Mobile Hirnimplantate dank verbesserter Empfindlichkeit von NMR-Messungen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Forscher des KIT verwenden Lenz-Linsen, um die Effekt der Nuklearen Magnetischen Resonanz (NMR) zu messen. Vorteil: Eine hohe Sensitivität verbunden mit hoher räumlicher Auflösung. Damit lassen sich Implantate für die Hirnforschung entwickeln.

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Zwei Lenz-Linsen in einem Helmholtz-Spulenpaar angeordnet. Die Simulation zeigt, wie die Lenz-Linsen den magnetischen Fluss räumlich fokussieren.
Zwei Lenz-Linsen in einem Helmholtz-Spulenpaar angeordnet. Die Simulation zeigt, wie die Lenz-Linsen den magnetischen Fluss räumlich fokussieren.
(Bild: KIT)

Der physikalische Effekt der Nuklearen Magnetischen Resonanz (NMR) ermöglicht es, molekulare Eigenschaften von Materie zu untersuchen. Dabei befindet sich die Probe in einem starken konstanten Magnetfeld und wird mit einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld bestrahlt. Sowohl die Magnetresonanztomografie (MRT), ein bildgebendes Verfahren in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung der Struktur und Funktion von Geweben und Organen, als auch die NMR-Spektroskopie, ein Verfahren zur Analyse der Struktur und Dynamik von Molekülen in Biologie, Biochemie, Chemie, Physik und Materialwissenschaften, basieren auf der Kernspinresonanz.

Allerdings müssen Forscher das ungünstige Signal-Rausch-Verhältnis stetig verbessern und so die Sensitivität der NMR-Messungen zu steigern. „Eine hohe Sensitivität ist vor allem dann unabdingbar, wenn wir es mit massen- und volumenbegrenzten Methoden zu tun haben oder wenn eine hohe räumliche Auflösung gefordert ist“, erklärt Professor Jan Gerrit Korvink, Direktor am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT und Leiter der Gruppe „Magnetic Resonance Microscopy and Related Topics“.

Sensitivität auf engstem Raum steigern

Bei NMR-Messungen an kleinen Proben erzeugen und empfangen miniaturisierte Hochfrequenzspulen das magnetische Wechselfeld. Für mobile Anwendungen und zur weiteren Miniaturisierung hat ein internationales Forscherteam nun eine neue Methode entwickelt, um die Sensitivität auf engstem Raum zu steigern. Dazu nutzen sie magnetische Linsen, sogenannte Lenz-Linsen, um den magnetischen Fluss einer makroskopischen Hochfrequenzspule auf ein kleineres Volumen zu fokussieren und die Empfindlichkeit lokal zu erhöhen.

Mit diesen Linsen – benannt nach der von dem Physiker Emil Lenz veröffentlichten Regel über die magnetische Flussänderung – lässt sich der magnetische Fluss des Wechselfelds nicht nur fokussieren, sondern auch umleiten oder umformen. Ihre Wirkung lässt sich insofern mit der von optischen Linsen auf Lichtstrahlen vergleichen. Der Wechsel des Magnetfelds induziert einen Strom in die Lenz-Linsen, die aus Metallplatten oder –drähten in symmetrischer oder asymmetrischer Anordnung bestehen. Die Form der Linsen lenkt die induzierten Ströme so, dass eine Fokussierung des Magnetfelds bewirkt wird.

Unterschiedliche Anwendungen

Mit Lenz-Linsen lässt sich die Empfindlichkeit der Messungen in eng begrenzten Räumen, in die konventionelle NMR-Systeme nicht hineinpassen, deutlich steigern. Die Linsen funktionieren zudem bei beliebiger Feldstärke. Unter anderem können verschiedene medizinische Anwendungen vom Einsatz der Lenz-Linsen profitieren, wie Korvink berichtet: „Da die Linsen nicht verdrahtet sind, eignen sie sich besonders gut für Implantationsanwendungen.“

Denkbar ist beispielsweise der Einsatz in Hirnimplantaten, bei denen die Heilung des Gewebes über längere Zeit mit hoher Auflösung beobachtet werden muss, oder auch auf Pflastern zur Beobachtung von Hautkrebs. Derzeit erschließen die Forscher weitere Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem in der Elektrotechnik.

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