铷-129氙自旋交换光泵浦的有限元建模与铷源分布优化研究

本研究针对连续流自旋交换光泵浦(CF-SEOP)系统中铷(Rb)蒸气密度([Rb])空间分布不均及未饱和问题，通过有限元建模(FEM)优化Rb源分布及预饱和器设计，发现增加主腔体Rb源面积无法有效改善[Rb]异质性，而足够长的预饱和器可显著提升[Rb]均匀性及129Xe核极化度(PXe )，为临床高通量超极化(HP)-129Xe MRI设备设计提供关键理论依据。

　　

超极化(HP)气体磁共振成像(MRI)是肺部疾病研究的重要工具，其中129氙(¹²⁹
Xe)因其生物组织溶解性优于稀缺的氦-3(³
He)成为研究热点。然而，在自旋交换光泵浦(SEOP)技术中，铷(Rb)蒸气密度([Rb])的空间异质性和未饱和问题严重制约129Xe核极化度(P_Xe
)的提升，进而影响临床高通量生产需求。

为解决这一难题，来自中国的研究团队通过有限元建模(FEM)系统研究了CF-SEOP系统中Rb源分布对[Rb]均匀性的影响。研究发现，传统方案中仅依靠主腔体Rb源（即使增大其表面积）无法有效消除[Rb]梯度，而引入足够长度的Rb预饱和器可使[Rb]接近饱和值并显著降低气流速率依赖性。这一发现解释了早期极化器P_Xe
低于预期的原因——主腔体Rb源表面积不足且缺乏上游预饱和设计。研究还指出当前光学泵浦模型与实验测量的激光吸收率存在差异，为模型改进指明方向。

关键技术方法包括：1) 基于FEM的稳态模拟框架；2) 光学泵浦衰减（非光子通量衰减）建模；3) 在2 SLM气流速率和特定炉温条件下对比不同Rb源配置；4) 通过[Rb]/[Rb]_sat
流线图量化空间分布。

Rb pools in the main cell body
模拟显示增大主腔体Rb池面积对[Rb]异质性改善有限，而预饱和器能实现纵向均匀分布，横向分布始终较均匀。

Conclusions and future work
研究证实预饱和器设计是解决[Rb]异质性的关键，但P_Xe
理论/实验差异提示需进一步探究非[Rb]因素（如未建模的光学泵浦效应）。该成果发表于《Journal of Magnetic Resonance》，为开发紧凑型、流量不敏感的临床CF-SEOP系统奠定基础，推动HP-129Xe在肺部气体交换定量评估等领域的应用。

研究团队特别致谢Alberto Biancardi的模型讨论贡献，并获得英国医学科学院等基金支持（MR/M008894/1、EP/X025187/1）。作者声明无利益冲突，并说明使用ChatGPT辅助文本润色后经人工核查。这项工作不仅优化了极化器设计范式，更为复杂SEOP过程的数值模拟提供了新方法论参考。