原子磁力計(jì)在腦磁測(cè)量中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉慧豐，鮑善霞

（1.中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院，山西晉中 030600；2.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,山西大同037009）

腦磁圖（Magnetoencephalography，MEG）是一種能夠完全無侵地直接測(cè)量大腦神經(jīng)功能活動(dòng)的最新醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)，已被廣泛用于研究大腦的高級(jí)功能和各種神經(jīng)系統(tǒng)疑難病癥。通過對(duì)人腦進(jìn)行非侵入性測(cè)量，MEG能精確定位磁場(chǎng)源的部位，并且實(shí)時(shí)反映磁場(chǎng)源的活動(dòng)狀態(tài)[1]，還可以通過外界信號(hào)如聲信號(hào)、電信號(hào)等刺激腦部，引起磁場(chǎng)變化，從而可實(shí)現(xiàn)人腦的動(dòng)態(tài)行為[2]，故研究MEG對(duì)于探索大腦機(jī)理、解讀大腦奧秘有著很好的促進(jìn)作用。

過去的幾十年間，用于腦磁場(chǎng)探測(cè)的是基于超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting quantum interference device，SQUID）的商用儀器，但是該系統(tǒng)需要液氦對(duì)工作環(huán)境制冷、運(yùn)行成本高、裝置復(fù)雜、造價(jià)昂貴以及探頭距頭皮位置較遠(yuǎn)，限制了該設(shè)備的使用范圍，所以開發(fā)適用于室溫環(huán)境的磁力計(jì)尤為重要。隨著激光和探測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，原子磁力計(jì)的靈敏度達(dá)到了飛特斯拉水平，開始進(jìn)入生物磁場(chǎng)測(cè)量和研究的領(lǐng)域。2010年普林斯頓大學(xué)Romalis研究小組實(shí)現(xiàn)的無自旋交換弛豫（Spin-exchange relaxation free，SERF）原子磁力計(jì)的測(cè)量靈敏度0.16fT/[3]，可以與SQUID磁力計(jì)相媲美，甚至超越了它。在腦磁測(cè)量領(lǐng)域，高靈敏的原子磁力計(jì)可以代替目前昂貴的SQUID磁力計(jì)，是目前國際上公認(rèn)的下一代腦磁圖儀器的發(fā)展方向。

1 MEG信號(hào)發(fā)生機(jī)理

人體內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞受刺激后表現(xiàn)為電解質(zhì)離子輸運(yùn)產(chǎn)生電流，信號(hào)以傳導(dǎo)電流形式在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)，根據(jù)畢奧—薩法爾定律，生物電流會(huì)產(chǎn)生生物磁場(chǎng)，而生物磁場(chǎng)又包含了生理過程及其病理信息等，信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定，傳輸簡單。對(duì)于生物體來說，神經(jīng)細(xì)胞主要集中在腦部，當(dāng)外界刺激腦部產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)時(shí)，活動(dòng)的神經(jīng)電流會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)可以穿透腦組織和顱骨到達(dá)頭部之外，在頭皮表面放置一組探測(cè)器陣列用來記錄分布在頭皮表面上的交變磁場(chǎng)的變化，即可獲得腦磁圖。腦磁圖可以確定腦內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生源的精確位置和強(qiáng)度，反映腦部磁場(chǎng)變化。

1949年，Brazier提出可用電流偶極子來描述腦內(nèi)電磁磁源[4]，人腦的神經(jīng)活動(dòng)是產(chǎn)生電流偶極子的電源，腦電流分為跨膜電流、細(xì)胞內(nèi)電流和細(xì)胞外容積電流三種?？缒る娏鳟a(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，無法探測(cè)到磁信號(hào)；而由于細(xì)胞外容積電流的電流密度低，產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)基本上對(duì)腦磁圖的結(jié)果沒有影響，所以產(chǎn)生腦磁場(chǎng)的電流主要是細(xì)胞內(nèi)電流。將細(xì)胞內(nèi)電流看作一個(gè)電流偶極子，電流偶極子可以分解為徑向成分和切向成分，在球頭導(dǎo)體模型下如圖1所示,徑向偶極子是腦電圖測(cè)量電位信號(hào)的主要來源,對(duì)頭外磁場(chǎng)沒有貢獻(xiàn)，因此腦磁場(chǎng)所測(cè)量的是與腦表面呈切向分量的腦細(xì)胞內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)[5]。

