Os cientistas desenvolveram um sensor altamente sensível para detectar pequenas alterações em campos magnéticos fortes. O sensor pode ser amplamente utilizado na medicina e em outras áreas.

Pesquisadores do Instituto de Engenharia Biomédica, que é operado em conjunto pela ETH Zurich e a Universidade de Zurique, conseguiram medir pequenas mudanças em fortes campos magnéticos com precisão sem precedentes. Em seus experimentos, os cientistas magnetizaram uma gota de água dentro de um scanner de ressonância magnética (MRI), um dispositivo que é usado para imagens médicas. Os pesquisadores foram capazes de detectar até as menores variações da força do campo magnético dentro da gota. Essas mudanças foram até um trilhão de vezes menores do que a força de campo de sete tesla do scanner de ressonância magnética usado no experimento.

"Até agora, só era possível medir essas pequenas variações em campos magnéticos fracos, "diz Klaas Prüssmann, Professor de Bioimagem na ETH Zurich e na Universidade de Zurique. Um exemplo de campo magnético fraco é o da Terra, onde a intensidade do campo é apenas algumas dezenas de microtesla. Para campos deste tipo, métodos de medição altamente sensíveis já são capazes de detectar variações de cerca de um trilionésimo da intensidade do campo, diz Prüssmann. "Agora, temos um método similarmente sensível para campos fortes de mais de um tesla, como aqueles usados, inter alia, em imagens médicas. "

Sensor recentemente desenvolvido

Os cientistas basearam a técnica de detecção no princípio da ressonância magnética nuclear, que também serve como base para imagens de ressonância magnética e os métodos espectroscópicos que os biólogos usam para elucidar a estrutura 3D das moléculas.

Contudo, para medir as variações, os cientistas tiveram que construir um novo sensor de alta precisão, parte do qual é um receptor de rádio digital altamente sensível. "Isso nos permitiu reduzir o ruído de fundo a um nível extremamente baixo durante as medições, "diz Simon Gross. Gross escreveu sua tese de doutorado sobre este assunto no grupo de Prüssmann e é o autor principal do artigo publicado na revista Nature Communications .

Eliminando a interferência da antena

No caso de ressonância magnética nuclear, ondas de rádio são usadas para excitar núcleos atômicos em um campo magnético. Isso faz com que os núcleos emitam suas próprias ondas de rádio fracas, que são medidos usando uma antena de rádio; sua freqüência exata indica a força do campo magnético.

Como os cientistas enfatizam, Foi um desafio construir o sensor de forma que a antena do rádio não distorcesse as medidas. Os cientistas têm que posicioná-lo nas imediações da gota de água, mas como é feito de cobre, torna-se magnetizado no forte campo magnético, causando uma mudança no campo magnético dentro da gota.

Os pesquisadores, portanto, descobriram um truque:eles lançaram a gota e a antena em um polímero especialmente preparado; sua magnetização (suscetibilidade magnética) correspondia exatamente à da antena de cobre. Desta maneira, os cientistas conseguiram eliminar a influência prejudicial da antena na amostra de água.

Espera-se aplicações amplas

Esta técnica de medição para mudanças muito pequenas em campos magnéticos permite que os cientistas agora investiguem as causas de tais mudanças. Eles esperam que sua técnica encontre uso em várias áreas da ciência, alguns deles no campo da medicina, embora a maioria dessas aplicações ainda esteja na infância.

"Em um scanner de ressonância magnética, as moléculas no tecido corporal recebem magnetização mínima - em particular, as moléculas de água que também estão presentes no sangue, "explica o doutorando Gross." O novo sensor é tão sensível que podemos usá-lo para medir processos mecânicos no corpo; por exemplo, a contração do coração com os batimentos cardíacos. "

Os cientistas realizaram um experimento no qual posicionaram seu sensor na frente do tórax de um sujeito de teste voluntário dentro de um scanner de ressonância magnética. Eles foram capazes de detectar mudanças periódicas no campo magnético, que pulsava no mesmo ritmo dos batimentos cardíacos. A curva de medição é uma reminiscência de um eletrocardiograma (ECG), mas, ao contrário do último, mede um processo mecânico (a contração do coração) em vez de condução elétrica. "Estamos analisando e refinando nossa técnica de medição de magnetômetro em colaboração com cardiologistas e especialistas em processamento de sinais, "diz Prüssmann." Em última análise, Esperamos que nosso sensor seja capaz de fornecer informações sobre doenças cardíacas - de forma não invasiva e em tempo real. "

Desenvolvimento de melhores agentes de contraste

A nova técnica de medição também pode ser usada no desenvolvimento de novos agentes de contraste para a ressonância magnética:na ressonância magnética, o contraste da imagem é amplamente baseado na rapidez com que um spin nuclear magnetizado reverte ao seu estado de equilíbrio. Os especialistas chamam esse processo de relaxamento. Os agentes de contraste influenciam as características de relaxamento dos spins nucleares mesmo em baixas concentrações e são usados ​​para destacar certas estruturas do corpo.

Em campos magnéticos fortes, problemas de sensibilidade restringiam anteriormente os cientistas à medição de apenas dois dos três componentes de spin nuclear espaciais e seu relaxamento. Eles tiveram que confiar em uma medida indireta de relaxamento na importante terceira dimensão. Pela primeira vez, a nova técnica de medição de alta precisão permite a medição direta de todas as três dimensões do spin nuclear em campos magnéticos fortes.

A medição direta de todos os três componentes de spin nuclear também abre caminho para futuros desenvolvimentos em espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) para aplicações em pesquisas biológicas e químicas.