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,進而通過計算糾錯來解決這個問題。然而,在實踐中,由于電子傳感器和電纜中的金屬會產(chǎn)生干擾,這種方法實際難以實現(xiàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道,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,能夠測量強磁場,并有望延長MRI掃描儀的使用壽命,同時提高其質(zhì)量并降低成本。該量子光學(xué)磁力計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)磁力計基于銫D?譜線的極端角動量飽和吸收光譜。它有四個獨立的小型磁傳感器組成,可分布在MRI掃描儀中。其中一個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會產(chǎn)生更大的振蕩,當(dāng)電子回原位時,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)磁場的強度而變化。
當(dāng)磁場發(fā)生擾動時,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度。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可用于識別MRI掃描中的錯誤。未來,還可以根據(jù)四個磁傳感器收集的數(shù)據(jù)對干擾和錯誤圖像進行修正,以確保MRI成像的準(zhǔn)確性。
該量子光學(xué)磁力計的主要設(shè)計者Hans St?rkind說:“當(dāng)激光以適宜的頻率穿過氣體時,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,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度。這個過程完全由接收設(shè)備以閃電般的速度自動完成?!盚ans St?rkind補充道。
量子光學(xué)磁力計利用激光和氣體來測量磁場
該量子光學(xué)磁力計能夠提供連續(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19英寸的機架上,結(jié)構(gòu)緊湊、移動方便且堅固耐用。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)磁力計的性能。為了驗證該原型系統(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)磁力計之前,研究人員對銫原子的系數(shù)進行了高精度測量,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)在又驗證了它在實踐中的可行性?!盨t?rkind說道,“目前,我們所制備的這個量子光學(xué)磁力計原型,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)磁力計還需要進行微調(diào),從而使MRI掃描更便宜、更好用、更快捷。
“隨著時間和技術(shù)的發(fā)展,MRI掃描儀將會生成質(zhì)量優(yōu)異的圖像?!盨t?rkind說道,“但是在該量子光學(xué)磁力計的幫助下,我們有望利用相同的時間生成更優(yōu)異的圖像,或者利用更少的時間獲得相同的成像質(zhì)量?;蛘呶覀冞€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)磁力計的幫助下仍能提供較好的成像質(zhì)量?!?/p>
到目前為止,該量子光學(xué)磁力計原型還在正常運行。研究人員計劃進一步改進該原型,使其測量更加精確,并增強其識別掃描錯誤的能力。
雖然該量子光學(xué)磁力計最初的目標(biāo)市場是MRI研究機構(gòu),但St?rkind研究團隊希望大型MRI制造商能夠長期采用這項新技術(shù),并最終將量子光學(xué)磁力計直接集成在新的MRI掃描儀中。
“一旦該量子光學(xué)磁力計原型在2.0版本中得到優(yōu)化改進,并在醫(yī)院實際掃描大量數(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?!盨t?rkind表示,“該量子光學(xué)磁力計必將有潛力以一種獨特的方式改進MRI成像質(zhì)量,從而使醫(yī)生和患者都能受益。”
這項研究成果目前已發(fā)表在PRX Quantum期刊和Physical Review X期刊上。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:新型量子光學(xué)磁力計,助力提升核磁共振成像質(zhì)量與速度
文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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