圖1 頭模型下切向和徑向示意圖

作為一種無創(chuàng)性探測(cè)大腦電磁信號(hào)的電生理學(xué)技術(shù)，MEG具有高靈敏度、高時(shí)間分辨率和高空間分辨率等特征，對(duì)于研究人腦工作機(jī)制有著至關(guān)重要的作用。然而，腦磁的磁信號(hào)振幅在50 fT～5pT的范圍內(nèi)，僅相當(dāng)于地球磁場(chǎng)(30～50 μT)的億分之一，探測(cè)難度極高。為了測(cè)量微弱的腦磁信號(hào)，探測(cè)器的靈敏度需要達(dá)到1 fT量級(jí)。原子磁力計(jì)無需使用低溫超導(dǎo)磁體，在室溫環(huán)境下即可有效測(cè)量微弱磁場(chǎng)，是一種高靈敏的重要醫(yī)學(xué)輔助診斷儀器。

2 原子磁力計(jì)原理及光學(xué)結(jié)構(gòu)

原子磁力計(jì)的基本原理是以玻璃氣室中的鉀、銣和銫等堿金屬原子蒸氣作為探頭，利用外界磁場(chǎng)條件下光與原子的相互作用將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)變成光的信息，進(jìn)而通過光學(xué)探測(cè)手段實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。生物磁的研究和測(cè)量中通常采用的原子磁力計(jì)有基于光學(xué)-射頻雙共振現(xiàn)象的光抽運(yùn)磁力計(jì)（Optically-pumped magnetometers，OPM），利用非線性磁光旋轉(zhuǎn)（Nonlinear magneto-optical rotation，NMOR）的磁力計(jì)，相干布局囚禁磁力計(jì)（Cherent population trapping，CPT），以及用于測(cè)量低頻弱磁場(chǎng)的無自旋交換弛豫（Sin-exchange relaxation-free,SERF）磁力計(jì)等。

OPM測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)需要一個(gè)射頻線圈提供射頻場(chǎng)，來驅(qū)動(dòng)原子拉莫爾進(jìn)動(dòng)，存在額外的射頻噪聲；CPT磁力計(jì)不需要射頻線圈，探頭體積很小，但是其探測(cè)靈敏度在pT/水平，在腦磁測(cè)量中應(yīng)用范圍有限；NMOR原子磁力計(jì)采用非線性磁光效應(yīng)測(cè)量探測(cè)光的偏振面的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)微弱磁場(chǎng)的測(cè)量，靈敏度高，設(shè)備相對(duì)簡單。NMOR原子磁力計(jì)使用的探頭為堿金屬原子（如Na、K、Rb、Cs）蒸氣室，其最外層只有一個(gè)帶自旋的電子。利用一束σ+的圓偏振光對(duì)堿金屬原子進(jìn)行共振泵浦，這些電子的自旋被操控同相位的極化到同一個(gè)方向。此時(shí)，原子自旋磁矩的總和表現(xiàn)為一個(gè)沿著泵浦光的宏觀磁矩，在外磁場(chǎng)的作用下，原子的自旋極化宏觀磁矩會(huì)在垂直于泵浦光的平面上發(fā)生拉莫爾進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率ωL=γB，其中ωL為拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率，γ為旋磁比，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖2所示。在垂直于泵浦光的方向上入射一束非共振的線偏振探測(cè)光，原子宏觀磁矩在進(jìn)動(dòng)過程中會(huì)在探測(cè)光方向上產(chǎn)生投影，即在該方向上產(chǎn)生了原子的自旋極化，自旋極化會(huì)改變?cè)酉稻C對(duì)光的吸收率和色散率。線偏振探測(cè)光可以分解為兩個(gè)反方向的圓偏振光（σ+和σ-），而不同的圓偏光會(huì)有不同的吸收率（即折射率），則通過原子氣室后兩種圓偏振光之間產(chǎn)生相位差，最終線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。使用偏振檢測(cè)計(jì)探測(cè)旋轉(zhuǎn)的角度，在一定區(qū)間內(nèi)，該角度與外磁場(chǎng)大小成正比，從而可以計(jì)算出外磁場(chǎng)的大小，實(shí)現(xiàn)弱磁測(cè)量[7]。

