核磁共振成像的量子飞跃：原子传感器解锁新的成像潜力

新的原子传感器技术通过实时跟踪超极化分子来增强MRI质量控制，在各个科学领域具有潜在的益处。

磁共振成像（MRI）是现代医学的基本工具，提供内部器官和组织的详细视图。这些大的管状核磁共振成像仪，在医院里很常见，利用强大的磁铁来分析和可视化体内水和脂肪分子的密度。

除了这些分子外，代谢物等其他物质也可以被绘制出来，但它们的浓度往往太低，无法产生清晰的图像。为了克服这一限制，一种被称为“超极化”的技术被用来增强这些物质的磁共振信号，使它们在MRI扫描时更明显。

超极化包括在体外制备一种物质，使其磁化（产生MRI图像的关键）接近最大值。与自然状态相比，这个过程可以将信号增强数千倍。一旦超极化，物质被注射到病人体内，并被运送到目标器官或组织。然而，在这种情况发生之前，至关重要的是要通过严格的质量控制过程确认该物质是充分超极化的。

当前的质量控制技术面临两大挑战。首先，这些方法通常会在读出过程中降低样本的磁化强度，从而降低其增强MRI扫描的能力。其次，测量所需的时间可能很长，在此期间物质的磁化会自然衰减，限制了连续测量的机会。这导致缺乏关键数据，否则这些数据将有助于最大限度地提高超极化的效率。此外，一旦样品超极化，在运输到MRI机器的过程中，它就有可能失去磁化。传统的质量控制技术由于其耗时的性质，可能无法及时检测到这种损失。

现在，IBEC研究人员James Eills博士和Irene Marco Rius博士，以及ICFO研究人员ICREA Morgan W.Mitchell教授和Michael C.D.Tayler博士的合作展示了原子传感器技术在测量超极化材料磁化时如何克服传统采样的局限性。这一突破最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

特别是，该团队使用了光泵原子磁强计（OPMs），其工作原理与传统传感器有根本不同，可以实时检测超极化分子产生的场。OPM的性质允许这些研究人员在整个实验中进行连续、高分辨率和非破坏性的观察，包括超偏振过程本身。

根据作者的说法，如果超偏振传感的领域是电影，以前的方法就像一组静止的照片，让观众在定格的照片之间猜测情节。“相反，我们的技术更像是一段视频，你可以一帧一帧地看到整个故事。基本上，你可以连续观察，没有分辨率限制，这样你就不会错过任何细节！”ICFO研究员、该文章的合著者Michael C.D.Tayler博士解释说。

揭示了化合物在磁化过程中的行为

该团队通过监测临床相关分子的超极化来测试他们的OPMs。原子传感器前所未有的分辨率和实时跟踪使他们能够见证代谢物化合物（[1-13C]-富马酸盐）在磁场存在下的极化演变。

原子传感器揭示了迄今为止未被注意到的“隐藏自旋动力学”，为从超极化过程的一开始就优化超极化提供了一条新的途径。“以前的方法掩盖了磁化曲线中微妙的振荡，这在以前是无法检测到的，”Michael C.D.Tayler说。“如果没有OPM，我们可能会在没有意识到的情况下实现次优的最终极化。”除了简单的观察外，该方法还可以实时控制偏振过程，并在最方便的点（例如达到最大偏振时）停止偏振过程。

当研究小组应用磁场反复磁化和消磁超极化富马酸盐分子时，研究揭示了其他意想不到的行为。他们期望看到磁化强度增加到最大值，然后一次又一次地回到零，每次都从一个状态平稳地过渡到另一个状态。与这些简单的预期相反，由于在某些磁化-退磁持续时间和磁场下的隐藏共振，该分子表现出复杂的动力学。

Michael C.D.Tayler解释说：“这种理解将有助于我们检测何时发生不必要的行为，并调整参数（如周期的持续时间或磁场的强度）来防止这种行为。”

这项工作代表了超极化核磁共振技术的进步，这在很大程度上要归功于IBEC的精确医学分子成像小组和ICFO的原子量子光学小组的合作努力。IBEC在超极化方法方面的专业知识和ICFO在OPM传感技术方面的专业知识对取得成果至关重要。

“这是新科学的一个美丽的例子，当来自不同学科的研究人员一起工作时，IBEC和ICFO的邻近意味着我们能够密切合作，实现一些真正新颖的东西，”IBEC研究员和文章的第一作者James Eills博士承认。

Michael C.D.Tayler博士回顾了团队的成功：“OPM测量从一开始就非常有效。传感器的灵敏揭示了我们没有预料到的隐藏动力，好像它们就是为了这个目的。易用性和丰富的新信息使它们成为超极化监测的有力工具。”

磁共振成像和其他未来应用的好处

这项研究的直接应用将是将便携式原子传感器集成到MRI的临床样品质量控制中，这是目前由ICFO团队在西班牙政府项目“SEE-13-MRI”中实施的。通过这种方式，人们可以在超极化过程中引导分子达到尽可能高的极化水平，并在将物质注射到患者体内之前可靠地验证极化水平。

这一进展可以显著降低代谢MRI的成本和后勤挑战。如果是这样，它将从目前使用的少数专业研究中心扩展到世界各地的许多医院。

然而，原子传感器的潜力远远超出了医学成像。使用光泵磁强计（OPMs）的非破坏性实时跟踪系统可用于监测化学过程中的大分子，研究高能物理目标，甚至优化量子计算中基于自旋的算法。根据Michael C.D.Tayler博士的说法：“我们开发的方法不仅为改进MRI开辟了新的途径，而且为依赖精确磁传感的各种领域开辟了新的途径，我们对其进一步发展感到兴奋。”

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！