《Communications Engineering》：An integrated NMR field probe using rapid non-adiabatic field switch-off for (ultra) low field MRI
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磁共振成像（MRI）在低收入和中等收入国家的可及性仍然严重受限，尤其是在撒哈拉以南非洲地区，尽管非传染性疾病的发病率不断上升。低场MRI提供了一种可负担的、可在本地开发的诊断解决方案，但其性能受到磁场不稳定性的制约。研究人员提出了一种新型NMR场探针，旨在通过
磁共振成像（MRI）在低收入和中等收入国家的可及性仍然严重受限，尤其是在撒哈拉以南非洲地区，尽管非传染性疾病的发病率不断上升。低场MRI提供了一种可负担的、可在本地开发的诊断解决方案，但其性能受到磁场不稳定性的制约。研究人员提出了一种新型NMR场探针，旨在通过预极化场的快速非绝热关断产生进动自旋磁化来克服这些挑战。该方案首次采用工作在受控雪崩击穿模式下的高压碳化硅晶体管实现，与传统探针不同，它无需预先知道磁场即可测量拉莫尔频率。这一能力在磁场往往未知的磁体开发过程中至关重要，能够及早发现磁体问题，并为磁体设计和图像质量改善提供急需的工具。该传感器在1 mT至45 mT范围内得到验证，比类似系统强达1,000倍，其低成本、模块化设计支持复制、升级和增强的磁场控制，有助于扩大全球MRI可及性。
研究背景方面，联合国可持续发展目标（SDGs）的实施进展表明全球医疗基础设施获取方面存在持续差距，直接影响到SDG 3（良好健康与福祉）的推进。MRI作为癌症、心血管疾病和神经系统疾病的关键诊断手段，其可及性不平衡问题尤为突出。撒哈拉以南非洲地区情况尤为严峻，例如西非超过3.7亿人口仅拥有84台MRI扫描仪，约为每百万居民0.22台，比日本少230倍以上。与此同时，随着预期寿命延长，该地区非传染性疾病患病率不断上升，进一步凸显了对可及诊断成像的需求。常规高场MRI（HFMRI，主磁场强度\({B}_{0}\ge 1.5{\rm{T}}\)）系统依赖超导磁体和低温运行，导致安装、维护和运营成本高昂，在资源有限的医疗环境中部署面临巨大挑战。低场MRI（LFMRI）系统提供了有前景的替代方案，通常工作在显著较低的磁场强度下，可使用永磁体或简单电磁体实现，具有体积更小、成本显著降低、基础设施需求最少等优势。近期研究已证明在\({B}_{0}\approx 50\mathrm{mT}\)的永磁体MRI系统上进行体内成像的可行性，此类系统还可受益于开放硬件方法，并已在乌干达等地的工作坊中成功组装和测试。LFMRI系统的关键使能技术是精确的磁场测量，因为图像采集过程中需要高场均匀性以确保诊断质量。永磁体系统需要在组装后进行大量匀场，而电磁体系统则依赖精确的线圈对准和时间场漂移的连续监测。现有磁场测量技术包括霍尔效应传感器、集成磁阻传感器、SQUID、光泵磁力仪和NMR传感器等。霍尔和磁阻传感器因低成本、紧凑和稳健运行而广泛使用，但其磁场精度和长期稳定性通常不足以满足LFMRI所需的高精度场表征。SQUID和光泵磁力仪提供卓越的磁场灵敏度，但其实际使用受限于仪器复杂性和操作条件。NMR传感器独特地结合了高精度、长期稳定性和大动态范围，但将传统方法应用于LFMRI面临根本性挑战，因为NMR信号\(U\)随场强二次衰减（\(U \sim {{B}_{0}}^{2}\)），与3T-HFMRI相比，50 mT处仅剩280 ppm的信号，6.5 mT处仅剩5 ppm。此外，LFMRI装置场监测需要大动态范围，尤其是当精确场强事先未知时。因此，高精度NMR测量目前仅限于已完成的LFMRI系统，而霍尔传感器仍是磁体构建和初始表征的标准工具。研究人员在此提出了一个基于非绝热关断激发方法的集成NMR磁场传感器，专门针对LFMRI设计。垂直于\({B}_{0}\)的集成强预极化场显著增加了自旋极化，超过\({B}_{0}\)处的极化水平。突然关断该场可防止磁化随场衰减而绝热跟随，从而产生可测量的横向磁化。该技术的最大优势在于无需详细的先验磁场知识即可工作，不同于传统激发方案可能需要精确的拉莫尔频率来实现共振激发条件。传感器采用由碳化硅n型金属氧化物场效应晶体管（SiC-nFET）的受控雪崩操作产生的非绝热关断激发，能够紧凑地产生超过2000 V的电压脉冲和\(\Delta B=-70{\rm{T}}/\mathrm{ms}\)的强磁场斜坡。