[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文提出一种基于原子磁力仪的低频机械磁性粒子成像（MPI）扫描仪，以克服特定吸收率（SAR）和外周神经刺激（PNS）的限制。通过在充有缓冲气体的铯原子气室中使用泵浦-探测原子磁力仪，系统在强磁场梯度（高达 mT/m）下实现了 1–10 pT/√Hz 的亚皮特斯拉/√Hz 敏感度（<1 pT/√Hz），从而在场-free line（FFL）构型和机械扫描条件下，实现了对频率低于 1 kHz 的磁性纳米颗粒（MNP）磁化强度的直接检测，实现 2D 成像。

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.

研究动机与目标

• 开发一种工作在低频（<1 kHz）的机械MPI扫描仪，以规避传统高频MPI系统固有的SAR和PNS限制。
• 利用具有平坦直流至千赫兹频率响应的原子磁力仪（AM），实现对MNP磁化强度的直接检测，避免线圈感应的限制。
• 设计一种生成场-free line（FFL）的线圈系统，与AM操作兼容，同时最小化传感器位置处的边缘场和梯度。
• 通过结合自补偿选择/调制线圈与泵浦-探测AM方案，在无屏蔽环境中实现高空间分辨率和高灵敏度。
• 展示机械扫描在2D MPI中的可行性，使用Resovist样品，估算可实现的视场、分辨率和灵敏度。

提出的方法

• 系统采用泵浦-探测原子磁力仪，置于填充有缓冲气体的133Cs蒸气室中，通过圆偏振泵浦光和线偏振探测光，利用偏振调制检测拉莫尔进动。
• 采用带有压控振荡器（VCO）的锁相环，锁定至射频驱动的自旋进动，实现对传感器位置处磁场分量Bx的直接测量。
• 选择与调制线圈设计用于生成场-free line（FFL），使MNP磁化强度选择性激发，补偿线圈使传感器处的边缘场降低10^4倍。
• 使用偶极子磁场方程（δBx = δ⃗B · ˆx）对传感器处的磁场进行建模，MNP磁矩在施加磁场H(t) = H_sel + H_mod·cos(2πf_modt)下由朗之万函数描述。
• 磁化强度的傅里叶展开产生与dM/dH成正比的基波响应，从而实现沿FFL方向MNP密度的检测。
• 通过将样品在FFL中进行机械扫描，实现MNP分布的空间编码，以f_mod频率进行信号解调，提取点扩散函数（PSF）。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子磁力仪是否能在典型MPI线圈系统中常见的强磁场梯度（mT/m）下实现足够灵敏度（≤10 pT/√Hz）？
• RQ2 能否通过线圈几何结构生成场-free line（FFL），并在传感器位置最小化边缘场，以保持AM灵敏度？
• RQ3 在驱动频率（≤1 kHz）下直接检测MNP响应，是否能实现与传统MPI相当的空间分辨率和灵敏度？
• RQ4 基于AM方法的机械2D MPI扫描仪可实现的视场和空间分辨率是多少？
• RQ5 系统是否能在低频（<1 kHz）下有效运行而不损失灵敏度，从而实现与更大磁性纳米颗粒的兼容性？

主要发现

• 在填充缓冲气体的133Cs原子气室中，泵浦-探测AM方案在从直流到数kHz的带宽内，即使在mT/m量级的磁场梯度下，仍能实现1–10 pT/√Hz的灵敏度。
• 系统在30 Hz至1 kHz的驱动频率范围内稳定运行，灵敏度无下降，支持低SAR成像。
• 自补偿螺线管使传感器处的边缘场比样品处的磁场降低10^4倍，从而在无屏蔽环境中保持AM灵敏度。
• 理论仿真证实，基于FFL的扫描仪可实现亚毫米级空间分辨率的点扩散函数（PSF），具体取决于线圈几何结构和MNP特性。
• 在机械扫描条件下，对Resovist样品的估算灵敏度足以检测1–10 µg/mL范围内的MNP浓度，前提是线圈与传感器对准最佳。
• 由于低频运行，系统与更大的磁性纳米颗粒兼容，扩展了除传统高频MPI所用MNP类型外的适用MNP种类范围。