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Biomagnetische Bildgebung mit optisch gepumpten Magnetometern  

In der Forschergruppe Magnetometrie werden neue optisch gepumpte Magnetometer erforscht, die in äußeren Magnetfeldern, bis hin zur Erdfeldstärke, biomagnetische Bildgebung auf verschiedenen Größenskalen ermöglichen: die großflächige Aufnahme menschlicher biomagnetischer Signale und die mikroskopische Abbildung der Felder kleiner Tiere.

OPM-Modul für einen Messkanal: a) Integrierte Anordnung zweier Magnetometer mit gemeinsamem Cäsium-Reservoir in der Mitte, b) Verkapselung des Moduls mit Optiken für die Aufbereitung des Pumplichts (im Hals) und den B1-Spulen um die beiden Magnetometer.

Untersuchte Sensorpositionen am menschlichen Kopf (Sicht von oben mit Blickrichtung des Modells nach Norden). (V. Schultze et al., Sensors 17 (2017), 561)

Totale Information, die man bei den 128 verschiedenen Positionen aus Abb. 2 und verschiedenen Winkeln gegenüber dem menschlichen Kopf mit den OPM-Modulen aus Abb. 1 gewinnen kann [3].(V. Schultze et al., Sensors 17 (2017), 561)

Prinzipskizze der OPM-Magnetfeldkamera. (V. Schultze et al., Sensors 17 (2017), 561)

Von V. Schultze // R. IJsselsteijn // R. Stolz // F. Wittkämper // G. Oelsner // R. Eichardt // J. Haueisen //  G. Oelsner // C. B. Schmidt // U. Graichen

Ein am Leibniz-IPHT entwickeltes Messprinzip für neue optisch gepumpte Magnetometer (OPM) bietet die einzigartige Möglichkeit, bei Messung im Erdmagnetfeld sehr hohe Magnetfeldauflösungen zu erreichen [1]. Dies ebnet nicht nur den Weg für Anwendungen in der geomagnetischen Prospektion [2], sondern auch für biomagnetische Bildgebung ohne aufwendige und teure magnetische Schirmung. Die gegenwärtigen Entwicklungen zielen auf die Detektion von Magnetfeldern lebender Organismen auf verschiedenen Größenskalen ab. In diesem Beitrag sollen zwei Instrumente näher betrachtet werden: Zum einen betrifft es die großflächigere Abbildung der Vielzahl vom menschlichen Körper erzeugten magnetischen Signale auf einer Größenskala von Zentimetern. Im zentralen Fokus des medizinischen Interesses stehen vor allem die Aufnahme der Signale der menschlichen Gehirntätigkeit (Magnetoenzephalogramm – MEG) bei Erwachsenen und der Herztätigkeit bei Erwachsenen (Magnetokardiogramm - MKG) sowie ungeborenen Kindern (fötales MKG – fMKG). Für diese Art von Messungen sind Module für jeweils einen OPM-Kanal in Entwicklung, welche entsprechend der Aufgabe konfiguriert und in Arrays angeordnet werden. Ein solches Modul ist beispielhaft in Abbildung 1 gezeigt. Das eigentliche Magnetometer besteht aus zwei unmittelbar miteinander verbundenen Bereichen einer gemeinsamen Cäsiumdampfzelle, die mit 5 mm Abstand von zwei zirkular polarisierten Stahlen entgegengesetzter Helizität durchstrahlt werden, was den Betrieb im LSD-Mz-Modus ermöglicht [1] (s. auch Jahresbericht 2017). Zwei 40 mm voneinander entfernte, aber in einem gemeinsamen Siliziumsubstrat integrierte und damit gut abgeglichene solche Magnetometer ermöglichen die Unterdrückung von Störsignalen, z.B. durch eine Differenz- bzw. gradiometrische Messung der biomagnetischen Signale.

