核磁共振成像（MRI）掃描儀可以提供質(zhì)量卓越的3D圖像，但用于創(chuàng)建這些圖像的強(qiáng)磁場存在擾動，可能會在掃描中引入誤差和干擾。因此，MRI掃描儀需要經(jīng)常校準(zhǔn)以確保其成像質(zhì)量。

此外，由于磁場的高度不穩(wěn)定性，像螺旋序列這樣可以縮短掃描時(shí)間的創(chuàng)新掃描方法是不可行的。從理論上而言，可以通過增加傳感器來讀取和映射磁場的變化，進(jìn)而通過計(jì)算糾錯(cuò)來解決這個(gè)問題。然而，在實(shí)踐中，由于電子傳感器和電纜中的金屬會產(chǎn)生干擾，這種方法實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述問題，丹麥磁共振研究中心（DRCMR）和哥本哈根大學(xué)尼爾斯-玻爾研究所（NBI）的研究人員開發(fā)了一種基于飽和吸收光譜的新型量子光學(xué)磁力計(jì)，能夠測量強(qiáng)磁場，并有望延長MRI掃描儀的使用壽命，同時(shí)提高其質(zhì)量并降低成本。該量子光學(xué)磁力計(jì)原型目前已在丹麥磁共振研究中心的Hvidovre醫(yī)院投入使用。

該量子光學(xué)磁力計(jì)基于銫D?譜線的極端角動量飽和吸收光譜。它有四個(gè)獨(dú)立的小型磁傳感器組成，可分布在MRI掃描儀中。其中一個(gè)探頭位于磁場范圍之外，起到控制作用。該系統(tǒng)通過光纖電纜向MRI掃描儀中的四個(gè)磁傳感器發(fā)送激光。

光學(xué)探頭組件的分解圖

在磁傳感器內(nèi)部，光穿過一個(gè)盛有銫氣體的小玻璃容器。在一定頻率下，氣體吸收光并在銫原子中產(chǎn)生共振。銫原子中的電子在吸收光子時(shí)會產(chǎn)生更大的振蕩，當(dāng)電子回原位時(shí)，光子又會重新發(fā)射出去。隨著光變暗，銫蒸氣會變亮。如果銫暴露在磁場中，光譜頻率將會根據(jù)磁場的強(qiáng)度而變化。

當(dāng)磁場發(fā)生擾動時(shí)，磁傳感器會映射出磁場中擾動的位置，并記錄擾動如何影響磁場強(qiáng)度。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可用于識別MRI掃描中的錯(cuò)誤。未來，還可以根據(jù)四個(gè)磁傳感器收集的數(shù)據(jù)對干擾和錯(cuò)誤圖像進(jìn)行修正，以確保MRI成像的準(zhǔn)確性。

該量子光學(xué)磁力計(jì)的主要設(shè)計(jì)者Hans St?rkind說：“當(dāng)激光以適宜的頻率穿過氣體時(shí)，光與銫原子中的電子會產(chǎn)生共振。但是，當(dāng)氣體暴露在磁場中時(shí)，發(fā)生共振的頻率（或波長）則會發(fā)生變化。”

“通過這種方式，我們可以找出正確的頻率來測量磁場強(qiáng)度。這個(gè)過程完全由接收設(shè)備以閃電般的速度自動完成。”Hans St?rkind補(bǔ)充道。

量子光學(xué)磁力計(jì)利用激光和氣體來測量磁場

該量子光學(xué)磁力計(jì)能夠提供連續(xù)讀數(shù)、高采樣率以及百萬分之一（ppm）范圍內(nèi)的靈敏度和準(zhǔn)確度。所有電子元件和光學(xué)元件都集成在一個(gè)19英寸的機(jī)架上，結(jié)構(gòu)緊湊、移動方便且堅(jiān)固耐用。磁傳感器采用光纖耦合，由非金屬元件制成，可輕松安全地安裝在7T MRI掃描儀內(nèi)部。

量子光學(xué)磁力計(jì)原型

研究人員通過測量兩種不同的MRI成像序列，展示了該量子光學(xué)磁力計(jì)的性能。為了驗(yàn)證該原型系統(tǒng)在醫(yī)療MRI中的潛在應(yīng)用，研究人員展示了如何使用它來檢測MRI掃描儀梯度線圈系統(tǒng)中的缺陷。

在制造量子光學(xué)磁力計(jì)之前，研究人員對銫原子的系數(shù)進(jìn)行了高精度測量，從而使其能夠以ppm的精度通過光學(xué)方式推斷磁場。

“我們已經(jīng)證明了該方法的理論可行性，現(xiàn)在又驗(yàn)證了它在實(shí)踐中的可行性。”St?rkind說道，“目前，我們所制備的這個(gè)量子光學(xué)磁力計(jì)原型，基本上可以在不干擾MRI掃描儀的情況下完成測量目標(biāo)。”

St?rkind表示，該量子光學(xué)磁力計(jì)還需要進(jìn)行微調(diào)，從而使MRI掃描更便宜、更好用、更快捷。

“隨著時(shí)間和技術(shù)的發(fā)展，MRI掃描儀將會生成質(zhì)量優(yōu)異的圖像。”St?rkind說道，“但是在該量子光學(xué)磁力計(jì)的幫助下，我們有望利用相同的時(shí)間生成更優(yōu)異的圖像，或者利用更少的時(shí)間獲得相同的成像質(zhì)量。或者我們還可以制造一種更便宜的掃描儀，雖然可能存在一定誤差，但在該量子光學(xué)磁力計(jì)的幫助下仍能提供較好的成像質(zhì)量。”

到目前為止，該量子光學(xué)磁力計(jì)原型還在正常運(yùn)行。研究人員計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)該原型，使其測量更加精確，并增強(qiáng)其識別掃描錯(cuò)誤的能力。

雖然該量子光學(xué)磁力計(jì)最初的目標(biāo)市場是MRI研究機(jī)構(gòu)，但St?rkind研究團(tuán)隊(duì)希望大型MRI制造商能夠長期采用這項(xiàng)新技術(shù)，并最終將量子光學(xué)磁力計(jì)直接集成在新的MRI掃描儀中。

“一旦該量子光學(xué)磁力計(jì)原型在2.0版本中得到優(yōu)化改進(jìn)，并在醫(yī)院實(shí)際掃描大量數(shù)據(jù)后證明了其成像質(zhì)量，我們將見證它的發(fā)展前景。”St?rkind表示，“該量子光學(xué)磁力計(jì)必將有潛力以一種獨(dú)特的方式改進(jìn)MRI成像質(zhì)量，從而使醫(yī)生和患者都能受益。”

這項(xiàng)研究成果目前已發(fā)表在PRX Quantum期刊和Physical Review X期刊上。

審核編輯：劉清