Aprovechar hiperpolarización cuántica aumenta sensibilidad de RM

La creación de defectos específicos en los cristales de diamante podría aumentar el campo magnético detectado por los dispositivos de imágenes de resonancia magnética (RM).

Investigadores de la Universidad de Melbourne (UNIMELB, Parkville, Australia;), el Centro de Nanofabricación de Melbourne (Clayton, Australia) y otras instituciones, utilizaron un protocolo de polarización inducida por relajación cruzada para inducir la hiperpolarización de los espines nucleares moleculares en los diamantes modificados con qubits vacantes de nitrógeno. La interacción mecánica cuántica entre el objetivo y las sondas cuánticas transfiere la polarización del diamante al agente, que luego puede ser entregada al paciente antes de su examen de resonancia magnética, ya que el agente retiene la polarización el tiempo suficiente mientras viaja al sitio del tumor, lo que facilita la toma de imágenes.

Los investigadores demostraron con éxito la hiperpolarización de la sonda cuántica de espines nucleares moleculares externos a ~ 50% en condiciones ambientales, con un solo qubit aumentando la polarización de alrededor de 106 espines nucleares en seis órdenes de magnitud con respecto al fondo térmico. Los resultados se verificaron contra un tratamiento teórico, que también describe cómo el sistema podría ampliarse a una plataforma universal de hiperpolarización cuántica para muestras macroscópicas, y su potencial para extenderse a otras áreas científicas. El estudio fue publicado el 28 de marzo de 2018 en la revista Nature Communications.

“Podemos pensar en los núcleos del átomo como una aguja de brújula que produce un campo magnético que depende de su orientación. Cuando hay varias agujas de la brújula que apuntan en diferentes direcciones, el campo resultante tiende a promediar cero”, dijo el autor principal el candidato a doctorado en la UNIMELB, David Broadway. “Pero cuando las brújulas apuntan todas en la misma dirección, las contribuciones al campo de cada aguja de la brújula se suman a algo mensurable. Así que tener todos los núcleos alineados hace que el campo magnético sea más fuerte y, por lo tanto, la lectura de la resonancia magnética puede captar más detalles”.

“Para lograr el mismo nivel de polarización con un enfoque convencional, tendríamos que aumentar el campo magnético por un factor de aproximadamente 100.000 veces, y solo vas a encontrar campos como ese en una estrella de neutrones”, dijo el autor principal, el Profesor Lloyd Hollenberg, PhD, de UNIMELB. “Los imanes superconductores que producen estos campos también son la razón por la que los escáneres de resonancia magnética cuestan millones de dólares, ya que los imanes deben mantenerse a temperaturas criogénicas”.

El estado de espín hiperpolarizado existe a una temperatura de giro muy baja que no está en equilibrio térmico con la temperatura del tejido, lo que conduce a una gran magnetización del conjunto de giro, dando como resultado una intensidad de señal de resonancia magnética nuclear muy alta. El estado de espín hiperpolarizado finalmente regresa a la temperatura de equilibrio térmico por despolarización.