Die Potenzen, Arrays solcher Module für die gewünschte Messung zu konfigurieren, wurde in Simulationen beispielhaft für die Detektion von neuronalen Quellen im menschlichen Gehirn mit der Randelementemethode berechnet [3]. Dies erlaubt die Bestimmung der Abhängigkeit der erzielbaren Information über die Gehirntätigkeit in Abhängigkeit von Orientierung, Abstand und Ort der OPM-Module. Ein Beispiel in Abbildung 2 zeigt die qualitative Verteilung der geschätzten Messinformation für 128 standardisierte Sensorpositionen (entsprechend 10/10-EEG) für eine Quellenkonfiguration, die sich über die Gesamtheit des Kortexes erstreckt (graue Punkte). Abbildung 3 zeigt die Veränderungen der Information in Abhängigkeit von der Sensitivitätsrichtung des OPMs (rotation angle) und dem Index der Sensorposition, wobei die Position im Vergleich zur Richtung einen deutlich größeren Einfluss auf den Informationsgehalt hat. Die Ergebnisse sollen in Kürze anhand von Phantommessungen validiert werden.

Zur Messung der Verteilung magnetischer Signale von Kleintieren im Millimeterbereich, z.B. vom Herz von Mäusen, ist ein bildgebendes Verfahren in Entwicklung, welches eine neuartige Magnetfeldkamera einsetzt und dabei auch den LSD-Mz-Modus zum Auslesen der optischen Magnetometer nutzt. Im Unterschied zu herkömmlichen OPMs sollen hierbei in einer einzigen ausgedehnten Cäsium-Zelle von mehr als 30x30mm² insgesamt 52 Magnetometer an unterschiedlichen Lokationen der Zelle sowie und vier Referenzsensoren realisiert werden. Der Aufbau der Magnetfeldkamera und die Strahlführung mit den einzelnen 56 Laserstrahlen sind in Abbildung 4 dargestellt. Eine Adaption der obigen Berechnungen zeigt, dass mit diesem „OPM-Bildschirm“ laterale Auflösungen um die 6 mm bei einem Abstand von etwa 7 mm vom Messkopfgehäuse sowie realistischen Signal/Rausch-Verhältnissen möglich sind.

Der gemeinsam mit der Gruppe Mikro- und Nanotechnologien umgesetzte mikrosystemtechnische Aufbau der am Leibniz-IPHT entwickelten Magnetometer (vgl. Abb. 1) bietet nicht nur die Möglichkeit, verschiedenartig konfigurierte Anordnungen von OPM-Messzellen in Siliziumsubstraten zu integrieren, sondern kann auch mit mikrofluidischen Komponenten kombiniert werden, wie sie in der Forschungsabteilung Nanobiophotonik des Institutes in Entwicklung sind. Diese Kombination verschiedener technologischer Möglichkeiten wird in einem weiteren Projekt eingesetzt, wo eine ganz andere biomagnetische Messung durchgeführt werden soll – die Quantifizierung magnetotaktischer Bakterien; Mikroorganismen, welche sich mittels körpereigener Magnetosome im Erdfeld orientieren und die einen merklichen Anteil an der mikrobiologischen Biomasse der Erde ausmachen.

Gefördert von: EU, DFG, BMBF, Freistaat Thüringen

Zugehörige Publikationen

V. Schultze, B. Schillig, R. IJsselsteijn, T. Scholtes, S. Woetzel, R. Stolz; An Optically Pumped Magnetometer Working in the Light-Shift Dispersed Mz Mode. Sensors 17 (2017), 561.

G. Oelsner, V. Schultze, R. IJsselsteijn, F. Wittkämper, R. Stolz; Sources of heading error of optically pumped magnetometers operated in the Earth’s magnetic field. Phys. Rev. A 99 (2019), 013420.

R. Eichardt, D. Strohmeier, A. Hunold, R. Machts, J. Haueisen, G. Oelsner, C. B. Schmidt, V. Schultze, R. Stolz, U. Graichen; Sensitivity Studies and Optimization of Arrangements of Optically Pumped Magnetometers in Simulated Magnetoencephalography. COMPEL (2019), accepted for publication.

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