磁共振成像 （MRI） 長期以來一直是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的基石，可提供內(nèi)部器官和組織的高度詳細(xì)的圖像。MRI 機(jī)器是醫(yī)院中常見的大型管狀磁鐵，它使用強(qiáng)大的磁鐵來繪制體內(nèi)水和脂肪分子的密度。

除了這些分子之外，還可以繪制代謝物等其他物質(zhì)，但它們的濃度通常太低而無法產(chǎn)生清晰的圖像。為了克服這一限制，采用了一種稱為超極化的技術(shù)來增強(qiáng)這些物質(zhì)的磁共振信號，使它們在 MRI 掃描期間更加明顯。

超極化是指在體外準(zhǔn)備一種物質(zhì)，使其磁化強(qiáng)度（創(chuàng)建 MRI 圖像的關(guān)鍵）接近其最大值。與自然狀態(tài)相比，此過程可以將信號增強(qiáng)數(shù)千倍。一旦超極化，該物質(zhì)就會被注射到患者體內(nèi)并運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)器官或組織。然而，在此之前，通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制流程確認(rèn)物質(zhì)是否充分超極化至關(guān)重要。

當(dāng)前的質(zhì)量控制技術(shù)面臨兩個(gè)重大挑戰(zhàn)。首先，這些方法通常會在讀出過程中減少樣品的磁化強(qiáng)度，從而降低其增強(qiáng) MRI 掃描的能力。其次，測量所需的時(shí)間可能很長，在此期間物質(zhì)的磁化強(qiáng)度會自然衰減，從而限制了連續(xù)測量的機(jī)會。這導(dǎo)致缺乏關(guān)鍵數(shù)據(jù)，否則這些數(shù)據(jù)可以幫助最大限度地提高超極化的效率。

此外，一旦樣品被超極化，它就有可能在運(yùn)輸?shù)?MRI 機(jī)器的過程中失去磁化強(qiáng)度。傳統(tǒng)的質(zhì)量控制技術(shù)由于其耗時(shí)的性質(zhì)，可能無法及時(shí)檢測到這種損失。

現(xiàn)在，IBEC 研究人員 James Eills 博士（現(xiàn)在德國 Forschungszentrum Jülich）和 Irene Marco Rius 博士以及 ICFO 研究人員 ICREA 教授 Morgan W. Mitchell 和 Michael C. D. Tayler 博士的合作展示了原子傳感器技術(shù)在測量超極化材料的磁化強(qiáng)度時(shí)如何克服傳統(tǒng)采樣的局限性。這一突破最近在《美國國家科學(xué)院院刊》雜志上報(bào)道。

特別是，該團(tuán)隊(duì)使用了光泵原子磁力計(jì) （OPM），其工作原理與傳統(tǒng)傳感器根本不同，能夠?qū)崟r(shí)檢測超極化分子產(chǎn)生的場。OPM 的性質(zhì)使這些研究人員能夠在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行連續(xù)、高分辨率和非破壞性的觀察，包括超極化過程本身。

根據(jù)作者的說法，如果超極化傳感的領(lǐng)域是電影，那么以前的方法將像一系列靜態(tài)照片，讓定格圖片之間的情節(jié)留給觀眾猜測。

“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(gè)故事。從本質(zhì)上講，您可以連續(xù)觀察且沒有分辨率限制，這樣您就不會錯(cuò)過任何細(xì)節(jié)，“ICFO 研究員兼文章合著者 Michael Tayler 博士解釋說。

揭示化合物在磁化過程中的行為

該團(tuán)隊(duì)通過監(jiān)測臨床相關(guān)分子中的超極化來測試他們的 OPM。原子傳感器前所未有的分辨率和實(shí)時(shí)跟蹤使他們能夠見證代謝物化合物 （[1-13C]-富馬酸鹽）在磁場存在下進(jìn)化。

原子傳感器揭示了直到現(xiàn)在才被注意到的“隱藏的自旋動力學(xué)”，為從過程一開始就優(yōu)化超極化提供了一條新途徑。

“以前的方法掩蓋了磁化剖面中的細(xì)微振蕩，這在以前是無法檢測到的，”Tayler 評論道�！叭绻麤]有 OPM，我們甚至不會意識到最終極化并不理想。”

除了簡單的觀察之外，該方法還可用于實(shí)時(shí)控制極化過程，并在最方便的點(diǎn)停止它，例如，當(dāng)達(dá)到最大極化時(shí)。

該研究揭示了當(dāng)團(tuán)隊(duì)施加磁場反復(fù)磁化和消磁超極化富馬酸鹽分子時(shí)的其他意外行為。他們希望看到磁化強(qiáng)度增加到最大值，然后一次又一次地回到零，每次都能從一種狀態(tài)平穩(wěn)地過渡到另一種狀態(tài)。與這些簡單的預(yù)期相反，由于在一定的磁化-退磁持續(xù)時(shí)間和磁場中隱藏的共振，該分子表現(xiàn)出復(fù)雜的動力學(xué)。

“這種理解將幫助我們檢測何時(shí)發(fā)生不需要的行為并調(diào)整參數(shù)（如循環(huán)的持續(xù)時(shí)間或磁場的強(qiáng)度）以防止它發(fā)生，”Tayler 解釋說。

這項(xiàng)工作代表了超極化 MRI 技術(shù)的進(jìn)步，這在很大程度上要?dú)w功于 IBEC 的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)分子成像小組和 ICFO 的原子量子光學(xué)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)知識對于取得結(jié)果至關(guān)重要。

“這是一個(gè)美麗的例子，說明來自不同學(xué)科的研究人員一起工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)新科學(xué)，IBEC 和 ICFO 的接近意味著我們能夠密切合作并取得真正新穎的成就，”IBEC 研究員、文章第一作者 James Eills 博士承認(rèn)。

Tayler 博士回顧了團(tuán)隊(duì)的成功，他說：“OPM 測量從一開始就運(yùn)行良好。傳感器高超的靈敏度揭示了我們沒有預(yù)料到的隱藏動態(tài)，仿佛它們是為此目的而設(shè)計(jì)的。易用性和豐富的新信息使它們成為超極化監(jiān)測的強(qiáng)大工具。

對 MRI 和其他未來應(yīng)用的好處

這項(xiàng)研究的直接應(yīng)用是將便攜式原子傳感器集成到 MRI 的臨床樣本質(zhì)量控制中，目前由西班牙部項(xiàng)目“SEE-13-MRI”中的 ICFO 團(tuán)隊(duì)實(shí)施。這樣，就可以在超極化過程中將分子引導(dǎo)到盡可能高的極化水平，并在將物質(zhì)注射到患者體內(nèi)之前可靠地證明極化水平。

這一發(fā)展可以顯著降低代謝 MRI 的成本和后勤挑戰(zhàn)。如果是這樣，這將將其覆蓋范圍從目前使用的少數(shù)專業(yè)研究中心擴(kuò)展到全球許多醫(yī)院。

然而，原子傳感器的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了醫(yī)學(xué)成像。使用光泵磁力計(jì) （OPM） 的相同無損實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)可用于監(jiān)測化學(xué)過程中的大分子、研究高能物理目標(biāo)，甚至優(yōu)化量子計(jì)算中基于自旋的算法。

Tayler 博士說：“我們開發(fā)的方法不僅為改進(jìn) MRI 開辟了新的途徑，而且為依賴精確磁感應(yīng)的各個(gè)領(lǐng)域開辟了新的途徑，我們對它的進(jìn)一步發(fā)展感到興奮。