[論文レビュー] Towards a mechanical MPI scanner based on atomic magnetometry

Simone Colombo, Victor Lebedev+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、特定吸収率（SAR）および末梢神経刺激（PNS）の制限を克服するため、原子磁気計を用いた低周波数機械的磁気粒子画像化（MPI）スキャナを提案する。バッファガスで満たされたセシウムセルにポンプ・プローブ原子磁気計を用いることで、強力な磁場勾配（最大でmT/m）の下でも1–10 pT/√Hzの感度（sub-pT/√Hz）を達成し、1 kHz未塔の周波数で磁性ナノ粒子（MNP）の磁化を直接検出可能となる。このシステムは、フィールドフリー・ライン（FFL）構成と機械的走査を用いて2次元画像化を実現する。

ABSTRACT

We report on our progress in the development of an atomic magnetometer (AM) based low-frequency magnetic particle imaging (MPI) scanner, expected to be free from Specific Absorption Rate (SAR) and Peripheral Nerve Stimulation (PNS) constraints. We address major challenges in coil and sensor design due to specific AM properties. Compared to our previous work we have changed the AM's mode of operation towards its implementation for detecting weak magnetic nanoparticles (MNP) response fields in the presence of nearby-located strong drive/selection fields. We demonstrate that a pump-probe AM scheme in a buffer gas filled alkali vapour cell can tolerate mT/m gradients while maintaining a sensitivity in the one-digit pT/Hz^(1/2) range over a bandwidth from DC to several kHz. We give a detailed description of the drive/selection coils' geometry and their hardware implementations that provides a field-free-line (FFL) operation, compatible with a best performance AM operation. We estimate the achievable field of view and spatial resolution of the scanner as well as its sensitivity, assuming mechanical scanning of a Resovist sample through the field-free point/line.

研究の動機と目的

• 従来の高周波数MPIシステムに内在するSARおよびPNS制約を回避するため、低周波数（<1 kHz）で動作する機械的MPIスキャナの開発を目的とする。
• コイルによる誘導の制限を回避するため、DCからkHzまでの周波数応答が平坦な原子磁気計（AM）を用いて、MNP磁化の直接検出を可能にする。
• AMの動作に適合するフィールドフリー・ライン（FFL）を生成するコイル系の設計を目的とし、センサ位置での端縁磁場および勾配を最小限に抑える。
• 自己補償型選択／変調コイルとポンプ・プローブAM方式を組み合わせ、遮蔽なし環境下でも高い空間分解能と感度を実現する。
• 機械的走査による2次元MPIの実現可能性を、Resovist試料を用いて検証し、得られる視野、分解能、感度を推定する。

提案手法

• バッファガスで満たされた133Cs蒸気セルにポンプ・プローブ原子磁気計を用い、円偏光のポンプ光と線形偏光のプローブ光を用いて、ラーミア歳差の偏光変調を検出する。
• 電圧制御発振器（VCO）を内蔵した位相ロックループにより、rf駆動スピン歳差にロックし、センサ位置での磁束密度成分Bxを直接測定可能となる。
• 選択および変調コイルは、MNP磁化が選択的に励起されるフィールドフリー・ライン（FFL）を生成するように設計され、補償コイルによりセンサ位置での端縁磁場が10^4倍低減される。
• センサにおける磁場は、双極子磁場式（δBx = δ⃗B · ˆx）でモデル化され、MNPの磁気モーメントは、印加磁場H(t) = H_sel + H_mod·cos(2πf_modt)の下でランゲビン関数で記述される。
• 磁化のフーリエ展開により、基本高調波成分がdM/dHに比例し、FFLに沿ったMNP密度の検出が可能となる。
• サンプルをFFLに機械的に走査することでMNP分布の空間符号化が実現され、f_modで信号を復調してポイント spread function（PSF）を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPIコイル系に特徴的な強力な磁場勾配（mT/m）下でも、十分な感度（≤10 pT/√Hz）を達成できるか？
• RQ2 センサ位置での端縁磁場を最小限に抑えるコイル幾何形状により、フィールドフリー・ライン（FFL）を生成できるか？
• RQ3 駆動周波数（≤1 kHz）でMNP応答を直接検出することで、従来のMPIと比較して競争力のある空間分解能と感度を達成できるか？
• RQ4 このAMベースの手法を用いた機械的2次元MPIスキャナの実現可能な視野および空間分解能はどの程度か？
• RQ5 感度の低下を伴わず、低周波数（＜1 kHz）で安定して動作可能か？これにより、より大きな磁性ナノ粒子の利用が可能になるか？

主な発見

• バッファガスで満たされた133Csセルにポンプ・プローブAM方式を適用した結果、mT/mの磁場勾配下でも、DCから数kHzまでの帯域で1–10 pT/√Hzの感度を達成した。
• 駆動周波数が30 Hz～1 kHzの範囲で安定した動作が確認され、感度の低下なしに低SAR画像化が可能となった。
• 自己補償型ソレノイドにより、センサ位置での端縁磁場が試料位置での磁場に対して10^4倍低減され、遮蔽なし環境下でもAM感度が維持された。
• 理論的シミュレーションにより、FFLベースのスキャナは、コイル幾何形状およびMNP特性に依存するが、0.5 mm未塔の空間分解能を持つポイント spread function（PSF）を達成可能であることが確認された。
• 機械的走査下でのResovist試料の感度推定値は、最適なコイルとセンサの整合が取れた場合、1–10 µg/mLのMNP濃度を検出可能であると評価された。
• 低周波数動作に起因し、従来の高周波数MPIに限らず、より大きな磁性ナノ粒子の利用が可能となり、適用可能なMNPタイプの範囲が拡大された。