一种基于光抽运效应的磁共振信号检测方法

摘要

一种基于光抽运效应的磁共振信号检测方法，利用光抽运效应的原理，向放置在电磁线圈中心，待检测样品附近的碱金属原子吸收泡提供一个偏置磁场。待测样品发出的磁场叠加在这个偏置磁场之上，形成总的磁场。入射到碱金属原子吸收泡的透射光强度将随着总磁场的变化而变化，记录碱金属原子吸收泡透射光强度的改变情况便可获得待测样品磁场的变化情况；透射光强经过光电探测器转换为相应的电信号，由此电信号经过二维傅里叶变换即可获得待测样品的磁共振图像。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁共振信号检测方法，特别涉及一种基于光抽运效应进行磁共振信号检测的方法。

背景技术

常规磁共振成像设备利用射频线圈接收信号。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁通在线圈中产生的感应电动势为

$>\mathrm{emf}=-\frac{\mathrm{d\Phi }}{\mathrm{dt}}=-\frac{d}{\mathrm{dt}}\int \overrightarrow{B}·d\overrightarrow{S}$>

根据对易原理，感应电动势在磁共振成像中通常又写成

其中，为磁化强度矢量，为射频线圈的检测灵敏度，即单位电流所产生的实验室磁场。信号主要来源于横向磁化强度矢量的贡献，可以进一步将其表示为

$>\mathrm{signal}\propto {\omega }_0{\int e}^{-t/T_2\left(\overrightarrow{r}\right)}{M}_{\perp }(\overrightarrow{r},0)\delta B_{\perp }\left(\overrightarrow{r}\right)\sin ({\omega }_{0}t+{\theta }_B\left(\overrightarrow{r}\right)-{\phi }_0\left(\overrightarrow{r}\right))d{\overrightarrow{r}}^3$>

由于ω₀＝γB₀，可见感应电动势的大小十分依赖于主磁场的场强，当主磁场场强很低时，射频线圈接收到的信号强度大大下降。为了提高信噪比，磁共振成像设备越来越追求高场强的磁体，使得设备的制造维护费用大幅度上升，成为限制磁共振成像普及的一个重要因素。

为了提高磁共振成像设备的信号检测能力，人们将一些灵敏度很高的磁场测量方法引入到磁共振成像中以代替射频线圈。例如，在美国专利20070205767A1中，劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的Shoujun Xu等人利用光学原子磁力计第一次得到了水的磁共振图像。

光学原子磁力计是一种基于磁致旋光效应的磁场测量仪器，主要应用于原子研究，空间探测，矿产勘察，医学诊断等领域，灵敏度高达80fT/Hz^1/2。磁力计的主体包括两个铷原子吸收泡，它们组成了一个一阶梯度计以抑制共模噪声，吸收泡为边长2cm的立方体，工作时温度维持在43℃左右。激光器发出的光对应于铷的D₁跃迁(794.8nm)，该光束被分光镜分成两束后分别进入到两个吸收泡中，每束激光的光路上的起偏器与检偏器呈45°摆放以检测旋光角度。B₁是一个引导场，大小约为0.05mT，该场不会作用于吸收泡。B_b是一个大小约为70nT的偏置场，该场不仅决定了磁力计的探测方向，还确定了不加样品时的激光调制频率约为1000Hz。

吸收泡中铷原子的拉莫尔进动频率由样品发出的磁场决定，当入射激光的调制频率等于两倍进动频率时将观察到共振现象。此时，从吸收泡射出的激光的偏振面将发生一定的转动，通过测量偏振面的旋转角度间接获得样品磁场，再经由后续的数据处理进一步得到磁共振图像。

实验对象为蒸馏水，实验时通过水泵使水循环流动起来。样品先在一个大小为0.3T的磁体中极化15s后分成两路进入到一个3.1mT的编码场中进行空间位置编码，最后又汇成一路进入到磁力计中。

光学原子磁力计在进行检测时不需要低温装置维持工作，它直接测量样品发出的磁场，检测时无须再施加射频脉冲。由于这种磁力计在低磁场下仍能保持极高的灵敏度，因此还可用于检测磁化率梯度较高的样品。但是，光学原子磁力计的设计和操作都比较复杂，必须在不同的区域完成对样品的预极化、编码和检测，只适用于液体，这就限制了它在磁共振成像中的应用。

