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den störenden Einfluss der Antenne auf die Wasserprobe ausschalten.

Breite Anwendung erwartet

Mit ihrer Messmethode für sehr kleine Magnetfeldänderungen können die Forscher nun auch den Ursachen solcher Änderungen nachgehen. Die Wissenschaftler erwarten Anwendungen ihrer Technik in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, einige davon in der Medizin. Allerdings stecken diese Anwendungen größtenteils noch in den Kinderschuhen.

In einem MRI-Gerät werden die Moleküle im Körpergewebe minimal magnetisiert – insbesondere die Wassermoleküle, die auch im Blut vorhanden sind. Der neue Sensor ist so empfindlich, dass man damit mechanische Vorgänge im Körper messen kann, etwa die periodischen Kontraktionen des Herzens durch den Herzschlag. 

ETH-Doktorand Simon Gross mit dem neu entwickelten Sensor. (Bild: ETH Zürich / Peter Rüegg)

In einem Experiment platzierten die Wissenschaftler ihren Sensor einer freiwilligen Versuchsperson im einem MRI-Gerät vor der Brust. So konnten sie periodische Magnetfeldänderungen nachweisen, die im Gleichtakt mit dem Herzschlag pulsierten. Die Messkurve erinnert an ein Elektrokardiogramm (EKG), misst aber im Gegensatz zu letzterem nicht die elektrische Reizleitung, sondern mechanische Prozesse (die Herzkontraktion). Prüssmann und sein Team sind daran, die Magnetometer-Messung gemeinsam mit Kardiologen und Signalverarbeitungsexperten auszuwerten und weiterzuentwickeln.

Zur Entwicklung besserer Kontrastmittel

Auch bei der Entwicklung neuer Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie könnte die neue Messtechnik zur Anwendung kommen: Der Bildkontrast beim MRI beruht zu einem grossen Teil darauf, wie schnell ein magnetisierter Kernspin in seinen Gleichgewichtszustand zurückfällt. Fachleute sprechen dabei von Relaxation. Mit Kontrastmitteln, welche bereits in geringen Konzentrationen die Relaxationseigenschaften der Kernspins beeinflussen, versucht man, bestimmte Strukturen im Körper hervorzuheben.

In starken Magnetfeldern konnten Wissenschaftler bisher aus Gründen der Empfindlichkeit nur zwei der drei räumlichen Kernspin-Komponenten und deren Relaxation messen. Die besonders bedeutende Relaxation in der dritten Dimension mussten sie indirekt bestimmen. Die neue präzise Messtechnik erlaubt es erstmals in starken Magnetfeldern, alle drei Dimensionen der Kernspins direkt zu messen.

Dank der direkten Messung aller drei Kernspin-Komponenten wären in Zukunft auch Weiterentwicklungen bei der Kernspinresonanz-Spektroskopie für die Biologie und die Chemie denkbar.

Literaturhinweis: Gross S, Barmet C, Dietrich BE, Brunner DO, Schmid T, Prüssmann KP: Dynamic nuclear magnetic resonance field sensing with part-per-trillion resolution. Nature Communications, published online 2. Dezember 2016, doi: 10.1038/NCOMMS13702

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