新的原子傳感器技術(shù)通過實時跟蹤超極化分子來增強MRI質(zhì)量控制，在各個科學領(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)學的基本工具，提供內(nèi)部器官和組織的詳細視圖。這些大的管狀核磁共振成像儀，在醫(yī)院里很常見，利用強大的磁鐵來分析和可視化體內(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，但它們的濃度往往太低，無法產(chǎn)生清晰的圖像。為了克服這一限制，一種被稱為“超極化”的技術(shù)被用來增強這些物質(zhì)的磁共振信號，使它們在MRI掃描時更明顯。

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，這個過程可以將信號增強數(shù)千倍。一旦超極化，物質(zhì)被注射到病人體內(nèi)，并被運送到目標器官或組織。然而，在這種情況發(fā)生之前，至關(guān)重要的是要通過嚴格的質(zhì)量控制過程確認該物質(zhì)是充分超極化的。

當前的質(zhì)量控制技術(shù)面臨兩大挑戰(zhàn)。首先，這些方法通常會在讀出過程中降低樣本的磁化強度，從而降低其增強MRI掃描的能力。其次，測量所需的時間可能很長，在此期間物質(zhì)的磁化會自然衰減，限制了連續(xù)測量的機會。這導致缺乏關(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，在運輸?shù)組RI機器的過程中，它就有可能失去磁化。傳統(tǒng)的質(zhì)量控制技術(shù)由于其耗時的性質(zhì)，可能無法及時檢測到這種損失。

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)在測量超極化材料磁化時如何克服傳統(tǒng)采樣的局限性。這一突破最近發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。

特別是，該團隊使用了光泵原子磁強計（OPMs），其工作原理與傳統(tǒng)傳感器有根本不同，可以實時檢測超極化分子產(chǎn)生的場。OPM的性質(zhì)允許這些研究人員在整個實驗中進行連續(xù)、高分辨率和非破壞性的觀察，包括超偏振過程本身。

根據(jù)作者的說法，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故事�；�本上，你可以連續(xù)觀察，沒有分辨率限制，這樣你就不會錯過任何細節(jié)！”ICFO研究員、該文章的合著者Michael C.D.Tayler博士解釋說。

揭示了化合物在磁化過程中的行為

該團隊通過監(jiān)測臨床相關(guān)分子的超極化來測試他們的OPMs。原子傳感器前所未有的分辨率和實時跟蹤使他們能夠見證代謝物化合物（[1-13C]-富馬酸鹽）在磁場存在下的極化演變。

原子傳感器揭示了迄今為止未被注意到的“隱藏自旋動力學”，為從超極化過程的一開始就優(yōu)化超極化提供了一條新的途徑�！耙郧暗姆椒ㄑ谏w了磁化曲線中微妙的振蕩，這在以前是無法檢測到的，”Michael C.D.Tayler說�！叭绻麤]有OPM，我們可能會在沒有意識到的情況下實現(xiàn)次優(yōu)的最終極化。”除了簡單的觀察外，該方法還可以實時控制偏振過程，并在最方便的點（例如達到最大偏振時）停止偏振過程。

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

Michael C.D.Tayler解釋說：“這種理解將有助于我們檢測何時發(fā)生不必要的行為，并調(diào)整參數(shù)（如周期的持續(xù)時間或磁場的強度）來防止這種行為。”

這項工作代表了超極化核磁共振技術(shù)的進步，這在很大程度上要歸功于IBEC的精確醫(yī)學分子成像小組和ICFO的原子量子光學小組的合作努力。IBEC在超極化方法方面的專業(yè)知識和ICFO在OPM傳感技術(shù)方面的專業(yè)知識對取得成果至關(guān)重要。

“這是新科學的一個美麗的例子，當來自不同學科的研究人員一起工作時，IBEC和ICFO的鄰近意味著我們能夠密切合作，實現(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。

Michael C.D.Tayler博士回顧了團隊的成功：“OPM測量從一開始就非常有效。傳感器的靈敏揭示了我們沒有預料到的隱藏動力，好像它們就是為了這個目的。易用性和豐富的新信息使它們成為超極化監(jiān)測的有力工具。”

磁共振成像和其他未來應(yīng)用的好處

這項研究的直接應(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團隊在西班牙政府項目“SEE-13-MRI”中實施的。通過這種方式，人們可以在超極化過程中引導分子達到盡可能高的極化水平，并在將物質(zhì)注射到患者體內(nèi)之前可靠地驗證極化水平。

這一進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)專業(yè)研究中心擴展到世界各地的許多醫(yī)院。

然而，原子傳感器的潛力遠遠超出了醫(yī)學成像。使用光泵磁強計（OPMs）的非破壞性實時跟蹤系統(tǒng)可用于監(jiān)測化學過程中的大分子，研究高能物理目標，甚至優(yōu)化量子計算中基于自旋的算法。根據(jù)Michael C.D.Tayler博士的說法：“我們開發(fā)的方法不僅為改進MRI開辟了新的途徑，而且為依賴精確磁傳感的各種領(lǐng)域開辟了新的途徑，我們對其進一步發(fā)展感到興奮。