中国专利200810240408提出在同一地点完成对样品的极化和编码，成像时首先打开场强较高的预极化磁场对成像物体进行极化，使不同能级上的粒子个数差加大，物体磁化程度增强。然后，迅速关闭预极化磁场，打开编码静磁场，使成像物体在这个场强较低的编码静磁场中完成射频激励和空间位置编码。粒子的拉莫尔进动频率取决于这个较低的静磁场，但是其磁化强度仍由较高的预极化磁场决定。编码完成后，迅速撤除编码时所施加的各个磁场，利用光学原子磁力计对成像物体进行检测。此发明突破了只能对流体成像的限制，实验过程中样品无须移动，但是磁场测量装置仍为光学原子磁力计。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术依据磁致旋光效应带来的缺点，提出了一种基于光抽运效应的磁共振信号检测方法。

本发明检测方法基于光抽运效应原理，在待检测样品发出的磁共振信号和外加磁场共同作用下，碱金属原子对于特定波长入射光子吸收受到影响，穿过碱金属原子吸收泡的透射光强度随之改变，检测碱金属原子吸收泡的透射光光强，将透射光光强转换成电信号，再对这些电信号进行二维傅里叶变换得到待检测样品的磁共振图像。

本发明基于以下原理：

利用特定波长的光照射碱金属原子，当入射光为左旋圆偏振光即σ⁺时，碱金属原子吸收了一个σ⁺光子后，其磁量子数将会增加1并跃迁到最低激发态；与此同时，位于最低激发态上的原子会通过自发辐射以相等几率返回基态各子能级，在此过程中遵循的选择定则为Δm_F＝+1，0，-1。由于最低激发态的磁量子数不可能为m_F＝+3，位于基态m_F＝+2子能级上的粒子不能向上跃迁，这样经过若干次循环以后，基态m_F＝+2子能级上的粒子数大大增加。同理，如果入射光为右旋圆偏振光即σ^-时，原子向上跃迁的定则为Δm_F＝-1，向下跃迁所遵循的定则仍为Δm_F＝+1，0，-1，由于最低激发态的磁量子数不可能为m_F＝-3，位于基态m_F＝-2子能级上的粒子不能向上跃迁，最终大量粒子会来到基态m_F＝-2子能级上。当粒子集中分布于某一个基态子能级上时，碱金属原子对外表现出一个净磁矩，这就是光抽运的原理。

线偏振光可以视为等量σ⁺和σ^-的混合，当入射光为特定波长的线偏振光时，碱金属原子对于入射光有强烈的吸收但是不会对外显示磁性，没有光抽运效应发生。椭圆偏振光可视为不等量σ⁺和σ^-的混合，当入射光为特定波长的椭圆偏振光时，碱金属原子同样吸收入射光子但是光抽运效应不如圆偏振光明显。

当光抽运发生时，实际上有抽运和弛豫两个物理过程同时在起作用。碱金属原子吸收了一个光子后会被抽运到基态某个子能级之上，同时由于与容器内壁的碰撞以及原子之间的碰撞，碱金属原子又会弛豫回到基态其他子能级，最终抽运和弛豫达到动态平衡。当容器内的原子达到动态平衡时，被吸收的光子数正比于离开基态这个子能级的原子个数。

外加磁场影响原子的弛豫。当外加磁场为零时，弛豫最强烈，大量入射光子被原子吸收，透射光强度达到最小值。随着外加磁场的加大，碱金属原子的弛豫逐渐减弱，透射光强度有所恢复，并最终趋于稳定。因此，透射光强度受到了外加磁场的调制。

为了进一步确定透射光强度和外加磁场的关系，对碱金属原子吸收泡进行测试。利用电磁线圈将吸收泡所处位置处的地磁场抵消一部分，然后再对吸收泡施加另一个磁场。在吸收泡的附近放置一个磁场传感器测量吸收泡的磁场大小，通过改变电磁线圈的电流调节外加磁场的大小，记录在各个场强下吸收泡透射光强度的稳定值。

