[논문 리뷰] Total-field atomic gradiometer for unshielded portable magnetoencephalography

Mark Limes, E. L. Foley외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 07.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 마이크로 제작된 세포에 내장된 스핀 균형 $^{87}$Rb 기체를 사용하여 총장 감도 16 fT/cm/Hz$^{1/2}$를 달성한 이식 가능하고 쌓이지 않은 원자 기울기계를 제안한다. 이는 자기 차폐 없이도 뇌자극자기측정(MEG) 및 심장자기측정(MCG) 신호를 감지할 수 있게 하며, 랩탑에서만 5 W로 작동한다. 이는 자연 환경에서 실용적인 신경영상 촬영을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recording of magnetic fields generated by neuronal electrical currents is one of a few available methods for non-invasive functional brain imaging. The fields generated by such currents are about 100 million times smaller than Earth's magnetic field. Most magnetoencephalography (MEG) systems use large magnetic shields to screen Earth's field and magnetic field fluctuations. We present a portable atomic gradiometer that demonstrates unshielded sensitivity of 16 fT/cm/Hz$^{1/2}$, and use it to detect MEG and magnetocardiography (MCG) signals. The gradiometer uses two cells containing $^{87}$Rb vapor that is initially spin-polarized transverse to Earth's field. The $^{87}$Rb free-precession frequencies, proportional to the total magnetic field, are measured with a probe laser. Combining state-of-the-art micro-fabricated vapor cells with advanced thermal insulation and custom electronics, we reduce the total system power to 5~W and run the sensor from a laptop. This work demonstrates the possibility of magnetic neuroimaging in a variety of natural environments.

연구 동기 및 목표

• 지구 자기장보다 약 1억 배나 작은 초미세 뇌신경 자기장을 감지하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 뇌자극자기측정(MEG) 시스템에서 일반적으로 사용되는 크고 비싼 자기 차폐가 필요 없도록 하기 위해.
• 자기 차폐가 없는 실제 환경에서 작동할 수 있는 이식 가능하고 저전력(5 W)의 MEG 시스템을 개발하기 위해.
• 최소한의 인프라로도 총장 원자 기울기계를 사용하여 MEG 및 심장자기측정(MCG) 신호 감지를 가능하게 하기 위해.
• 마이크로 제작된 기체 세포, 열 절연체, 맞춤형 전자회로를 통합하여 기능적 뇌 영상의 이식성과 실용성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 지구 자기장에 수직인 스핀 균형을 가진 두 개의 $^{87}$Rb 기체 세포를 사용하여 레이저 탐지 방법으로 자유 프리세션 주파수를 측정함으로써 총 자기장 강도를 측정한다.
• 자기장의 공간 기울기를 측정함으로써 공통 모드의 외부 자기장 변동을 제거하는 기울기계 구성 방식을 채택한다.
• 센서의 소형화와 안정성 및 감도 향상을 위해 마이크로 제작된 기체 세포를 활용한다.
• 원자 기체 세포의 최적 작동 온도를 유지하기 위해 고급 열 절연체를 적용한다.
• 시스템 전력 소모를 5 W로 줄이기 위해 맞춤형 저전력 전자회로를 통합한다. 이는 랩탑에서의 작동을 가능하게 한다.
• 프리세션 주파수 측정을 통해 $^{87}$Rb 원자의 자유 프리세션 주파수를 측정하며, 이는 총 자기장 강도에 비례한다. 고해상도 감지를 위해 프로브 레이저를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이식 가능한 원자 기울기계가 자기 차폐가 없는 환경에서 MEG 신호를 감지할 수 있을 정도의 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 성능을 유지하면서도 전력 소모가 5 W에 불과한 고감도 원자 자기계측기를 작동시키는 것이 실현 가능한가?
• RQ3 마이크로 제작된 기체 세포와 열 절연체를 통해 큰 자기 차폐 없이도 안정적이고 고감도 측정이 가능한가?
• RQ4 기울기계 구성이 자연 환경에서의 환경 자기장 노이즈를 어느 정도 억제하는가?
• RQ5 시스템이 외부 차폐 없이 MEG 및 MCG 신호를 감지할 수 있는가? 이는 생물 자기 측정 분야에서의 광범위한 적용 가능성을 보여준다.

주요 결과

• 자기 차폐가 없는 조건에서 총장 감도가 16 fT/cm/Hz$^{1/2}$에 도달하여 MEG 신호 감지에 충분하다.
• 자기 차폐 없이도 MEG 및 심장자기측정(MCG) 신호가 성공적으로 감지되어 자연 환경에서의 실현 가능성을 입증했다.
• 전체 시스템의 전력 소모가 단지 5 W에 불과하여 표준 랩탑에서의 이식 가능 작동이 가능하다.
• 마이크로 제작된 $^{87}$Rb 기체 세포와 고급 열 절연체의 사용이 시스템의 안정성 향상과 소형화에 크게 기여했다.
• 기울기계 구성이 공통 모드의 환경 자기장 노이즈를 효과적으로 억제하여 신호 대 노이즈 비율을 향상시켰다.
• 맞춤형 전자회로와 저전력 설계의 통합으로 대규모 차폐실이 없이도 실시간으로 이식 가능한 생물 자기 측정이 가능해졌다.