[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出一种便携式、无屏蔽的原子梯度仪，利用微加工制备的腔体中的自旋极化 $^{87}$Rb原子蒸气，实现总场灵敏度达 16 fT/cm/Hz$^{1/2}$，可在无需磁屏蔽的条件下检测脑磁图（MEG）和心磁图（MCG）信号。该系统仅消耗 5 W 功率，由笔记本电脑供电，实现了在自然环境中的实用神经成像。

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.

研究动机与目标

• 克服检测超弱神经磁信号的挑战，其强度约为地磁场的 1 亿分之一。
• 消除传统脑磁图（MEG）系统中对大型昂贵磁屏蔽装置的依赖。
• 开发一种便携式、低功耗（5 W）的 MEG 系统，适用于在无屏蔽的真实环境运行。
• 证明利用总场原子梯度仪以最少基础设施实现 MEG 和心磁图（MCG）信号检测的可行性。
• 通过集成微加工蒸气腔、热绝缘与定制电子设备，提升功能脑成像的便携性与实用性。

提出的方法

• 利用两个相对于地球磁场方向呈横向自旋极化的 $^{87}$Rb 原子蒸气腔，通过激光探测自由进动频率来测量总磁场。
• 采用梯度仪结构，通过测量磁场的空间梯度来抑制共模场波动。
• 利用微加工制备的蒸气腔实现传感器的小型化，并提升稳定性和灵敏度。
• 采用先进的热绝缘技术，维持原子蒸气腔的最佳工作温度。
• 集成定制的低功耗电子设备，将系统功耗降低至 5 W，实现由笔记本电脑供电。
• 利用探测激光高分辨率检测 $^{87}$Rb 原子的自由进动频率，该频率与总磁场强度成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 便携式原子梯度仪是否能在无屏蔽环境中实现足够灵敏度以检测 MEG 信号？
• RQ2 在仅消耗 5 W 功率的情况下，是否可行实现高性能高灵敏度原子磁强计的运行？
• RQ3 微加工蒸气腔与热绝缘技术是否能实现无需大型磁屏蔽装置的稳定、高灵敏度测量？
• RQ4 梯度仪结构在自然环境中对环境磁场噪声的抑制程度如何？
• RQ5 该系统是否能在无外部屏蔽条件下检测 MEG 和 MCG 信号，证明其在生物磁传感中的广泛适用性？

主要发现

• 系统在无屏蔽条件下实现总场灵敏度达 16 fT/cm/Hz$^{1/2}$，足以检测 MEG 信号。
• 成功在无磁屏蔽条件下检测到 MEG 和心磁图（MCG）信号，证明其在自然环境中的可行性。
• 整个系统仅消耗 5 W 功率，可由标准笔记本电脑供电，实现便携运行。
• 采用微加工 $^{87}$Rb 蒸气腔与先进热绝缘技术显著提升了系统的稳定性与小型化水平。
• 梯度仪结构有效抑制了共模环境磁场噪声，提升了信噪比。
• 定制电子设备与低功耗设计的集成，实现了无需大型屏蔽室的实时便携式生物磁传感。