圖2 原子磁力計(jì)原理圖

由于原子之間的自旋交換碰撞，原子的自旋極化壽命受到了限制，若想獲得最大的磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度，就必須抑制各種弛豫機(jī)制，獲得極窄的磁共振線寬。1973年由美國普林斯頓大學(xué)的Happer教授提出堿金屬原子在高粒子數(shù)密度和極低磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)（即SERF）自旋交換碰撞的弛豫展寬消失，獲得的磁共振線寬極窄。利用堿金屬原子在SERF區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)的極窄線寬特性，SERF磁力計(jì)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行高精度測(cè)量[8]，其工作原理和NMOR磁力計(jì)相似，從其物理本質(zhì)上來說是一種壓窄原子磁共振譜線線寬的方法。

SERF磁力計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括原子探頭、光學(xué)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、磁場(chǎng)控制系統(tǒng)以及信號(hào)采集與處理系統(tǒng)五部分，目前國內(nèi)外最常采用的基本裝置如圖3所示[9]。其中磁力計(jì)的探頭是一個(gè)充有自然豐度堿金屬的玻璃氣室，考慮光路的準(zhǔn)直性及整個(gè)結(jié)構(gòu)的緊湊型采用硼硅酸鹽制的立方形玻璃氣室，為了避免堿金屬原子與玻璃器壁的碰撞，氣室中充有氦氣作為緩沖氣體，為了抑制激發(fā)態(tài)自發(fā)輻射過程中雜散熒光導(dǎo)致原子自旋極化的破壞，充氮?dú)庾鳛榇銣鐨怏w；光學(xué)系統(tǒng)中的光有兩個(gè)作用：與堿金屬原子D1線共振的圓偏振激光作為泵浦光極化原子，與堿金屬原子D2線大失諧的線偏振激光作為探測(cè)光用來探測(cè)原子自旋極化的變化；為了保證氣室內(nèi)原子數(shù)密度足夠大，氣室放置在高溫材料聚四氟乙烯制成的加熱室中，無磁加熱至80～1900C范圍內(nèi)；為了保證SERF磁力計(jì)工作環(huán)境磁場(chǎng)足夠低，加熱室放置在三軸亥姆霍茲線圈構(gòu)成的磁場(chǎng)主動(dòng)補(bǔ)償裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)亥姆霍茲線圈電流控制線圈內(nèi)剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度在10 nT以內(nèi)；探測(cè)光通過原子氣室后經(jīng)偏振光束分路器分解P光和S光，差除和檢測(cè)電路測(cè)量探測(cè)光偏轉(zhuǎn)角，通過鎖相放大器后由計(jì)算機(jī)記錄。為了進(jìn)一步提高SERF磁力計(jì)的靈敏度，可以利用其矢量特性同時(shí)測(cè)量三軸磁場(chǎng)[10]、使用單路橢圓偏振光同時(shí)進(jìn)行泵浦和探測(cè)從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性[11]、利用多次反射提高測(cè)量靈敏度[12-13]、利用兩種堿金屬原子混合泵浦以提高原子自旋極化效率[14-17]、利用偏振壓縮光[18]或者量子非破壞探測(cè)等方法提高磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度等。目前演示的原子磁力計(jì)中，SERF磁力計(jì)的探測(cè)靈敏度最高。同時(shí)，SERF磁力計(jì)也具有較高的空間分辨率，結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，SERF可以在更廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖3 Bell-Bloom SERF原子磁力儀裝置圖

