[論文レビュー] Total-field atomic gradiometer for unshielded portable magnetoencephalography

Mark Limes, E. L. Foley+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、マイクロフォーミングされたセルに封入されたスピン極化 $^{87}$Rb蒸気を用いて、遮蔽なしで動作するポータブルな原子勾配計を提案する。この装置は全磁界感度が 16 fT/cm/Hz$^{1/2}$ に達し、磁気遮蔽を要せず、脳磁図（MEG）および心磁図（MCG）信号の検出を可能にする。システムはラップトップからの駆動でわずか 5 W で動作し、自然環境下での実用的脳機能イメージングを実現する。

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.

研究の動機と目的

• 地球の磁界のおよそ 1 億分の 1 の超微弱な神経磁界を検出する課題を克服すること。
• 従来の脳磁図（MEG）システムで用いられる大型で高価な磁気遮蔽を不要にする。
• 磁気遮蔽のない現実の環境でも使用可能な、ポータブルで低消費電力（5 W）の MEG システムを開発すること。
• 最小限のインfra 構築で、全磁界原子勾配計を用いて MEG および心磁図（MCG）信号の検出の可能性を実証すること。
• マイクロフォーミングされた蒸気セル、断熱材、および独自設計の電子回路を統合することで、機能的脳イメージングのポータビリティと実用性を向上させること。

提案手法

• 地球の磁界に対して横方向にスピン極化された $^{87}$Rb 蒸気を用い、レーザー励起による自由進動周波数の測定により全磁界を測定する。
• 磁界の空間勾配を測定することで共通モードの外部磁界ノイズを差し引く勾配計構成を採用する。
• マイクロフォーミングされた蒸気セルを用いることでセンサの小型化を実現し、安定性と感度を向上させる。
• 原子蒸気セルの最適な動作温度を維持するための高度な断熱処理を施す。
• 独自開発の低消費電力電子回路を統合し、システム全体の消費電力を 5 W にまで低減させ、ラップトップからの駆動を可能にする。
• 全磁界強度に比例する $^{87}$Rb 原子の自由進動周波数を、高分解能で検出可能なプローブレーザーを用いて測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポータブルな原子勾配計は、磁気遮蔽のない環境でも MEG 信号を十分に検出可能な感度を達成できるか？
• RQ2 性能を維持したまま、わずか 5 W の消費電力で高感度な原子磁力計を運用することは可能か？
• RQ3 マイクロフォーミングされた蒸気セルと断熱処理により、大型磁気遮蔽を用いずに安定かつ高感度な測定が可能になるか？
• RQ4 自然環境下において、勾配計構成が環境磁界ノイズをどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ5 本システムは外部遮蔽なしで MEG および MCG 信号を検出可能であり、生体磁気測定分野への応用範囲の広がりを示せるか？

主な発見

• 磁気遮蔽なしの環境下でも、全磁界感度が 16 fT/cm/Hz$^{1/2}$ に達し、MEG 信号の検出に十分な感度を達成した。
• 磁気遮蔽を一切用いず、MEG および心磁図（MCG）信号が正常に検出された。自然環境下での実用性が実証された。
• システム全体の消費電力はわずか 5 W に抑えられ、標準的なラップトップからの駆動が可能で、ポータブル運用が実現した。
• マイクロフォーミングされた $^{87}$Rb 蒸気セルと高度な断熱処理の導入により、システムの安定性と小型化が顕著に向上した。
• 勾配計構成により、共通モードの環境磁界ノイズが効果的に抑制され、信号対雑音比が向上した。
• 独自設計の電子回路と低消費電力設計の統合により、大型遮蔽室に依存しないリアルタイムでポータブルな生体磁気測定が可能になった。