饱和吸收光谱的新型量子光学磁力计，确保核磁共振成像质量

核磁共振成像（MRI）扫描仪可以提供质量卓越的3D图像，但用于创建这些图像的强磁场存在扰动，可能会在扫描中引入误差和干扰。因此，MRI扫描仪需要经常校准以确保其成像质量。

此外，由于磁场的高度不稳定性，像螺旋序列这样可以缩短扫描时间的创新扫描方法是不可行的。从理论上而言，可以通过增加传感器来读取和映射磁场的变化，进而通过计算纠错来解决这个问题。然而，在实践中，由于电子传感器和电缆中的金属会产生干扰，这种方法实际难以实现。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，丹麦磁共振研究中心（DRCMR）和哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所（NBI）的研究人员开发了一种基于饱和吸收光谱的新型量子光学磁力计，能够测量强磁场，并有望延长MRI扫描仪的使用寿命，同时提高其质量并降低成本。该量子光学磁力计原型目前已在丹麦磁共振研究中心的Hvidovre医院投入使用。

该量子光学磁力计基于铯D₂谱线的极端角动量饱和吸收光谱。它有四个独立的小型磁传感器组成，可分布在MRI扫描仪中。其中一个探头位于磁场范围之外，起到控制作用。该系统通过光纤电缆向MRI扫描仪中的四个磁传感器发送激光。

光学探头组件的分解图

在磁传感器内部，光穿过一个盛有铯气体的小玻璃容器。在一定频率下，气体吸收光并在铯原子中产生共振。铯原子中的电子在吸收光子时会产生更大的振荡，当电子回原位时，光子又会重新发射出去。随着光变暗，铯蒸气会变亮。如果铯暴露在磁场中，光谱频率将会根据磁场的强度而变化。

当磁场发生扰动时，磁传感器会映射出磁场中扰动的位置，并记录扰动如何影响磁场强度。由此产生的数据可用于识别MRI扫描中的错误。未来，还可以根据四个磁传感器收集的数据对干扰和错误图像进行修正，以确保MRI成像的准确性。

该量子光学磁力计的主要设计者Hans Stærkind说：“当激光以适宜的频率穿过气体时，光与铯原子中的电子会产生共振。但是，当气体暴露在磁场中时，发生共振的频率（或波长）则会发生变化。”

“通过这种方式，我们可以找出正确的频率来测量磁场强度。这个过程完全由接收设备以闪电般的速度自动完成。”Hans Stærkind补充道。

量子光学磁力计利用激光和气体来测量磁场

该量子光学磁力计能够提供连续读数、高采样率以及百万分之一（ppm）范围内的灵敏度和准确度。所有电子元件和光学元件都集成在一个19英寸的机架上，结构紧凑、移动方便且坚固耐用。磁传感器采用光纤耦合，由非金属元件制成，可轻松安全地安装在7T MRI扫描仪内部。

量子光学磁力计原型

研究人员通过测量两种不同的MRI成像序列，展示了该量子光学磁力计的性能。为了验证该原型系统在医疗MRI中的潜在应用，研究人员展示了如何使用它来检测MRI扫描仪梯度线圈系统中的缺陷。

在制造量子光学磁力计之前，研究人员对铯原子的系数进行了高精度测量，从而使其能够以ppm的精度通过光学方式推断磁场。

“我们已经证明了该方法的理论可行性，现在又验证了它在实践中的可行性。”Stærkind说道，“目前，我们所制备的这个量子光学磁力计原型，基本上可以在不干扰MRI扫描仪的情况下完成测量目标。”

Stærkind表示，该量子光学磁力计还需要进行微调，从而使MRI扫描更便宜、更好用、更快捷。

“随着时间和技术的发展，MRI扫描仪将会生成质量优异的图像。”Stærkind说道，“但是在该量子光学磁力计的帮助下，我们有望利用相同的时间生成更优异的图像，或者利用更少的时间获得相同的成像质量。或者我们还可以制造一种更便宜的扫描仪，虽然可能存在一定误差，但在该量子光学磁力计的帮助下仍能提供较好的成像质量。”

到目前为止，该量子光学磁力计原型还在正常运行。研究人员计划进一步改进该原型，使其测量更加精确，并增强其识别扫描错误的能力。

虽然该量子光学磁力计最初的目标市场是MRI研究机构，但Stærkind研究团队希望大型MRI制造商能够长期采用这项新技术，并最终将量子光学磁力计直接集成在新的MRI扫描仪中。

“一旦该量子光学磁力计原型在2.0版本中得到优化改进，并在医院实际扫描大量数据后证明了其成像质量，我们将见证它的发展前景。”Stærkind表示，“该量子光学磁力计必将有潜力以一种独特的方式改进MRI成像质量，从而使医生和患者都能受益。”

这项研究成果目前已发表在PRX Quantum期刊和Physical Review X期刊上。

审核编辑：刘清