磁共振信号来源于待测样品内部的质子磁化强度矢量在做拉莫尔进动时所发出的磁场，常规磁共振成像正是根据法拉第电磁感应定律，采用射频感应线圈间接获得这个磁化强度矢量的变化情况。基于以上所述原理，待测样品发出的磁场将会改变碱金属原子吸收泡的物理特性，影响碱金属原子对于特定波长入射光子的吸收，穿过碱金属原子吸收泡的透射光强度随之改变。任意场强的磁场作用时，吸收泡内碱金属原子的动态平衡建立过程非常迅速，透射光强度达到稳定值所需的时间极短，远小于待测样品发出磁场的周期。检测碱金属原子吸收泡的透射光强度，将光强转换成电信号，这些电信号再通过二维傅里叶变换就可得到待测样品的磁共振图像。

检测前按照上文所述方法先将地磁场抵消一部分，再为吸收泡提供一个偏置磁场。偏置磁场为电磁线圈产生的磁场和剩余地磁场分量的总和，利用磁场传感器可以测得该偏置磁场的场强值。偏置磁场的选择参照吸收泡透射光强度和外加磁场的关系。由于外加磁场为零时光强变化较为剧烈，外加磁场过大时光强趋近饱和，因此偏置磁场的场强选择应该适中，使吸收泡的透射光强度随着磁场线性变化。待测样品发出的磁场叠加在这个偏置磁场之上，形成一个总磁场，这个总磁场反映了电磁线圈产生的磁场、地磁场分量以及待测样品磁场的特征。透射光强度将随着总磁场的变化而变化，此时通过记录吸收泡光强的改变情况便可获得待测样品磁场的变化情况。

偏置磁场确定后可以开始进行磁场检测。为了进一步提高检测灵敏度，本发明采取差动方式检测光强，即在待测样品附近摆放多个碱金属原子吸收泡，光路不从待测样品内部穿过。待测样品的磁化强度矢量以偏置磁场所确定的拉莫尔频率进动，吸收泡的总磁场为待测样品发出的磁场与偏置磁场之和。

光源发出的特定波长的光被平分成多路后再将其转换为偏振光，偏振光穿过碱金属原子吸收泡后由光电探测器转换为相应的电信号，利用高斯差值等方法对这些电信号进行处理，得到一个最终的信号。

由于透射光强度直接反应待测样品磁化强度矢量的运动情况，因此其变化规律等同于常规磁共振成像所用接收线圈的感应电动势。图像重建方法与常规磁共振成像完全相同。计算机采集透射光转换成的电信号之后，再经过二维傅里叶变换即可获得待测样品的磁共振图像。

本发明提出的磁共振信号检测方法基于光抽运效应，依靠基本的光泵磁共振实验装置即可检测磁场，装置结构较光学原子磁力计大为简化。与常规磁共振成像所用射频线圈相比，本发明提出的方法在编码静磁场较低的情况下仍可获得较高的灵敏度，降低了磁体的设计维护费用。采用微细加工技术后，实验装置的体积还可进一步缩小，成为一种便携式磁场检测设备。

附图说明

图1为实验装置原理图，其中1为三组相互正交的亥姆霍兹线圈，2为预极化线圈，3为编码静磁场线圈，4为梯度线圈和射频线圈，5为待测物体，6和7为磁场测量装置；

图2为实验所用吸收泡的透射光强度-外加磁场关系图；

图3为两路光路的结构示意图，其中8为光源，9为干涉滤光片，10、19、20为透镜，12为分光镜，11为全反射镜，13、14为偏振片，15、16为四分之一波片，17、18为吸收泡，5为样品，21、22为光电探测器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1、2、3为本发明的实施例。本实施例以碱金属原子铷原子为例说明本发明的检测方法。

图1所示为实施本发明检测方法的实验装置，图2为实验所用铷原子吸收泡的透射光强度-外加磁场曲线，也即铷原子吸收泡的工作曲线，图2的横坐标为外加磁场的磁感应强度大小，单位为特斯拉(T)，纵坐标为透射光光强，大小以光电探测器的输出电压值表示，单位为伏特(V)。图3是实施本发明检测方法的实验装置的光路结构图。