圖4 為利用微電機(jī)系統(tǒng)工藝制作的芯片尺度的超靈敏原子磁力計(jì)。傳感器中心是一個(gè)內(nèi)部體積為1.5 mm3的堿金屬蒸氣泡，含有同位素87Rb，緩沖氣體為N2，通過光纖導(dǎo)入大功率激光到“吸光生熱”的彩色濾波片上來給氣室加熱，從而提高堿金屬原子的粒子數(shù)密度。采用圓偏振泵浦光光抽運(yùn)原子，通過光電二極管探測(cè)該光，監(jiān)測(cè)原子極化。這種模式采用一束光同時(shí)作為泵浦光和探測(cè)光，簡化結(jié)構(gòu)的同時(shí)降低了功耗。這僅僅是關(guān)于極化、傳感器形狀和波束的許多可能配置中的一種[19]。

圖4 光纖耦合原子磁力計(jì)傳感頭

原子磁力計(jì)是可單獨(dú)放置的室溫傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)如下：第一，原子磁力計(jì)不需要使用杜瓦，從而使得探頭和頭皮之間的距離更短。這可以增強(qiáng)探頭位置處MEG的信號(hào)強(qiáng)度，從而獲得更高的信噪比。第二，探頭尺度小，多個(gè)探頭可以貼合人腦形狀布置以滿足三維成像需求，進(jìn)一步減少了傳感器與磁場(chǎng)發(fā)生源之間的距離，這對(duì)于兒童腦磁圖測(cè)量研究系統(tǒng)尤其有利。超靈敏的原子磁力計(jì)已經(jīng)開始應(yīng)用于心磁、腦磁等生物磁研究，展現(xiàn)出潛在的重要應(yīng)用前景。

3 研究現(xiàn)狀

基于原子磁力計(jì)的MEG系統(tǒng)研究始于2006年，普林斯頓大學(xué)的Xia H等人使用SERF原子磁力計(jì)測(cè)量了非低溫下的腦磁信號(hào)。此原子磁力計(jì)的K原子蒸氣室由派熱克斯玻璃制成，邊長7.5 cm，里面充有緩沖氣體和淬滅氣體，工作溫度為180°C。氣室放置在人體大腦左側(cè)，其中心和頭皮之間的距離為6.25 cm。采用光功率為0.5 W的圓偏振光泵浦鉀原子，與其垂直方向上入射一束光功率為0.5 W線偏振探測(cè)光，通過交叉偏振分析片和二維16×16元光電二極管陣列檢測(cè)探測(cè)光的偏轉(zhuǎn)角，通過數(shù)據(jù)采集板電路上的可編程門陣列對(duì)信號(hào)解調(diào)，從而獲得磁場(chǎng)。大腦受到聽覺刺激后，在100 ms時(shí)觀察得到的N100峰值清晰可見。該實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)6名受試者的大腦聽覺刺激反應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了原子磁力計(jì)探測(cè)大腦受到聽覺刺激后響應(yīng)的腦磁[20]。

2010年，Johnson C等人使用SERF磁力計(jì)測(cè)量大腦磁場(chǎng)。泵浦光和探測(cè)光反向同軸通過直徑2.5 cm、長2.5 cm的圓柱形Rb原子蒸氣室，氣室與頭皮之間的距離為2 cm。將男性受試者的頭部置于SERF原子磁力計(jì)探測(cè)區(qū)域，采用多通道測(cè)量技術(shù)，記錄聽覺刺激和電刺激正中神經(jīng)后的誘發(fā)響應(yīng)，得到MEG。通過與基于SQUID的商用MEG系統(tǒng)相比，證明了SERF磁力計(jì)探測(cè)腦部磁場(chǎng)的有效性[21]，為以后研究非低溫全腦磁圖提供了依據(jù)。

