劉慧豐，鮑善霞

（1.中北大學信息商務學院，山西晉中 030600；2.山西大同大學物理與電子科學學院,山西大同037009）

腦磁圖（Magnetoencephalography，MEG）是一種能夠完全無侵地直接測量大腦神經功能活動的最新醫(yī)學診斷技術，已被廣泛用于研究大腦的高級功能和各種神經系統(tǒng)疑難病癥。通過對人腦進行非侵入性測量，MEG能精確定位磁場源的部位，并且實時反映磁場源的活動狀態(tài)[1]，還可以通過外界信號如聲信號、電信號等刺激腦部，引起磁場變化，從而可實現(xiàn)人腦的動態(tài)行為[2]，故研究MEG對于探索大腦機理、解讀大腦奧秘有著很好的促進作用。

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

1 MEG信號發(fā)生機理

人體內神經細胞受刺激后表現(xiàn)為電解質離子輸運產生電流，信號以傳導電流形式在神經纖維上傳導，根據(jù)畢奧—薩法爾定律，生物電流會產生生物磁場，而生物磁場又包含了生理過程及其病理信息等，信號強度穩(wěn)定，傳輸簡單。對于生物體來說，神經細胞主要集中在腦部，當外界刺激腦部產生神經沖動時，活動的神經電流會產生交變磁場，此磁場可以穿透腦組織和顱骨到達頭部之外，在頭皮表面放置一組探測器陣列用來記錄分布在頭皮表面上的交變磁場的變化，即可獲得腦磁圖。腦磁圖可以確定腦內磁場發(fā)生源的精確位置和強度，反映腦部磁場變化。

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

圖1 頭模型下切向和徑向示意圖

作為一種無創(chuàng)性探測大腦電磁信號的電生理學技術，MEG具有高靈敏度、高時間分辨率和高空間分辨率等特征，對于研究人腦工作機制有著至關重要的作用。然而，腦磁的磁信號振幅在50 fT～5pT的范圍內，僅相當于地球磁場(30～50 μT)的億分之一，探測難度極高。為了測量微弱的腦磁信號，探測器的靈敏度需要達到1 fT量級。原子磁力計無需使用低溫超導磁體，在室溫環(huán)境下即可有效測量微弱磁場，是一種高靈敏的重要醫(yī)學輔助診斷儀器。

2 原子磁力計原理及光學結構

原子磁力計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，利用外界磁場條件下光與原子的相互作用將磁場信息轉變成光的信息，進而通過光學探測手段實現(xiàn)磁場測量。生物磁的研究和測量中通常采用的原子磁力計有基于光學-射頻雙共振現(xiàn)象的光抽運磁力計（Optically-pumped magnetometers，OPM），利用非線性磁光旋轉（Nonlinear magneto-optical rotation，NMOR）的磁力計，相干布局囚禁磁力計（Cherent population trapping，CPT），以及用于測量低頻弱磁場的無自旋交換弛豫（Sin-exchange relaxation-free,SERF）磁力計等。

OPM測量磁場時需要一個射頻線圈提供射頻場，來驅動原子拉莫爾進動，存在額外的射頻噪聲；CPT磁力計不需要射頻線圈，探頭體積很小，但是其探測靈敏度在pT/水平，在腦磁測量中應用范圍有限；NMOR原子磁力計采用非線性磁光效應測量探測光的偏振面的旋轉來實現(xiàn)微弱磁場的測量，靈敏度高，設備相對簡單。NMOR原子磁力計使用的探頭為堿金屬原子（如Na、K、Rb、Cs）蒸氣室，其最外層只有一個帶自旋的電子。利用一束σ+的圓偏振光對堿金屬原子進行共振泵浦，這些電子的自旋被操控同相位的極化到同一個方向。此時，原子自旋磁矩的總和表現(xiàn)為一個沿著泵浦光的宏觀磁矩，在外磁場的作用下，原子的自旋極化宏觀磁矩會在垂直于泵浦光的平面上發(fā)生拉莫爾進動，進動頻率ωL=γB，其中ωL為拉莫爾進動頻率，γ為旋磁比，B為磁感應強度，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光，原子宏觀磁矩在進動過程中會在探測光方向上產生投影，即在該方向上產生了原子的自旋極化，自旋極化會改變原子系綜對光的吸收率和色散率。線偏振探測光可以分解為兩個反方向的圓偏振光（σ+和σ-），而不同的圓偏光會有不同的吸收率（即折射率），則通過原子氣室后兩種圓偏振光之間產生相位差，最終線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉。使用偏振檢測計探測旋轉的角度，在一定區(qū)間內，該角度與外磁場大小成正比，從而可以計算出外磁場的大小，實現(xiàn)弱磁測量[7]。

圖2 原子磁力計原理圖

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測量靈敏度，就必須抑制各種弛豫機制，獲得極窄的磁共振線寬。1973年由美國普林斯頓大學的Happer教授提出堿金屬原子在高粒子數(shù)密度和極低磁場區(qū)域內（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)域內呈現(xiàn)的極窄線寬特性，SERF磁力計對磁場進行高精度測量[8]，其工作原理和NMOR磁力計相似，從其物理本質上來說是一種壓窄原子磁共振譜線線寬的方法。

