脳磁図センサーアレイのための四チャンネル光ポンプ型磁力計

2024-06-12 Wed
脳磁図センサーアレイ用の四チャンネル光ポンピング磁力計研究背景光ポンピング磁力計（Optically Pumped Magnetometer、OPM）は、スピン交換緩和自由（SERF）状態において非常に高感度の磁場センサーであり、感度は0.16 ft/√Hzおよび0.54 ft/√Hzにまで低下します。OPMはスピン極化原子と磁場の相互作用に基づき、ポンプ光束の角運動量をアルカリ金属蒸気の原子に移してスピン極化を起こします。スピン極化はラーモア進動を通じて磁場と相互作用し、光学的にスピン極化を測定することにより外部の磁場を検出できます。高い原子密度とほぼゼロ磁場のSERF状態では、スピン交換衝突による極化緩和が強く抑制され、OPMの感度が大幅に向上します。
近年、OPMは生体磁気学の応用、特に人間の脳磁場の測定（脳磁図、Magnetoencephalography、MEG）において注目されています。従来のMEG機器は超伝導量子干渉計（SQUID）を用いていましたが、この装置は液体ヘリウムの冷却を必要とし、いくつかの欠点をもたらします。それに対して、OPMは小型で軽量であり、頭皮上での磁場検出が可能で、空間分解能を向上させることができます。また、着用可能なセンサーアレイの構築も可能で、動いている被験者のスキャンも許可されます。
論文出典本論文はJoonas Iivanainenら7名の著者によって共同執筆され、Sandia National LaboratoriesとUniversity of New MexicoのCenter for Quantum Information and Controlから発表されました。本論文は2024年5月6日に《Optics Express》誌に掲載されました。
研究内容本論文では著者らが開発した新しい四チャンネルSERF-OPMセンサーについて紹介し、その設計改良、実験方法、および性能評価について詳細に述べています。
2. センサーの概要新しい四チャンネルOPMセンサーは、先行研究成果（参考文献[25]）に基づき、二色ポンプ/検出方式を利用した一体型光軸設計を採用しています。新しいセンサーには複数の改良点があり、蒸気室の動作温度の低減、検出光学コンポーネントの改良、光パワー要求の削減、センサーヘッドに三軸磁場制御を可能にする新しい電磁コイルの設計などが含まれます。
2.1 設計改良新しいセンサーは円偏光の795 nm光で87Rb原子をポンピングし、SERF状態で動作します。光電検出法でスピン極化の成分を測定することにより外部磁場を検出します。以前の設計に比べて、新しいセンサーは以下の点で最適化されています：
蒸気室の動作温度：以前の150℃から135℃に低減しました。
検出光学コンポーネント：各チャンネルが独立して検出光学装置を使用するように検出モジュールを改良し、光学的なクロストークを減少させ、精度を向上させました。
電磁コイルの設計：新設計の電磁コイルは、場の均一性と三軸制御能力を向上させました。
3. センサーヘッドのコイル設計と実験特性3.1 コイル設計およびシミュレーションセンサー筐体の表面に沿って横方向のBxコイルおよびByコイル、そして縦方向のBzコイルが設計されました。これらのコイルは数値流関数法とターゲット場法を使用して最適化され、目標位置で均一な磁場を生成するとともに、隣接領域の磁場漏れを最小限に抑えるように設計されています。
3.2 実験測定コイル設置後、著者らは自由誘導減衰（FID）およびMzモードを使用して磁場の勾配拡張効果を測定し、コイルの効率と均一性を実験的に測定しました。実験結果は、最適化したコイル設計が場の均一性と効率において期待通りの結果を達成していることを示しました。
4. センサー性能評価新型OPMセンサーの性能は、磁感度、帯域幅、ノイズ源分析など複数の方法で評価されました。実験結果は、新しいセンサーがノイズ、磁感度、および共模抑制比の面で優れており、感度が10-44 Hz範囲で平均12.3 ft/√Hzに達していることを示しています。
5. 結論本論文で紹介された新しい四チャンネルSERF-OPMセンサーは、感測性能と構造設計において多くの改良が施されています。特に、動作温度の低減、光パワー要求の削減、および検出光学コンポーネントの性能向上において顕著な利点が示されました。この研究は、MEGシステムの感度と安定性を向上させるだけでなく、将来の多センサー統合のための技術基盤を提供しています。将来、著者らは更に大規模なシールドルームでセンサーをさらに最適化し、より高品質のMEG信号記録を目指す予定です。
研究の意義本研究で開発された新規の四チャンネルOPMセンサーは複数の技術パラメータにおいて優れており、脳科学研究および臨床応用において高解像度かつ高精度の磁場検出手段を提供する可能性があります。従来のSQUIDシステムに比べて、OPMは低温冷却を不要とし、機器の軽便さと柔軟な応用が可能であり、特に移動状態での研究と検出に適しており、将来の可能性が非常に大きいです。