QFOR Quanten­sensoren in der Forschung – NV-basierte Messung des Vektor­felds der magnetis­chen Fluss­dichte in Magnetresonanz-Systemen

Ziel des Projek­tes ist die Entwick­lung eines hochge­nauen Quanten-Vektor-Magnetfeldsensors, der in der Lage ist, Magnet­felder mit einer Empfind­lichkeit von wenigen Nanotesla zu messen – also etwa einem Tausend­s­tel des Erdmag­net­feldes – und Magnet­feld­ver­läufe in Magne­tres­o­nanz­to­mo­graphen (MRT) bei laufen­dem Betrieb räumlich aufgelöst zu kalib­ri­eren. Das wissenschaftliche Ziel des Projek­tes ist es, ein hochpräzises Messin­stru­ment basierend auf Stick­stoff­fehlstellen in Diaman­ten (NV-Zentren), welches die dreidi­men­sion­ale Quantifizierung des Vektor­felds der magnetis­chen Fluss­dichte B und dessen räumlicher Ableitung mit höchster Präzi­sion und hoher zeitlicher Auflö­sung ermöglicht, zu erforschen und labor­pro­to­typ­isch zu realisieren. 

Die wissenschaftliche Forschung erfolgt unter beson­derer Berück­sich­ti­gung der Anforderun­gen an eine Integra­tion in Magne­tres­o­nanz (MRT)- und Elektro­nen­spin­res­o­nanz (ESR)-Tomographen, mit dem Ziel, typis­che Störgrößen (Drifts des statis­chen Magnet­felds mit der Temper­atur (), physi­ol­o­gis­che Effekte (Atmung, Herzschlag: ), Schal­tung von Gradi­en­ten (kHz-Bereich) und Hochfre­quen­zfeldern (MHz-Bereich)) des Vektor­felds dynamisch bis mindestens zur dritten Ordnung (16 Sensoren) zu quantifizieren und entsprechende Korrek­tu­ral­go­rith­men zu entwickeln. 

Hinter­grund­info

Das globale Marktvol­u­men von Magne­tres­o­nanz­to­mo­graphen (MRTs) wird 2021 auf etwa 6 Mrd EUR geschätzt. MRT ist für viele diagnos­tis­che Fragestel­lun­gen die Methode der Wahl. In der Magne­tres­o­nanz­to­mo­gra­phie wird keine gewebeschädliche Strahlung verwen­det und der exzel­lente Weichteilkon­trast ermöglicht eine Vielzahl von Anwen­dun­gen in fast allen klinis­chen Bereichen. Ein wesentlicher Nachteil moderner MRTs resul­tiert aus der aufwendi­gen benötigten Kalib­rierung der Geräte, die für die Qualität der Bilder ausschlaggebend ist, und die langen Aufnah­mezeiten. Heute werden MRTs ab Werk mit einfachen klassis­chen Magnet­feld­sen­soren kalib­ri­ert. Wäre es möglich, die Magnet­felder auch bei laufen­dem Betrieb kontinuier­lich zu messen, ließe sich die Bildqual­ität als auch die zeitliche Auflö­sung substantiell verbessern. Mit dem Ziel der Entwick­lung eines hochge­nauen Quanten-Vektor-Magnetfeldsensors soll die Qualität von MRTs drastisch gesteigert werden. Unser Lösungsansatz beruht auf der pinken Tönung von Diaman­ten. Diese stammt von beson­deren Verun­reini­gun­gen des Kristall­git­ters, die sich nach den Geset­zen der Quanten­mechanik verhal­ten und hochempfind­lich auf externe Magnet­felder reagieren. Das beson­dere an den Verun­reini­gun­gen im Diamant ist, dass externe Magnet­felder die Inten­sität der Tönung direkt beein­flussen. Mithilfe trick­re­icher quanten­mech­a­nis­cher Messse­quen­zen, ähnlich jenen, die in Proto­typen von Quanten­com­put­ern zum Einsatz kommen, lassen sich auf diese Weise Magnet­felder sehr schnell und mit hoher Genauigkeit messen. Dies nutzen wir aus, um Magnet­felder von MRTs in Echtzeit zu kalib­ri­eren. Wir wollen die verbesserte MRT Bildge­bung nicht nur als Feature der nächsten Gener­a­tion von MRT Geräten kommerzial­isieren, sondern auch als Upgrade bereits instal­lierter Systeme in Kliniken zum Einsatz bringen.