Dynamische Aufnahme lateraler Verteilung biomagnetischer Felder

Die Messung der Verteilung magnetischer Felder zentimetergroßer Objekte mit hoher Magnetfeld-, lateraler und zeitlicher Auflösung ist für die physikalische und biomedizinische Grundlagenforschung von großer Bedeutung. Mit den derzeit vorhandenen Technologien zur Magnetfeldmessung auf Basis diskreter SQUIDs wird die Auflösung durch die technologiebedingte Sensorgröße und den durch die kryogene Kühlung notwendigen Abstand zwischen Sensor und Messobjekt beschränkt. Durch den Einsatz optisch gepumpter Magnetometer (OPM) konnten erste Messungen mit einer Auflösung im Millimeter-Bereich erzielt werden. Diese Messungen wurden jedoch sequentiell durch Abrastern des Untersuchungsobjekts durchgeführt, was einer synchronen, örtlich und zeitlich hochaufgelösten Messung des Magnetfelds entgegensteht. Im Projekt sollen daher neue Methoden und Technologien erforscht werden, die es ermöglichen, Magnetfeldverteilungen von zentimetergroßen Objekten mit lateralen Auflösungen im Bereich von Millimetern aufzunehmen. Dabei wird eine Magnetfeldauflösung im Pikotesla-Bereich und eine Bandbreite bis etwa 100 Hz angestrebt. Die Messung soll bei Magnetfeldern von etwa 50µT, der typischen Stärke des Erdmagnetfelds in unseren Breiten, möglich sein, wodurch aufwändige Schirmungsmaßnahmen entfallen können. Zur Realisierung dieses Ziels sollen im Projekt neuartige optisch gepumpte Magnetometer entwickelt werden. Dies erfordert sowohl die Entwicklung einer neuen physikalischen Betriebsweise optischer Magnetometer, mit der die parallele dynamische Aufnahme zweidimensionaler Magnetfeldverteilungen erstmals möglich werden soll, als auch die Anpassung integrierter optischer Aufnahmezellen an die Anforderungen, die sich aus der neuen Betriebsweise und den Forderungen für die laterale Auflösung ergeben. Darüber hinaus sollen angepasste Methoden zur Lösung des inversen Problems entwickelt werden, die einerseits den Abgleich der Forderungen an die Parameter des Messsystems mit seinen Möglichkeiten gestatten und andererseits die Ermittlung der räumlichen Verteilung magnetisch aktiver Quellen im Untersuchungsobjekt ermöglichen. Das Aufnahmesystem sowie die Rekonstruktionsalgorithmen sollen anhand von Messungen mit speziellen technischen Phantomen validiert werden. Mit der Realisierung dieses innovativen Systems eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, u.a. die Messung biomagnetischer Felder in der tierexperimentellen Grundlagenforschung. So wäre es mit dem neuen Messsystem möglich, Magnetokardiogramme (MKG) kleiner Tiere (bspw. Mäuse) orts- und zeitaufgelöst zu messen, was u.a. der Überwachung der Wirkung von Arzneimitteln mit hohen Durchsatzraten dienen könnte. Auch ein Einsatz in der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung zu epileptischer Aktivität ist möglich, da durch die angestrebte hohe laterale Auflösung der Rekonstruktion im Messobjekt die hochaufgelöste nicht-invasive Rekonstruktion intrakortikaler Ströme auch im Kleintier ermöglicht werden soll. Die technologische Grundlage für beide Anwendungsbereiche soll durch die Entwicklung des magnetischen Messverfahrens und des darauf abgestimmten Rekonstruktionsverfahrens geschaffen werden.