Los científicos han desarrollado un sensor altamente sensible para detectar pequeños cambios en campos magnéticos fuertes. El sensor puede encontrar un uso generalizado en la medicina y otras áreas.

Investigadores del Instituto de Ingeniería Biomédica, que es operado conjuntamente por ETH Zurich y la Universidad de Zurich, han logrado medir pequeños cambios en campos magnéticos fuertes con una precisión sin precedentes. En sus experimentos, los científicos magnetizaron una gota de agua dentro de un escáner de resonancia magnética (MRI), un dispositivo que se utiliza para la obtención de imágenes médicas. Los investigadores pudieron detectar incluso las variaciones más pequeñas de la fuerza del campo magnético dentro de la gota. Estos cambios fueron hasta un billón de veces más pequeños que la intensidad de campo de siete teslas del escáner de resonancia magnética utilizado en el experimento.

"Hasta ahora, Solo era posible medir variaciones tan pequeñas en campos magnéticos débiles, "dice Klaas Prüssmann, Catedrático de Bioimagen en ETH Zurich y la Universidad de Zurich. Un ejemplo de campo magnético débil es el de la Tierra, donde la intensidad del campo es de unas pocas docenas de microteslas. Para campos de este tipo, Los métodos de medición altamente sensibles ya pueden detectar variaciones de aproximadamente una billonésima parte de la intensidad del campo, dice Prüssmann. "Ahora, tenemos un método igualmente sensible para campos fuertes de más de un tesla, como los que se utilizan, Entre otros, en imágenes médicas ".

Sensor de nuevo desarrollo

Los científicos basaron la técnica de detección en el principio de resonancia magnética nuclear, que también sirve como base para la formación de imágenes por resonancia magnética y los métodos espectroscópicos que utilizan los biólogos para dilucidar la estructura tridimensional de las moléculas.

Sin embargo, para medir las variaciones, los científicos tuvieron que construir un nuevo sensor de alta precisión, parte del cual es un receptor de radio digital de alta sensibilidad. "Esto nos permitió reducir el ruido de fondo a un nivel extremadamente bajo durante las mediciones, "dice Simon Gross. Gross escribió su tesis doctoral sobre este tema en el grupo de Prüssmann y es el autor principal del artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Eliminando la interferencia de la antena

En el caso de la resonancia magnética nuclear, Las ondas de radio se utilizan para excitar núcleos atómicos en un campo magnético. Esto hace que los núcleos emitan ondas de radio débiles propias, que se miden utilizando una antena de radio; su frecuencia exacta indica la fuerza del campo magnético.

Como enfatizan los científicos, Fue un desafío construir el sensor de tal manera que la antena de radio no distorsionara las mediciones. Los científicos deben colocarlo en las inmediaciones de la gota de agua, pero como está hecho de cobre se magnetiza en el fuerte campo magnético, provocando un cambio en el campo magnético dentro de la gota.

Por lo tanto, a los investigadores se les ocurrió un truco:arrojaron la gota y la antena en un polímero especialmente preparado; su magnetizabilidad (susceptibilidad magnética) coincidía exactamente con la de la antena de cobre. De este modo, los científicos pudieron eliminar la influencia perjudicial de la antena en la muestra de agua.

Se esperan amplias aplicaciones

Esta técnica de medición de cambios muy pequeños en los campos magnéticos permite a los científicos investigar ahora las causas de dichos cambios. Esperan que su técnica encuentre uso en diversas áreas de la ciencia, algunos de ellos en el campo de la medicina, aunque la mayoría de estas aplicaciones están todavía en pañales.

"En un escáner de resonancia magnética, las moléculas en el tejido corporal reciben una magnetización mínima, en particular, las moléculas de agua que también están presentes en la sangre, "explica el estudiante de doctorado Gross." El nuevo sensor es tan sensible que podemos usarlo para medir procesos mecánicos en el cuerpo; por ejemplo, la contracción del corazón con los latidos del corazón ".

Los científicos llevaron a cabo un experimento en el que colocaron su sensor frente al pecho de un sujeto de prueba voluntario dentro de un escáner de resonancia magnética. Pudieron detectar cambios periódicos en el campo magnético, que pulsaba al compás del latido del corazón. La curva de medición recuerda a un electrocardiograma (ECG), pero a diferencia de este último mide un proceso mecánico (la contracción del corazón) más que la conducción eléctrica. "Estamos en el proceso de analizar y perfeccionar nuestra técnica de medición del magnetómetro en colaboración con cardiólogos y expertos en procesamiento de señales, "dice Prüssmann." En última instancia, Esperamos que nuestro sensor pueda proporcionar información sobre enfermedades cardíacas, y hacerlo de forma no invasiva y en tiempo real ".

Desarrollo de mejores agentes de contraste

La nueva técnica de medición también podría utilizarse en el desarrollo de nuevos agentes de contraste para la resonancia magnética:en la resonancia magnética, el contraste de la imagen se basa en gran medida en la rapidez con que un espín nuclear magnetizado vuelve a su estado de equilibrio. Los expertos llaman relajación a este proceso. Los agentes de contraste influyen en las características de relajación de los espines nucleares incluso a bajas concentraciones y se utilizan para resaltar ciertas estructuras del cuerpo.

En fuertes campos magnéticos, Los problemas de sensibilidad habían restringido previamente a los científicos a medir solo dos de los tres componentes espaciales del espín nuclear y su relajación. Tuvieron que depender de una medición indirecta de la relajación en la importante tercera dimensión. Por primera vez, la nueva técnica de medición de alta precisión permite la medición directa de las tres dimensiones del espín nuclear en campos magnéticos intensos.

La medición directa de los tres componentes del espín nuclear también allana el camino para futuros desarrollos en espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) para aplicaciones en investigación biológica y química.