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Mini-Sensor misst Magnetfelder des Gehirns

Besonders interessant für:
  • Neurologen
  • Anwender therapeutischer magnetischer Nanopartikel

Die winzigen Magnetfelder des menschlichen Gehirns stellen höchste Anforderungen an die Messtechnik. Deshalb wurden für ihre Messung bisher ausschließlich die (auch an der PTB mitentwickelten) SQUIDs verwendet. Ein am amerikanischen NIST entwickelter Sensor von der Größe eines Würfelzuckers kommt ohne Supraleitung aus und kann dennoch winzige Magnetfelder messen. Mit einem erfolgreichen Test in den weltweit einzigartigen Messeinrichtungen der PTB wurde jetzt die Praxistauglichkeit des neuen Sensortyps bewiesen.

Vier im Bereich der motorischen und sensorischen Gehirnareale auf den Kopf eines Probanden geklebte CSAM-Magnetfeldsensoren. Die würfelförmigen Sensoren sind ähnlich einfach zu handhaben wie Elektroden. Kleines Bild: Dimension des Sensors und der zur lokalen Modulation des Feldes auf den Sensor aufgebrachten Spule (in der Aufsicht auf den Würfel).
Vier im Bereich der motorischen und sensorischen Gehirnareale auf den Kopf eines Probanden geklebte CSAM-Magnetfeldsensoren. Die würfelförmigen Sensoren sind ähnlich einfach zu handhaben wie Elektroden. Kleines Bild: Dimension des Sensors und der zur lokalen Modulation des Feldes auf den Sensor aufgebrachten Spule (in der Aufsicht auf den Würfel).

Diese SQUIDS (Superconducting Quantum Interference Devices) sind die zurzeit empfindlichsten Magnetfeldsensoren. Sie brauchen jedoch eine aufwendige Kühlung in einem Kryogefäß, das regelmäßig mit flüssigem Helium gefüllt werden muss. Doch schon jetzt macht die weltweite Verknappung der Hel iumressourcen den Nutzern der SQUID-Messtechnik zunehmend Sorgen. Außerdem sind die SQUIDs in einer festen Anordnung im thermisch isolierten Inneren eines Kryogefäßes montiert. Gerade für biomedizinische Anwendungen wären aber kleine, handliche Sensoren ideal, die flexibel am Kopf angebracht werden können.

Eine typische Anwendung ist das sogenannte MEG (Magnetenzephalogramm), bei dem die sehr schwachen Magnetfelder gemessen werden, die das Gehirn bei der Arbeit erzeugt. Die Aufnahme eines solchen MEG ist beispielsweise für die Diagnostik der Epilepsie oder in der neurologischen Grundlagenforschung von Bedeutung. Ein anderes Beispiel ist die Messung der Felder von magnetischen Nanopartikeln, die Patienten zu theraEinflüspeutischen Zwecken verabreicht wurden und deren Verteilung im Körper genau kontrolliert werden muss.

Für solche Anwendungen eignet sich der neue, bei Raumtemperatur arbeitende Sensortyp, der am amerikanischen NIST entwickelt wurde. Das sogenannte Chip-scale Atomic Magnetometer (CSAM) besteht im Wesentlichen aus einer mit Rubidiumgas gefüllten Zelle und einer Mikrooptik. Die Wechselwirkung des Elektronenspins der Rubidium-Atome mit einem Magnetfeld dient als hochempfindliches Maß für die Feldstärke. Die Sensoren, die nicht größer sind als ein Zuckerwürfel, lassen sich wie Elektroden beliebig auf der Haut des Patienten positionieren.

Dieser Sensortyp wurde jetzt im „magnetisch ruhigsten Raum der Erde“ der PTB in Berlin auf seine Praxistauglichkeit getestet. Im Vergleich mit dem „Goldstandard“, den SQUIDs, hat er ein um den Faktor 5 bis 10 höheres Rauschen. Dies wird aber durch den verringerten Abstand zwischen Sesnsor und Quelle kompensiert. Außerdem ist er wesentlich vielseitiger einsetzbar. Man kann davon ausgehen, dass der neue Sensortyp viele neue Anwendungen hochempfindlicher magnetischer Messtechnik erschließt – möglicherweise nicht nur für biomagnetische Untersuchungen.