新的原子傳感器技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤超極化分子來(lái)增強(qiáng)MRI質(zhì)量控制，在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域具有潛在的益處。

核磁共振成像的量子飛躍：原子傳感器解鎖新的成像潛力

磁共振成像（MRI）是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基本工具，提供內(nèi)部器官和組織的詳細(xì)視圖。這些大的管狀核磁共振成像儀，在醫(yī)院里很常見(jiàn)，利用強(qiáng)大的磁鐵來(lái)分析和可視化體內(nèi)水和脂肪分子的密度。

除了這些分子外，代謝物等其他物質(zhì)也可以被繪制出來(lái)，但它們的濃度往往太低，無(wú)法產(chǎn)生清晰的圖像。為了克服這一限制，一種被稱(chēng)為“超極化”的技術(shù)被用來(lái)增強(qiáng)這些物質(zhì)的磁共振信號(hào)，使它們?cè)贛RI掃描時(shí)更明顯。

超極化包括在體外制備一種物質(zhì)，使其磁化（產(chǎn)生MRI圖像的關(guān)鍵）接近最大值。與自然狀態(tài)相比，這個(gè)過(guò)程可以將信號(hào)增強(qiáng)數(shù)千倍。一旦超極化，物質(zhì)被注射到病人體內(nèi)，并被運(yùn)送到目標(biāo)器官或組織。然而，在這種情況發(fā)生之前，至關(guān)重要的是要通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制過(guò)程確認(rèn)該物質(zhì)是充分超極化的。

當(dāng)前的質(zhì)量控制技術(shù)面臨兩大挑戰(zhàn)。首先，這些方法通常會(huì)在讀出過(guò)程中降低樣本的磁化強(qiáng)度，從而降低其增強(qiáng)MRI掃描的能力。其次，測(cè)量所需的時(shí)間可能很長(zhǎng)，在此期間物質(zhì)的磁化會(huì)自然衰減，限制了連續(xù)測(cè)量的機(jī)會(huì)。這導(dǎo)致缺乏關(guān)鍵數(shù)據(jù)，否則這些數(shù)據(jù)將有助于最大限度地提高超極化的效率。此外，一旦樣品超極化，在運(yùn)輸?shù)組RI機(jī)器的過(guò)程中，它就有可能失去磁化。傳統(tǒng)的質(zhì)量控制技術(shù)由于其耗時(shí)的性質(zhì)，可能無(wú)法及時(shí)檢測(cè)到這種損失。

現(xiàn)在，IBEC研究人員James Eills博士和Irene Marco Rius博士，以及ICFO研究人員ICREA Morgan W.Mitchell教授和Michael C.D.Tayler博士的合作展示了原子傳感器技術(shù)在測(cè)量超極化材料磁化時(shí)如何克服傳統(tǒng)采樣的局限性。這一突破最近發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

特別是，該團(tuán)隊(duì)使用了光泵原子磁強(qiáng)計(jì)（OPMs），其工作原理與傳統(tǒng)傳感器有根本不同，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)超極化分子產(chǎn)生的場(chǎng)。OPM的性質(zhì)允許這些研究人員在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行連續(xù)、高分辨率和非破壞性的觀察，包括超偏振過(guò)程本身。

根據(jù)作者的說(shuō)法，如果超偏振傳感的領(lǐng)域是電影，以前的方法就像一組靜止的照片，讓觀眾在定格的照片之間猜測(cè)情節(jié)。“相反，我們的技術(shù)更像是一段視頻，你可以一幀一幀地看到整個(gè)故事�；�本上，你可以連續(xù)觀察，沒(méi)有分辨率限制，這樣你就不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何細(xì)節(jié)！”ICFO研究員、該文章的合著者M(jìn)ichael C.D.Tayler博士解釋說(shuō)。

揭示了化合物在磁化過(guò)程中的行為

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)監(jiān)測(cè)臨床相關(guān)分子的超極化來(lái)測(cè)試他們的OPMs。原子傳感器前所未有的分辨率和實(shí)時(shí)跟蹤使他們能夠見(jiàn)證代謝物化合物（[1-13C]-富馬酸鹽）在磁場(chǎng)存在下的極化演變。

