一种基于光抽运效应的磁共振信号检测方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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 <formula>formula see original document page 3</formula> 根据对易原理，感应电动势在磁共振成像中通常又写成<formula>formula see original document page 3</formula> 其中，i(F力为磁化强度矢量，^(F,/)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 <formula>formula see original document page 3</formula> 由于 <formula>formula see original document page 3</formula>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/Hz2。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43t:左右。激光器发出的光对应于铷的Di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。B工是一个引导场，大小约为0.05mT，该场不会作用于吸收泡。Bb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。此专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术基于以下原理 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o +时，碱金属原子吸收了一个o+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AmF = +1， 0， -1。由于最低激发态的磁量子数不可能为mF = +3，位于基态1^ = +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1^ = +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0-时，原子向上跃迁的定则为A叫二-1，向下跃迁所遵循的定则仍为AmF = +l， 0， -1，由于最低激发态的磁量子数不可能为mF = -3，位于基态mF = -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mF = -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o +和o —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o+和o-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，吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光抽运效应的磁共振信号检测方法，其特征在于所述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。

【技术特征摘要】
一种基于光抽运效应的磁共振信号检测方法，其特征在于所述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。2. 根据权利要求1所述的磁共振信号检测方法，其特征在于检测时，向放置在电磁线 圈中心，待检测样品附近的多个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，形成碱金属原子吸收...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵武贻，王慧贤，杨文晖，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[]