Misura del campo magnetico ad alta precisione
Gli scienziati hanno sviluppato un sensore altamente sensibile per rilevare i più piccoli cambiamenti in forti campi magnetici. Potrebbe essere ampiamente utilizzato in medicina e altrove.
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Ricercatori dell'Istituto di ingegneria biomedica dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo sono riusciti a misurare minime variazioni in forti campi magnetici con una precisione senza precedenti. Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno magnetizzato una goccia d'acqua in uno scanner a risonanza magnetica (MRI), utilizzato per le immagini mediche. I ricercatori sono stati in grado di rilevare fluttuazioni minime nell'intensità del campo magnetico nella gocciolina. Queste variazioni sono state fino a un trilionesimo di volte più piccole dell'intensità di campo del dispositivo di risonanza magnetica utilizzato, che era di sette Tesla.
"Finora queste piccole deviazioni potevano essere misurate solo in campi magnetici deboli", spiega Klaas Prüssmann, professore di Imaging biologico all'ETH di Zurigo e all'Università di Zurigo. Il campo magnetico terrestre, con le sue poche decine di microtesla, è un campo magnetico debole. Esistono già metodi di misurazione molto sensibili per tali campi, in grado di riconoscere deviazioni di circa un trilionesimo del campo, spiega Prüssmann. "Ora disponiamo di un metodo altrettanto sensibile per i campi forti, superiori a un tesla, come quelli utilizzati nell'imaging medico".
Sensore di nuova concezione
Per la misurazione gli scienziati hanno utilizzato il principio della risonanza magnetica nucleare. Questo principio è anche alla base della risonanza magnetica e dei metodi di spettroscopia utilizzati dai biologi per chiarire la struttura 3D delle molecole.
Per misurare le deviazioni, tuttavia, gli scienziati hanno dovuto costruire un nuovo sensore ad alta precisione. Parte di questo è un ricevitore radio digitale molto sensibile. "Questo ci ha permesso di ridurre il rumore di fondo a un livello estremamente basso durante la misurazione", spiega Simon Gross. Ha scritto la sua tesi di dottorato sull'argomento nel gruppo di Prüssmann ed è il primo autore dell'articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications.
Interferenza da antenna spenta
Nella risonanza magnetica nucleare, i nuclei atomici in un campo magnetico vengono eccitati con onde radio. Questi nuclei stessi emettono deboli onde radio, che vengono misurate con un'antenna radio e la cui frequenza esatta fornisce un'indicazione dell'intensità del campo magnetico.
Come sottolineano gli scienziati, è stata una sfida costruire il sensore in modo che l'antenna radio non distorca le misurazioni. Questo perché l'antenna è fatta di rame e gli scienziati devono posizionarla nelle immediate vicinanze della goccia d'acqua da misurare. L'antenna viene inoltre magnetizzata dal forte campo magnetico. Questo modifica anche il campo magnetico all'interno della goccia.
I ricercatori hanno quindi utilizzato un trucco: hanno modellato le gocce e l'antenna in un polimero appositamente preparato. La sua magnetizzabilità (suscettibilità magnetica) corrispondeva esattamente a quella dell'antenna di rame. In questo modo, gli scienziati sono riusciti a eliminare l'influenza dirompente dell'antenna sul campione d'acqua.
Si prevede un'ampia applicazione
Con il loro metodo di misurazione di piccolissime variazioni di campo magnetico, i ricercatori possono ora indagare anche sulle cause di tali variazioni. Gli scienziati prevedono applicazioni della loro tecnologia in vari campi della scienza, alcuni dei quali in medicina. Tuttavia, la maggior parte di queste applicazioni è ancora agli inizi.
"In una macchina per la risonanza magnetica, le molecole del tessuto corporeo sono minimamente magnetizzate, soprattutto le molecole d'acqua presenti anche nel sangue", spiega il dottorando Gross. "Il nuovo sensore è così sensibile che possiamo usarlo per misurare i processi meccanici nel corpo, come le contrazioni periodiche del cuore causate dal battito cardiaco".
![Simon Gross](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/12/hochpraezise-magnetfeld-messung/_jcr_content/news_content/textimage_639904592/image.imageformat.text50percent.486345197.jpg)
In un esperimento, gli scienziati hanno posizionato il loro sensore davanti al torace di un soggetto volontario in una macchina per la risonanza magnetica. Questo ha permesso di rilevare cambiamenti periodici nel campo magnetico che pulsavano in sincronia con il battito cardiaco. La curva di misurazione ricorda quella di un elettrocardiogramma (ECG), ma a differenza di quest'ultimo misura i processi meccanici (contrazione del cuore) piuttosto che la conduzione elettrica. "Attualmente stiamo analizzando e sviluppando ulteriormente la nostra misurazione magnetometrica insieme a cardiologi ed esperti di elaborazione del segnale", afferma Prüssmann. "In definitiva, speriamo che il nostro sensore sia in grado di fornire informazioni sulle malattie del cuore, in modo non invasivo e in tempo reale".
Verso lo sviluppo di agenti di contrasto migliori
La nuova tecnica di misurazione potrebbe essere utilizzata anche per lo sviluppo di nuovi agenti di contrasto per la risonanza magnetica: Il contrasto dell'immagine nella risonanza magnetica si basa in gran parte sulla velocità con cui uno spin nucleare magnetizzato ritorna al suo stato di equilibrio. Gli esperti chiamano questo fenomeno "rilassamento". Gli agenti di contrasto, che influenzano le proprietà di rilassamento degli spin nucleari anche a basse concentrazioni, vengono utilizzati nel tentativo di enfatizzare determinate strutture del corpo.
Per motivi di sensibilità, finora gli scienziati hanno potuto misurare solo due delle tre componenti spaziali dello spin nucleare e il loro rilassamento in forti campi magnetici. Hanno dovuto determinare indirettamente il rilassamento particolarmente importante nella terza dimensione. La nuova tecnologia di misurazione precisa consente per la prima volta di misurare direttamente tutte e tre le dimensioni degli spin nucleari in forti campi magnetici.
Grazie alla misurazione diretta di tutte e tre le componenti dello spin nucleare, in futuro saranno possibili ulteriori sviluppi nella spettroscopia di risonanza magnetica nucleare per la biologia e la chimica.
Riferimento alla letteratura
Gross S, Barmet C, Dietrich BE, Brunner DO, Schmid T, Prüssmann KP: Rilevamento dinamico del campo di risonanza magnetica nucleare con risoluzione di una parte per trilione. Nature Communications, pubblicato online il 2 dicembre 2016, doi: pagina esterna10.1038/NCOMMS13702