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核磁共振成像（MRI）扫描仪可以提供质量卓越的饱和保核3D图像，但用于创建这些图像的吸收型量像质强磁场存在扰动，可能会在扫描中引入误差和干扰。光谱光学因此，磁力磁共MRI扫描仪需要经常校准以确保其成像质量。计确

此外，振成由于磁场的饱和保核高度不稳定性，像螺旋序列这样可以缩短扫描时间的吸收型量像质创新扫描方法是不可行的。从理论上而言，光谱光学可以通过增加传感器来读取和映射磁场的磁力磁共变化，进而通过计算纠错来解决这个问题。计确然而，振成在实践中，饱和保核由于电子传感器和电缆中的吸收型量像质金属会产生干扰，这种方法实际难以实现。光谱光学

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，丹麦磁共振研究中心（DRCMR）和哥本哈根大学尼尔斯-玻尔研究所（NBI）的研究人员开发了一种基于饱和吸收光谱的新型量子光学磁力计，能够测量强磁场，并有望延长MRI扫描仪的使用寿命，同时提高其质量并降低成本。该量子光学磁力计原型目前已在丹麦磁共振研究中心的Hvidovre医院投入使用。

该量子光学磁力计基于铯D₂谱线的极端角动量饱和吸收光谱。它有四个独立的小型磁传感器组成，可分布在MRI扫描仪中。其中一个探头位于磁场范围之外，起到控制作用。该系统通过光纤电缆向MRI扫描仪中的四个磁传感器发送激光。

光学探头组件的分解图

在磁传感器内部，光穿过一个盛有铯气体的小玻璃容器。在一定频率下，气体吸收光并在铯原子中产生共振。铯原子中的电子在吸收光子时会产生更大的振荡，当电子回原位时，光子又会重新发射出去。随着光变暗，铯蒸气会变亮。如果铯暴露在磁场中，光谱频率将会根据磁场的强度而变化。

当磁场发生扰动时，磁传感器会映射出磁场中扰动的位置，并记录扰动如何影响磁场强度。由此产生的数据可用于识别MRI扫描中的错误。未来，还可以根据四个磁传感器收集的数据对干扰和错误图像进行修正，以确保MRI成像的准确性。

该量子光学磁力计的主要设计者Hans Stærkind说：“当激光以适宜的频率穿过气体时，光与铯原子中的电子会产生共振。但是，当气体暴露在磁场中时，发生共振的频率（或波长）则会发生变化。”

“通过这种方式，我们可以找出正确的频率来测量磁场强度。这个过程完全由接收设备以闪电般的速度自动完成。”Hans Stærkind补充道。

量子光学磁力计利用激光和气体来测量磁场

该量子光学磁力计能够提供连续读数、高采样率以及百万分之一（ppm）范围内的灵敏度和准确度。所有电子元件和光学元件都集成在一个19英寸的机架上，结构紧凑、移动方便且坚固耐用。磁传感器采用光纤耦合，由非金属元件制成，可轻松安全地安装在7T MRI扫描仪内部。

量子光学磁力计原型

研究人员通过测量两种不同的MRI成像序列，展示了该量子光学磁力计的性能。为了验证该原型系统在医疗MRI中的潜在应用，研究人员展示了如何使用它来检测MRI扫描仪梯度线圈系统中的缺陷。

在制造量子光学磁力计之前，研究人员对铯原子的系数进行了高精度测量，从而使其能够以ppm的精度通过光学方式推断磁场。

“我们已经证明了该方法的理论可行性，现在又验证了它在实践中的可行性。”Stærkind说道，“目前，我们所制备的这个量子光学磁力计原型，基本上可以在不干扰MRI扫描仪的情况下完成测量目标。”

Stærkind表示，该量子光学磁力计还需要进行微调，从而使MRI扫描更便宜、更好用、更快捷。

“随着时间和技术的发展，MRI扫描仪将会生成质量优异的图像。”Stærkind说道，“但是在该量子光学磁力计的帮助下，我们有望利用相同的时间生成更优异的图像，或者利用更少的时间获得相同的成像质量。或者我们还可以制造一种更便宜的扫描仪，虽然可能存在一定误差，但在该量子光学磁力计的帮助下仍能提供较好的成像质量。”

到目前为止，该量子光学磁力计原型还在正常运行。研究人员计划进一步改进该原型，使其测量更加精确，并增强其识别扫描错误的能力。

虽然该量子光学磁力计最初的目标市场是MRI研究机构，但Stærkind研究团队希望大型MRI制造商能够长期采用这项新技术，并最终将量子光学磁力计直接集成在新的MRI扫描仪中。

“一旦该量子光学磁力计原型在2.0版本中得到优化改进，并在医院实际扫描大量数据后证明了其成像质量，我们将见证它的发展前景。”Stærkind表示，“该量子光学磁力计必将有潜力以一种独特的方式改进MRI成像质量，从而使医生和患者都能受益。”

这项研究成果目前已发表在PRX Quantum期刊和Physical Review X期刊上。

审核编辑：刘清