Les scientifiques ont développé un capteur très sensible pour détecter de minuscules changements dans les champs magnétiques puissants. Le capteur peut être largement utilisé en médecine et dans d'autres domaines.

Chercheurs de l'Institut de génie biomédical, qui est exploité conjointement par l'ETH Zurich et l'Université de Zurich, ont réussi à mesurer de minuscules changements dans des champs magnétiques puissants avec une précision sans précédent. Dans leurs expériences, les scientifiques ont magnétisé une goutte d'eau à l'intérieur d'un scanner d'imagerie par résonance magnétique (IRM), un appareil utilisé pour l'imagerie médicale. Les chercheurs ont pu détecter même les plus petites variations de l'intensité du champ magnétique dans la gouttelette. Ces changements étaient jusqu'à un billion de fois inférieurs à l'intensité de champ de sept teslas du scanner IRM utilisé dans l'expérience.

"Jusqu'à maintenant, il n'était possible de mesurer que de si petites variations de champs magnétiques faibles, " dit Klaas Prüssmann, Professeur de bio-imagerie à l'ETH Zurich et à l'Université de Zurich. Un exemple de champ magnétique faible est celui de la Terre, où l'intensité du champ n'est que de quelques dizaines de microteslas. Pour les champs de ce genre, des méthodes de mesure très sensibles sont déjà capables de détecter des variations de l'ordre d'un trillionième de l'intensité du champ, dit Prüssmann. "Maintenant, nous avons une méthode de sensibilité similaire pour les champs forts de plus d'un tesla, tels que ceux utilisés, entre autres, en imagerie médicale."

Capteur nouvellement développé

Les scientifiques ont basé la technique de détection sur le principe de la résonance magnétique nucléaire, qui sert également de base à l'imagerie par résonance magnétique et aux méthodes spectroscopiques que les biologistes utilisent pour élucider la structure 3D des molécules.

Cependant, mesurer les variations, les scientifiques ont dû construire un nouveau capteur de haute précision, dont une partie est un récepteur radio numérique très sensible. « Cela nous a permis de réduire le bruit de fond à un niveau extrêmement bas pendant les mesures, " dit Simon Gross. Gross a écrit sa thèse de doctorat sur ce sujet dans le groupe de Prüssmann et est l'auteur principal de l'article publié dans la revue Communication Nature .

Éliminer les interférences d'antenne

Dans le cas de la résonance magnétique nucléaire, les ondes radio sont utilisées pour exciter les noyaux atomiques dans un champ magnétique. Cela amène les noyaux à émettre leurs propres ondes radio faibles, qui sont mesurés à l'aide d'une antenne radio; leur fréquence exacte indique la force du champ magnétique.

Comme le soulignent les scientifiques, c'était un défi de construire le capteur de telle manière que l'antenne radio ne fausse pas les mesures. Les scientifiques doivent le positionner à proximité immédiate de la goutte d'eau, mais comme il est fait de cuivre, il devient magnétisé dans le champ magnétique fort, provoquant une modification du champ magnétique à l'intérieur de la gouttelette.

Les chercheurs ont donc trouvé une astuce :ils ont coulé la gouttelette et l'antenne dans un polymère spécialement préparé; sa magnétisabilité (susceptibilité magnétique) correspondait exactement à celle de l'antenne en cuivre. De cette façon, les scientifiques ont pu éliminer l'influence néfaste de l'antenne sur l'échantillon d'eau.

Larges applications attendues

Cette technique de mesure de très faibles variations de champs magnétiques permet désormais aux scientifiques de se pencher sur les causes de telles variations. Ils s'attendent à ce que leur technique trouve une utilisation dans divers domaines de la science, certains d'entre eux dans le domaine de la médecine, bien que la majorité de ces applications en soient encore à leurs balbutiements.

"Dans un scanner IRM, les molécules dans les tissus corporels reçoivent une magnétisation minimale - en particulier, les molécules d'eau qui sont également présentes dans le sang, " explique le doctorant Gross. " Le nouveau capteur est si sensible que nous pouvons l'utiliser pour mesurer les processus mécaniques dans le corps; par exemple, la contraction du cœur avec les battements du cœur."

Les scientifiques ont réalisé une expérience dans laquelle ils ont positionné leur capteur devant la poitrine d'un sujet de test volontaire à l'intérieur d'un scanner IRM. Ils ont pu détecter des changements périodiques dans le champ magnétique, qui pulsait au rythme du rythme cardiaque. La courbe de mesure rappelle celle d'un électrocardiogramme (ECG), mais contrairement à ce dernier mesure un processus mécanique (la contraction du cœur) plutôt qu'une conduction électrique. "Nous sommes en train d'analyser et d'affiner notre technique de mesure magnétométrique en collaboration avec des cardiologues et des experts en traitement du signal, " dit Prüssmann. " En fin de compte, nous espérons que notre capteur sera en mesure de fournir des informations sur les maladies cardiaques - et ce de manière non invasive et en temps réel."

Développement de meilleurs agents de contraste

La nouvelle technique de mesure pourrait également être utilisée dans le développement de nouveaux agents de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique :en IRM, le contraste de l'image est basé en grande partie sur la rapidité avec laquelle un spin nucléaire magnétisé revient à son état d'équilibre. Les experts appellent ce processus la relaxation. Les agents de contraste influencent les caractéristiques de relaxation des spins nucléaires même à de faibles concentrations et sont utilisés pour mettre en évidence certaines structures du corps.

Dans les champs magnétiques puissants, les problèmes de sensibilité avaient auparavant limité les scientifiques à la mesure de seulement deux des trois composantes spatiales du spin nucléaire et de leur relaxation. Ils devaient s'appuyer sur une mesure indirecte de la relaxation dans la troisième dimension importante. Pour la première fois, la nouvelle technique de mesure de haute précision permet la mesure directe des trois dimensions du spin nucléaire dans des champs magnétiques puissants.

La mesure directe des trois composantes du spin nucléaire ouvre également la voie aux futurs développements de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour des applications en recherche biologique et chimique.