2012年，Sander T H等人使用基于Rb原子芯片尺度的原子磁力計(jì)測(cè)量對(duì)軀體感覺誘發(fā)的和自發(fā)性的腦磁信號(hào)。非制冷的、光纖耦合的原子磁力計(jì)探頭體積為1 cm3，便于操作且到頭皮的距離僅為4 mm，測(cè)得的信號(hào)更強(qiáng)。刺激受試者的右手腕，用置于頭頂C3區(qū)域的傳感器測(cè)量軀體受刺激后誘發(fā)的腦磁信號(hào)。在相同的受試者中，與基于SQUID的測(cè)量結(jié)果比較，由于原子磁力計(jì)緊貼頭皮，獲得的腦磁信噪比更好[22]。

2015年Kamada等人使用基于K原子模塊緊湊的高靈敏度原子磁力計(jì)測(cè)量人腦磁圖，磁力計(jì)探頭體積為8.3×9.5×19 cm3，研究閉眼、睜眼時(shí)人大腦的自發(fā)神經(jīng)振蕩變化、腦神經(jīng)響應(yīng)等微弱的磁場(chǎng)信號(hào)，與基于SQUID的測(cè)量結(jié)果相比，使用超靈敏原子磁力計(jì)探測(cè)腦部神經(jīng)磁場(chǎng)的同樣可行[23]。

2017年，北京大學(xué)的Sheng J等人基于Cs原子的SERF原子磁力計(jì)測(cè)量腦聽覺激勵(lì)磁場(chǎng)響應(yīng)信號(hào)，與基于SQUID探頭獲得的聽覺激勵(lì)時(shí)刻點(diǎn)后100 ms處信號(hào)的M100相比，原子磁力計(jì)的信號(hào)幅度更大[24]。

2018年9月，我國中國科學(xué)院生物物理所成功構(gòu)建一套12通道的基于原子磁力計(jì)的腦磁圖原型機(jī)[25]，如圖5所示，該原型機(jī)含有可兼容多種探測(cè)器的96通道腦磁圖頭盔，該頭盔由3D打印而成，質(zhì)量輕并且可以“私人定制”，使得頭盔大小和形狀適用于每位受試者頭部，保證傳感器和每個(gè)受試者頭皮直接接觸，增加了腦磁成像的信號(hào)強(qiáng)度。該原型機(jī)可有效探測(cè)大腦海馬區(qū)、上丘等腦深部區(qū)域；對(duì)于傳統(tǒng)腦磁圖難以應(yīng)用的低齡兒童、帕金森患者等群體，也可以有效探測(cè)；在發(fā)育心理學(xué)和腦疾病診斷等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。這種新型原型機(jī)可佩戴，在測(cè)量過程中受試者可以自由地進(jìn)行頭部活動(dòng)。未來，受試者還可以穿戴該頭盔進(jìn)行社交活動(dòng)等，不會(huì)受到任何影響。

圖5 原子磁力計(jì)腦磁圖原型機(jī)

4 展望

原子磁力計(jì)是近期發(fā)展起來的具有超高靈敏度的磁力計(jì)，不僅具有小型化的磁探頭，可實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率，而且比傳統(tǒng)的SQUID磁力計(jì)制作和運(yùn)行成本低，是目前世界上精密磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域的前沿研究方向。基于原子磁力計(jì)的腦磁圖系統(tǒng)是當(dāng)前國際公認(rèn)的下一代MEG儀器的發(fā)展方向，它在常溫下即可工作，磁力計(jì)探頭可緊貼頭皮，具備靈敏度高、造價(jià)低廉及可以制作成可穿戴式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。除此之外，還可以測(cè)量大腦功能，并且可對(duì)神經(jīng)、神經(jīng)退行性和精神健康情況進(jìn)行研究，有望取代目前基于SQUID的MEG系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。