«До сих пор можно было измерить только такие небольшие вариации слабых магнитных полей», — говорит Клаас Пруссманн, профессор биовизуализации в ETH Zurich и Цюрихском университете. Пример слабого магнитного поля — это Земля, где напряженность поля составляет всего несколько десятков микротесла. По словам Пруссманна, для полей такого типа высокочувствительные методы измерения уже способны обнаруживать изменения примерно в триллионную часть напряженности поля. «Теперь у нас есть такой же чувствительный метод для сильных полей более чем в 1 тесла, который используется, в частности, в медицинской визуализации».
Недавно разработанный датчикУченые основали метод зондирования на принципе ядерного магнитного резонанса, который также служит основой для магнитно-резонансной томографии и спектроскопических методов, которые биологи используют для выяснения трехмерной структуры молекул.Однако для измерения вариаций ученым пришлось создать новый высокоточный датчик, частью которого является высокочувствительный цифровой радиоприемник. «Это позволило нам снизить фоновый шум до чрезвычайно низкого уровня во время измерений», — говорит Саймон Гросс.
Гросс написал докторскую диссертацию по этой теме в группе Пруссманна и является ведущим автором статьи, опубликованной в журнале Nature Communications.Устранение антенных помехВ случае ядерного магнитного резонанса радиоволны используются для возбуждения ядер атомов в магнитном поле. Это заставляет ядра излучать собственные слабые радиоволны, которые измеряются с помощью радиоантенны; их точная частота указывает на силу магнитного поля.
Как подчеркивают ученые, было непросто сконструировать датчик таким образом, чтобы радиоантенна не искажала измерения. Ученые должны расположить его в непосредственной близости от капли воды, но, поскольку он сделан из меди, он намагничивается в сильном магнитном поле, вызывая изменение магнитного поля внутри капли.
Поэтому исследователи придумали трюк: они отлили каплю и антенну в специально подготовленном полимере; его намагничиваемость (магнитная восприимчивость) точно соответствовала медной антенне. Таким образом, ученым удалось исключить пагубное влияние антенны на образец воды.Ожидается широкое применение
Этот метод измерения очень малых изменений магнитных полей позволяет ученым теперь изучить причины таких изменений. Они ожидают, что их методика найдет применение в различных областях науки, некоторые из них — в области медицины, хотя большинство этих приложений все еще находятся в зачаточном состоянии.«В сканере МРТ молекулы тканей тела получают минимальную намагниченность — в частности, молекулы воды, которые также присутствуют в крови», — объясняет докторант Гросс. «Новый датчик настолько чувствителен, что мы можем использовать его для измерения механических процессов в организме, например, сокращения сердца при биении».
Ученые провели эксперимент, в котором они разместили свой датчик перед грудью добровольца подопытного внутри сканера МРТ. Им удалось обнаружить периодические изменения магнитного поля, которое пульсировало вместе с сердцебиением.
Кривая измерения напоминает электрокардиограмму (ЭКГ), но в отличие от последней измеряет механический процесс (сокращение сердца), а не электрическую проводимость. «Мы находимся в процессе анализа и совершенствования нашей техники измерения магнитометра в сотрудничестве с кардиологами и экспертами по обработке сигналов», — говорит Пруссманн. «В конечном итоге мы надеемся, что наш датчик сможет предоставлять информацию о сердечных заболеваниях — и делать это неинвазивно и в режиме реального времени».Разработка лучших контрастных веществ
Новый метод измерения также может быть использован при разработке новых контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии: в МРТ контраст изображения в значительной степени зависит от того, насколько быстро намагниченный ядерный спин возвращается в свое равновесное состояние. Специалисты называют этот процесс релаксацией.
Контрастные вещества влияют на релаксационные характеристики ядерных спинов даже при низких концентрациях и используются для выделения определенных структур в теле.В сильных магнитных полях проблемы чувствительности ранее ограничивали ученых измерением только двух из трех пространственных компонент ядерного спина и их релаксации.
Им пришлось полагаться на косвенное измерение релаксации в важном третьем измерении. Впервые новый высокоточный метод измерения позволяет напрямую измерять все три измерения ядерного спина в сильных магнитных полях.
Прямое измерение всех трех компонент ядерного спина также открывает путь для будущих разработок в области спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для приложений в биологических и химических исследованиях.