磁共振成像可以分为预极化、编码和检测三个步骤，成像前首先确定检测所用铷原子吸收泡的透射光强度和外加磁场之间的关系，并根据光强磁场关系确定检测时吸收泡所需的偏置磁场大小。

如图1所示，入射光波长约为794.8nm，亥姆霍兹线圈1由三组相互正交的线圈组成，利用其中的两组将与光路垂直的两个方向上的地磁场分量屏蔽，再用另一组线圈对吸收泡施加一个平行于光路方向的磁场。在吸收泡的附近放置磁场传感器以测量吸收泡磁场大小，记录不同磁场作用下的透射光强度变化情况。实测的吸收泡透射光强度和外加磁场的关系如图2所示，当外加磁场为零时透射光强度最弱，随着磁场的加大透射光强度逐渐恢复，并最终达到一个稳定值。

检测时仍然将与光路垂直的两个方向上的地磁场分量屏蔽，轴线平行于光路方向的一组亥姆霍兹线圈为铷原子吸收泡提供一个沿光路方向的磁场。铷原子吸收泡放置在亥姆霍兹线圈的中部，平行于光路方向的磁场和待测样品所处位置处剩余的地磁场分量之和作为偏置磁场。偏置磁场场强的选择依据事先确定的吸收泡透射光强度和外加磁场的关系，保证光强随磁场线性变化。调节亥姆霍兹线圈电流即可改变线圈产生的磁场，进而改变偏置磁场的大小。利用磁场传感器测量吸收泡附近的偏置磁场大小，偏置磁场确定后将该磁场传感器撤去。

待测样品在图1所示的预极化线圈2产生的预极化磁场的作用下极化50-3000ms以获得一个更大的净磁化强度矢量，然后在编码静磁场3、梯度磁场和射频磁场4的共同作用下完成空间位置编码，最后关闭所有上述磁场，开始进行磁场检测。

本发明提出的检测方法可概述为：待测样品发出的磁场和偏置磁场共同作用于铷原子吸收泡，引起吸收泡内铷原子物理特性改变，铷原子物理特性的改变影响其对入射光子的吸收，穿过吸收泡的透射光强度随之发生变化，多路光路所得的透射光相减后可得待测样品的磁场变化情况。

图3所示为两路光路的实施例。如图3所示，光源8发出的光经干涉滤光片9过滤后波长控制在794.8nm附近，分光镜12将其平分成相等的两路，其中一路先后通过偏振片14和四分之一波片16变成左旋圆偏振光，另一路经全反射镜11反射后通过偏振片13和四分之一波片15变为左旋圆偏振光。

左旋圆偏振光照射到吸收泡后将会发生光抽运效应，铷原子将按照Δm_F＝+1的选择定则被抽运到最低激发态，位于最低激发态上的原子又将按照Δm_F＝+1，0，-1的选择定则返回到基态，最终大量铷原子停留在基态m_F＝+2子能级上，在这个过程中入射光子被铷原子吸收，透射光强度急剧减弱。当铷泡内的抽运和弛豫两个物理过程达到平衡时，抽运来到基态m_F＝+2子能级上的粒子数和弛豫离开m_F＝+2子能级的粒子数相等，此时被吸收的光子数目固定下来，透射光强度也达到该磁场作用下的稳定值。待测样品发出的磁场作用于两个吸收泡，使得铷原子的弛豫几率改变，动态平衡被打破，铷原子又会试图建立一个在这个磁场作用下的新的平衡状态。实际的平衡状态建立过程非常迅速，远大于待测样品所发出的磁场的变化频率。

两束左旋圆偏振光分别照射两个吸收泡后，再通过透镜19、20汇聚到光电探测器21、22上，光电探测器将光强信号转换为电压信号。两个光电探测器输出的电压信号相减后经放大电路放大，放大的信号再由数据采集卡传送回计算机，计算机对这些数据进行一次二维傅里叶变换后即可得到待测样品的磁共振图像。