原子傳感器揭示了迄今為止未被注意到的“隱藏自旋動(dòng)力學(xué)”，為從超極化過(guò)程的一開(kāi)始就優(yōu)化超極化提供了一條新的途徑。“以前的方法掩蓋了磁化曲線中微妙的振蕩，這在以前是無(wú)法檢測(cè)到的，”Michael C.D.Tayler說(shuō)。“如果沒(méi)有OPM，我們可能會(huì)在沒(méi)有意識(shí)到的情況下實(shí)現(xiàn)次優(yōu)的最終極化�！背�了簡(jiǎn)單的觀察外，該方法還可以實(shí)時(shí)控制偏振過(guò)程，并在最方便的點(diǎn)（例如達(dá)到最大偏振時(shí)）停止偏振過(guò)程。

當(dāng)研究小組應(yīng)用磁場(chǎng)反復(fù)磁化和消磁超極化富馬酸鹽分子時(shí)，研究揭示了其他意想不到的行為。他們期望看到磁化強(qiáng)度增加到最大值，然后一次又一次地回到零，每次都從一個(gè)狀態(tài)平穩(wěn)地過(guò)渡到另一個(gè)狀態(tài)。與這些簡(jiǎn)單的預(yù)期相反，由于在某些磁化-退磁持續(xù)時(shí)間和磁場(chǎng)下的隱藏共振，該分子表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)。

Michael C.D.Tayler解釋說(shuō)：“這種理解將有助于我們檢測(cè)何時(shí)發(fā)生不必要的行為，并調(diào)整參數(shù)（如周期的持續(xù)時(shí)間或磁場(chǎng)的強(qiáng)度）來(lái)防止這種行為。”

這項(xiàng)工作代表了超極化核磁共振技術(shù)的進(jìn)步，這在很大程度上要?dú)w功于IBEC的精確醫(yī)學(xué)分子成像小組和ICFO的原子量子光學(xué)小組的合作努力。IBEC在超極化方法方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和ICFO在OPM傳感技術(shù)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)取得成果至關(guān)重要。

“這是新科學(xué)的一個(gè)美麗的例子，當(dāng)來(lái)自不同學(xué)科的研究人員一起工作時(shí)，IBEC和ICFO的鄰近意味著我們能夠密切合作，實(shí)現(xiàn)一些真正新穎的東西，”IBEC研究員和文章的第一作者James Eills博士承認(rèn)。

Michael C.D.Tayler博士回顧了團(tuán)隊(duì)的成功：“OPM測(cè)量從一開(kāi)始就非常有效。傳感器的靈敏揭示了我們沒(méi)有預(yù)料到的隱藏動(dòng)力，好像它們就是為了這個(gè)目的。易用性和豐富的新信息使它們成為超極化監(jiān)測(cè)的有力工具。”

磁共振成像和其他未來(lái)應(yīng)用的好處

這項(xiàng)研究的直接應(yīng)用將是將便攜式原子傳感器集成到MRI的臨床樣品質(zhì)量控制中，這是目前由ICFO團(tuán)隊(duì)在西班牙政府項(xiàng)目“SEE-13-MRI”中實(shí)施的。通過(guò)這種方式，人們可以在超極化過(guò)程中引導(dǎo)分子達(dá)到盡可能高的極化水平，并在將物質(zhì)注射到患者體內(nèi)之前可靠地驗(yàn)證極化水平。

這一進(jìn)展可以顯著降低代謝MRI的成本和后勤挑戰(zhàn)。如果是這樣，它將從目前使用的少數(shù)專(zhuān)業(yè)研究中心擴(kuò)展到世界各地的許多醫(yī)院。

然而，原子傳感器的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了醫(yī)學(xué)成像。使用光泵磁強(qiáng)計(jì)（OPMs）的非破壞性實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)化學(xué)過(guò)程中的大分子，研究高能物理目標(biāo)，甚至優(yōu)化量子計(jì)算中基于自旋的算法。根據(jù)Michael C.D.Tayler博士的說(shuō)法：“我們開(kāi)發(fā)的方法不僅為改進(jìn)MRI開(kāi)辟了新的途徑，而且為依賴(lài)精確磁傳感的各種領(lǐng)域開(kāi)辟了新的途徑，我們對(duì)其進(jìn)一步發(fā)展感到興奮。