MRI 传感器或磁力计使用激光和气体来测量磁场。照片：哥本哈根大学。图片来源：照片：Kristian Bjorn-Hansen，哥本哈根大学
Hvidovre医院拥有世界上第一个传感器原型，能够使用激光和气体检测MRI扫描中的错误。由哥本哈根大学和Hvidovre医院的一位年轻研究人员开发的新型传感器可以完成当前电传感器无法完成的任务，并有望为更好，更便宜，更快的MRI扫描铺平道路。
该研究发表在PRX Quantum杂志上。
医生和医疗保健专业人员每天都使用 MRI 扫描仪来获得对人体的独特观察。特别是，与其他类型的医学成像相比，它们用于通过质量卓越的 3D 图像来研究大脑、重要器官和其他软组织。
虽然这使得先进的工具变得非常宝贵，对医疗保健专业人员来说几乎是不可或缺的，但仍有改进的余地。
MRI 扫描仪内部的强磁场会波动，从而在扫描中产生错误和干扰。因此，这些昂贵的机器（每小时数百欧元）必须定期校准以减少错误。
还有一些特殊的扫描方法，不幸的是，这些方法在今天的实践中无法完成。其中，所谓的螺旋序列可以减少扫描时间，例如，在诊断血栓、硬化症和肿瘤时。
螺旋序列也将是MRI研究中一个有吸引力的工具，除其他外，它们可以为研究人员和卫生专业人员提供有关脑部疾病的新知识。但由于磁场高度不稳定，目前无法执行这些类型的扫描。
从理论上讲，这个问题可以通过读取和映射磁场变化的传感器来解决。此后，用计算机纠正图像中的错误相对简单。在实践中，这在当前的技术中是很困难的，因为否则合适的传感器会干扰磁场，因为它们是电动的并连接到金属电缆。
一项新发明希望使这个问题成为过去。为了解决这个问题，尼尔斯·玻尔研究所和丹麦磁共振研究中心（DRCMR）的研究人员开发了一种传感器，该传感器在光缆和装满气体的小玻璃容器中使用激光。原型已准备就绪并可以工作。
“首先，我们证明了这在理论上是可能的，现在我们已经证明它可以在实践中完成。事实上，我们现在有一个原型，基本上可以在不干扰MRI扫描仪的情况下进行所需的测量。
“它需要进一步开发和微调，但有可能使MRI扫描更便宜，更好，更快 - 尽管不一定同时拥有这三者，”尼尔斯·玻尔研究所的博士后Hans St?rkind说。St?rkind是传感器及其附带设备背后的主要架构师。
“如果花时间，MRI扫描仪已经可以产生令人难以置信的图像。但是在我的传感器的帮助下，可以想象使用相同的时间来产生更好的图像，或者花费更少的时间，但仍然获得与今天相同的质量。第三种情况可能是制造更便宜的扫描仪，尽管有一些错误，但在我的传感器的帮助下仍然可以提供不错的图像质量，“研究人员说。
原型的工作原理
MRI 扫描仪使用强大的磁铁产生强磁场，迫使人体水、碳水化合物和蛋白质中的质子与磁场对齐。当无线电波脉冲穿过患者时，质子受到刺激并暂时脱离该平衡。
该原型在Hvidovre医院运行，在从测试中收集数据后将对其进行微调。照片：哥本哈根大学。图片来源：哥本哈根大学
当它们随后返回与磁场对齐时，它们会释放无线电波，这些无线电波可用于形成正在扫描的任何物体的实时 3D 图像。
汉斯·斯泰金德（Hans St?rkind）的原型使用一种用于发送和接收激光的设备，该设备看起来像1990年代的立体声系统。它通过光纤电缆（即不含任何金属）将激光发送到位于扫描仪中的四个传感器。
在传感器内，光通过一个装有铯气体的小玻璃容器，铯气体以正确的光频率吸收光。
“当激光在穿过气体时具有恰到好处的频率时，铯原子中的光波和电子之间就会产生共振。但是，当气体暴露在磁场中时，发生这种情况的频率或波长会发生变化。
“通过这种方式，我们可以通过找出正确的频率来测量磁场的强度。这完全由接收设备自动且闪电般快速地发生，“研究人员解释说。
当MRI扫描仪的超强磁场发生扰动时，St?rkind的原型绘制了它们在磁场中发生的位置以及磁场变化的强度。在不久的将来，这可能意味着可以根据传感器收集的数据纠正干扰和故障图像，并随后使其准确且完全可用。
具有商业前景的创新——当数据到位时
该原型目前位于哥本哈根Hvidovre医院的DRCMR，这也是构思这个想法的地方。
“最初的想法来自我在 DRCMR 的主管 Esben Petersen，不幸的是，他已经离开了我们。他看到了开发基于激光和气体的传感器的巨大潜力，这种传感器能够在不干扰磁场的情况下测量磁场，“St?rkind说。
在尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute）的量子物理学家（包括尤金·波尔齐克（Eugene Polzik）教授）的帮助下，斯泰尔金德将这个想法发展成实际的理论。有了原型，他现在已经将这一理论付诸实践。
“原型的设计方式使其已经适合在医院环境中作为坚固且功能良好的仪器。到目前为止，我们的测试表明它正常工作。可以想象，这项发明最终将直接集成到新的MRI扫描仪中，“St?rkind说。
目前，原型将进一步开发，以便其测量变得更加准确。
“我们需要收集数据并对其进行微调，以便它不断成为查找扫描错误的最佳工具。在那之后，我们将继续进行令人兴奋的工作，纠正MRI图像中的错误，并找出我们的传感器在什么情况下和哪些类型的扫描可以产生重大影响，“研究人员说。
根据St?rkind的说法，他的传感器的直接目标群体是MRI研究单位。但他也希望，从长远来看，一家大型MRI制造商能够了解这项新技术。
“一旦原型在2.0版本中得到改进，并且其质量被记录在医院实际扫描的大量数据中，我们将看到它的发展方向。它肯定有可能以一种独特的方式改善MRI扫描，使医生受益，尤其是患者，“研究人员说。
更多信息：Hans St?rkind 等人，用于磁共振成像的高场光学铯磁力计，PRX Quantum （2024）。DOI： 10.1103/PRXQuantum.5.020320
期刊信息： PRX Quantum