SERF磁力計實驗平臺主要包括原子探頭、光學系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、磁場控制系統(tǒng)以及信號采集與處理系統(tǒng)五部分，目前國內外最常采用的基本裝置如圖3所示[9]。其中磁力計的探頭是一個充有自然豐度堿金屬的玻璃氣室，考慮光路的準直性及整個結構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致原子自旋極化的破壞，充氮氣作為淬滅氣體；光學系統(tǒng)中的光有兩個作用：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光用來探測原子自旋極化的變化；為了保證氣室內原子數(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；為了保證SERF磁力計工作環(huán)境磁場足夠低，加熱室放置在三軸亥姆霍茲線圈構成的磁場主動補償裝置內，調節(jié)亥姆霍茲線圈電流控制線圈內剩余磁場強度在10 nT以內；探測光通過原子氣室后經偏振光束分路器分解P光和S光，差除和檢測電路測量探測光偏轉角，通過鎖相放大器后由計算機記錄。為了進一步提高SERF磁力計的靈敏度，可以利用其矢量特性同時測量三軸磁場[10]、使用單路橢圓偏振光同時進行泵浦和探測從而降低系統(tǒng)復雜性[11]、利用多次反射提高測量靈敏度[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等方法提高磁場測量靈敏度等。目前演示的原子磁力計中，SERF磁力計的探測靈敏度最高。同時，SERF磁力計也具有較高的空間分辨率，結合微機電系統(tǒng)技術，SERF可以在更廣闊的領域得到應用。

圖3 Bell-Bloom SERF原子磁力儀裝置圖

圖4 為利用微電機系統(tǒng)工藝制作的芯片尺度的超靈敏原子磁力計。傳感器中心是一個內部體積為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原子，通過光電二極管探測該光，監(jiān)測原子極化。這種模式采用一束光同時作為泵浦光和探測光，簡化結構的同時降低了功耗。這僅僅是關于極化、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傳感頭

原子磁力計是可單獨放置的室溫傳感器，它的優(yōu)點如下：第一，原子磁力計不需要使用杜瓦，從而使得探頭和頭皮之間的距離更短。這可以增強探頭位置處MEG的信號強度，從而獲得更高的信噪比。第二，探頭尺度小，多個探頭可以貼合人腦形狀布置以滿足三維成像需求，進一步減少了傳感器與磁場發(fā)生源之間的距離，這對于兒童腦磁圖測量研究系統(tǒng)尤其有利。超靈敏的原子磁力計已經開始應用于心磁、腦磁等生物磁研究，展現(xiàn)出潛在的重要應用前景。

3 研究現(xiàn)狀

基于原子磁力計的MEG系統(tǒng)研究始于2006年，普林斯頓大學的Xia H等人使用SERF原子磁力計測量了非低溫下的腦磁信號。此原子磁力計的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，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探測光的偏轉角，通過數(shù)據(jù)采集板電路上的可編程門陣列對信號解調，從而獲得磁場。大腦受到聽覺刺激后，在100 ms時觀察得到的N100峰值清晰可見。該實驗同時對6名受試者的大腦聽覺刺激反應進行測量，實現(xiàn)了原子磁力計探測大腦受到聽覺刺激后響應的腦磁[20]。

2010年，Johnson C等人使用SERF磁力計測量大腦磁場。泵浦光和探測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原子磁力計探測區(qū)域，采用多通道測量技術，記錄聽覺刺激和電刺激正中神經后的誘發(fā)響應，得到MEG。通過與基于SQUID的商用MEG系統(tǒng)相比，證明了SERF磁力計探測腦部磁場的有效性[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測量對軀體感覺誘發(fā)的和自發(fā)性的腦磁信號。非制冷的、光纖耦合的原子磁力計探頭體積為1 cm3，便于操作且到頭皮的距離僅為4 mm，測得的信號更強。刺激受試者的右手腕，用置于頭頂C3區(qū)域的傳感器測量軀體受刺激后誘發(fā)的腦磁信號。在相同的受試者中，與基于SQUID的測量結果比較，由于原子磁力計緊貼頭皮，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測量人腦磁圖，磁力計探頭體積為8.3×9.5×19 cm3，研究閉眼、睜眼時人大腦的自發(fā)神經振蕩變化、腦神經響應等微弱的磁場信號，與基于SQUID的測量結果相比，使用超靈敏原子磁力計探測腦部神經磁場的同樣可行[23]。

2017年，北京大學的Sheng J等人基于Cs原子的SERF原子磁力計測量腦聽覺激勵磁場響應信號，與基于SQUID探頭獲得的聽覺激勵時刻點后100 ms處信號的M100相比，原子磁力計的信號幅度更大[24]。

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

圖5 原子磁力計腦磁圖原型機

4 展望

原子磁力計是近期發(fā)展起來的具有超高靈敏度的磁力計，不僅具有小型化的磁探頭，可實現(xiàn)較高的空間分辨率，而且比傳統(tǒng)的SQUID磁力計制作和運行成本低，是目前世界上精密磁場探測領域的前沿研究方向?；谠哟帕τ嫷哪X磁圖系統(tǒng)是當前國際公認的下一代MEG儀器的發(fā)展方向，它在常溫下即可工作，磁力計探頭可緊貼頭皮，具備靈敏度高、造價低廉及可以制作成可穿戴式系統(tǒng)的優(yōu)勢。除此之外，還可以測量大腦功能，并且可對神經、神經退行性和精神健康情況進行研究，有望取代目前基于SQUID的MEG系統(tǒng)，有著廣泛的應用前景。