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Dynamic recording of lateral biomagnetic field distributions with integrated optical magnetometers (magnetic field camera)

Subject Area Measurement Systems
Medical Physics, Biomedical Technology
Term from 2015 to 2020
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 278356781
 
Final Report Year 2020

Final Report Abstract

Im Projekt wurden die Software- und Hardwarekomponenten einer Magnetfeldkamera erforscht, mit der es in Umgebungen mit Erdmagnetfeldstärke möglich wird, die Verteilung von Magnetfeldquellen zu bestimmen. Die neue Magnetfeldkamera erlaubt die Untersuchung von Objekten mit mehreren Zentimetern Ausdehnung mit einer räumlichen Auflösung im Millimeterbereich, einer zeitlichen Auflösung mit Videorate und einer Magnetfeldauflösung im Pikotesla-Bereich. Die Hardwarekomponenten der Magnetfeldkamera, entwickelt am Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena, umfassen den eigentlichen Sensorkopf sowie optische und elektronische Komponenten. Der Sensorkopf ist ein spezielles mikrosystemtechnisch realisiertes optisch gepumptes Magnetometer, für dessen Realisierung verschiedene Innovationen notwendig waren. Als zugrundeliegendes physikalisches Wirkprinzip wurde im Projekt der sogenannte LSD-Mz- Modus entwickelt, der es gestattet, mit einer reinen dc-Messung die geforderten Parameter zu erreichen. In der technischen Umsetzung war es notwendig, eine ganze Reihe von Komponenten des Sensorkopfes zu integrieren – eine großflächige Cäsiumdampfzelle, Dünnschichtpakete aus optisch aktiven Schichten (für Entspiegelung bzw. Verspiegelung der Ein- und Austrittsfenster der Zelle) und elektrisch aktive Schichten (zum Heizen dieser Fenster) sowie integrierte Spulenanordnungen zur Schaffung geeigneter lokaler Umgebungsfelder. Mit speziellen optischen Elementen gelang es, ein 2D-Array optisch gepumpter Bereiche mit hinreichend homogenen Eigenschaften für die Magnetfeldkartierung zu schaffen. Die gemessenen Signale können nach paralleler AD-Wandlung flexibel elektronisch verarbeitet werden. Die parallel dazu laufende Softwareentwicklung an der TU Ilmenau diente der Optimierung des Konzepts der Magnetfeldkamera, der Evaluierung ihrer Möglichkeiten bei der Charakterisierung biomagnetischer Quellen und der Quellenrekonstruktion aus den aufgenommenen Magnetfeldverteilungen. Für letztere wurden verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen für die Magnetfeldverteilungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer standardisierten Mixed-Norm-Schätzung sowohl die Lokalisierung als auch die Orientierungsschätzung von Quellen gegenüber herkömmlichen Verfahren verbessert werden kann. Für die optimierte Pixelanordnung und die technisch realisierbare Annäherung des Sensorkopfes an das Messobjekt von ca. 7mm wurden räumliche Auflösungsgrenzen im Millimeterbereich auch bei realitätsnahem Rauschen bestätigt. Weitere Simulationen zeigen, dass die Lokalisierungsergebnisse mit dem im Projekt entwickelten, auf optisch gepumpten Magnetometern basierenden System, vergleichbar zu bekannten SQUID-basierten kombinierten Magnetometer-Gradiometer-Systemen sind, jedoch deutlich niedrigere Kanalzahlen erfordern. Zur Validierung der Magnetfeldkamera und der Verfahren zur Modellierung und Quellenrekonstruktion wurden ein sphärisches und eine Rattentorso-Phantom aufgebaut. Im Ergebnis des Projektes stehen alle Komponenten zur Verfügung, die Magnetfeldkamera für die Messung raum- und zeitaufgelöster Verteilungen von Magnetfeldquellen einzusetzen, beispielsweise dem Verfolgen magnetokardiographischer oder magnetoenzephalographischer Signale kleiner Tiere. Dies sollte z.B. neuartige Möglichkeiten zur Untersuchung des Einflusses von Medikamenten und anderen Agenzien auf den Metabolismus eröffnen.

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