磁共振成像(MRI)长期以来一直是现代医学的基石，可提供内部器官和组织的高细节图像。MRI机器是医院常见的大型管状磁铁，使用强大的磁铁绘制体内水和脂肪分子的密度图。

除了这些分子，其他物质(如代谢物)也可以被绘制，但它们的浓度通常太低，无法产生清晰的图像。为了克服这一限制，人们采用了一种称为超极化的技术来增强这些物质的磁共振信号，使它们在MRI扫描期间更加清晰可见。

超极化涉及在体外制备一种物质，使其磁化(创建MRI图像的关键)接近最大值。与自然状态相比，此过程可以将信号增强数千倍。一旦超极化，该物质就会被注射到患者体内并运送到目标器官或组织。然而，在此之前，必须通过严格的质量控制流程确认该物质已充分超极化。

目前的质量控制技术面临两大挑战。首先，这些方法通常会在读出过程中降低样品的磁化强度，从而削弱其增强MRI扫描的能力。其次，测量所需的时间可能很长，在此期间物质的磁化强度会自然衰减，从而限制了连续测量的机会。这导致缺乏关键数据，而这些数据原本可以帮助最大限度地提高超极化的效率。

此外，一旦样本超极化，在运送到MRI机器的过程中，可能会失去磁化。传统的质量控制技术由于耗时，可能无法及时检测到这种损失。

现在，IBEC研究人员JamesEills博士(现就职于德国于利希研究中心)和IreneMarcoRius博士以及ICFO研究人员ICREAMorganW.Mitchell教授和MichaelCDTayler博士合作，展示了原子传感器技术在测量超极化材料磁化时如何克服传统采样的局限性。这一突破最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

具体来说，该团队使用了光泵原子磁强计(OPM)，其工作原理与传统传感器有根本区别，能够实时检测超极化分子产生的场。OPM的特性使这些研究人员能够在整个实验过程中(包括超极化过程本身)进行连续、高分辨率和非破坏性的观察。

据作者说，如果超极化传感领域是电影，以前的方法就会像一系列静止的照片，而定格画面之间的情节则留给观众去猜测。

“相反，我们的技术更像是视频，你可以一帧一帧地看到整个故事。本质上，你可以连续观察，不受分辨率限制，这样你就不会错过任何细节，”ICFO研究员、本文合著者MichaelTayler博士解释说。

磁化过程中化合物的未揭示行为

该团队通过监测临床相关分子的超极化来测试他们的OPM。原子传感器前所未有的分辨率和实时跟踪使他们能够看到代谢物化合物([1-13C]-富马酸盐)在磁场存在下极化如何演变。

原子传感器揭示了迄今为止未被注意到的“隐藏自旋动力学”，为从过程一开始优化超极化提供了一条新途径。

原子传感器信息图。来源：ICFO

泰勒评论道：“以前的方法掩盖了磁化曲线中的细微振荡，而这些振荡以前是检测不到的。如果没有OPM，我们甚至会在不知不觉中实现次优的最终极化。”

除了简单的观察之外，该方法还可用于实时控制极化过程，并在最方便的点停止它，例如，当达到最大极化时。

研究还揭示了当研究小组施加磁场反复磁化和消磁超极化富马酸分子时出现的另一种意想不到的行为。他们原本预计会看到磁化强度不断增加到最大值，然后又回到零，每次都平稳地从一种状态过渡到另一种状态。与这些简单的预期相反，由于在特定的磁化-消磁持续时间和磁场下存在隐藏的共振，该分子表现出复杂的动力学。

泰勒解释道：“这种理解将帮助我们检测不良行为何时发生，并调整参数(如周期持续时间或磁场强度)来防止它发生。”

这项研究代表了超极化MRI技术的进步，这在很大程度上要归功于IBEC的精准医学分子成像小组和ICFO的原子量子光学小组的共同努力。IBEC在超极化方法方面的专业知识和ICFO在OPM传感技术方面的专业知识对于取得这一成果至关重要。

IBEC研究员、文章第一作者JamesEills博士表示：“这是不同学科的研究人员共同努力所能取得的新科学成果的一个完美范例，而IBEC和ICFO的接近意味着我们能够密切合作并取得真正新颖的成果。”

Tayler博士回顾了团队的成功，他说：“OPM测量从一开始就非常出色。传感器的灵敏性揭示了我们未曾预料到的隐藏动态，就好像它们是为此而设计的一样。易于使用和丰富的新信息使它们成为超极化监测的有力工具。”

对MRI和其他未来应用的益处

这项研究的直接应用是将便携式原子传感器集成到MRI的临床样本质量控制中，这是目前由西班牙部委项目“SEE-13-MRI”中的ICFO团队正在实施的。这样，人们可以在超极化过程中引导分子达到尽可能高的极化水平，并在将物质注入患者体内之前可靠地确认极化水平。

这项进展可以大大降低代谢磁共振成像的成本和后勤挑战。如果真是这样，那么这项技术的应用范围将从目前少数几家专业研究中心扩大到全球许多医院。

然而，原子传感器的潜力远远超出了医学成像。使用光泵磁力计(OPM)的相同非破坏性实时跟踪系统可以应用于监测化学过程中的大分子、研究高能物理目标，甚至优化量子计算中的自旋算法。

Tayler博士表示：“我们开发的方法不仅为改进MRI开辟了新途径，而且为依赖精确磁感应的各个领域开辟了新途径，我们对它的进一步发展感到非常兴奋。”