预极化场非绝热关断用于NMR激发的可行性是已知概念，可直接从Bloch方程的解中得出。该方法此前主要用于极低磁场，例如接近地球磁场的地球物理应用。与这些早期实现相比，本研究的概念实现了约三个数量级更快的斜坡下降时间，使得在高达三个数量级更高的磁场中进行测量成为可能。此外，据作者所知，本工作首次提出了实现该激发方案的完全集成、独立传感器。硬件还可与包含标准绝热预极化的传统RF激发配合使用，因此被命名为混合模式。传感器在两个代表性LFMRI平台上进行了实验演示：电磁体基超低场MRI（ULFMRI，\({B}_{0}=1-5\mathrm{mT}\)）和Halbach永磁体头部LFMRI系统（\({B}_{0}=45\mathrm{mT}\)）。本工作应视为概念验证，展示了基于受控雪崩辅助非绝热激发的集成NMR场传感器在LFMRI中的可行性。
研究方法方面，研究人员采用的关键技术方法包括：（1）基于Bloch方程数值模拟的磁化动力学分析与接收线圈优化设计；（2）利用有限元法（FEM）进行预极化线圈和接收线圈的电磁场仿真与几何优化；（3）采用高压SiC-nFET受控雪崩击穿模式产生快速非绝热关断，通过并联三个SiC-nFET确保可靠性并进行了10,000次雪崩循环的老化测试；（4）自建低成本感应耦合拾取线圈结合常规示波器表征关断过程；（5）模块化接收电子学架构，包括低噪声放大器（LNA）、可变增益放大器（VGA）和六阶Butterworth抗混叠滤波器；（6）在超低场电磁体系统（1/3/5 mT）和未匀场的Halbach永磁体（45 mT）两个平台上进行实验验证，超低场系统置于三层磁屏蔽室中（残余磁场\(B < 10\mathrm{nT}\)）。
研究结果方面，通过非绝热关断预极化场，研究人员发现预极化场\({B}_{p}^{x}\)垂直于静态磁场\({B}_{0}^{z}\)和法拉第接收线圈\({B}_{{Rx}}^{y}\)取向。与绝热预极化脉冲不同，快速非绝热关断在违反绝热条件时留下残余横向磁化\({M}_{\perp }\)。基于Bloch方程的数值模拟表明，在\({B}_{p}^{x}\gg {B}_{0}^{z}\)且斜坡时间\({t}_{R}\to 0\)的理想情况下，\({M}_{\perp }\)与\({B}_{p}^{x}\)成正比，法拉第检测线圈中\(U \sim {B}_{p}^{x}{B}_{0}^{z}\)。模拟表明，对于典型（U）LFMRI设备，关断持续时间应\({t}_{R}\le 1\mu {\mathrm{s}}\)以最大化可用信号。为关断\({B}_{p}^{x}\)，设计了新型预极化发生器电路（\({I}_{p}\le 25{\rm{A}}\)，\({L}_{p}\approx 80\mu {\rm{H}}\)），利用高压SiC-nFET（\({U}_{{DS}\max }=1.7\mathrm{kV}\)）的有意触发雪崩击穿（\({U}_{{BD}}\approx 2.1\mathrm{kV}\)）提供千伏级高压。老化测试中多达10,000次雪崩后未检测到损伤。通过缓冲电路精确调谐非绝热关断，在\({I}_{p}=19{\rm{A}}\)时实现了\({t}_{R}=896\mathrm{ns}\)的关断时间。在不同电流\(1.7{\rm{A}}\le {I}_{p}\le 23.9{\rm{A}}\)下，关断时间为\(359\mathrm{ns}\le {t}_{R}\le 1006\mathrm{ns}\)。对于\({B}_{0}^{z}\le 5\mathrm{mT}\)，绝热条件可被显著违反；对于\({B}_{0}^{z}\approx 50\mathrm{mT}\)，绝热条件通常满足。通过优化样品、极化线圈和接收线圈设计以实现最大灵敏度，样品体积在\({B}_{0}\le 5\mathrm{mT}\)时为\(V=1.2\mathrm{ml}\)，在\({B}_{0}=45\mathrm{mT}\)时为\(V=1.5\mathrm{ml}\)。接收线圈优化表明，预期EMF随匝数增加而显著增加，但电阻也因铜线总长度增加而增大，从而限制了可实现的SNR。基于这些结果，构建了优化的ULF（\({B}_{0}\le 5\mathrm{mT}\)）和LF（\({B}_{0}=45\mathrm{mT}\)）接收线圈配置。模拟比较表明，非绝热激发在高达\({B}_{0}=26\mathrm{mT}\)（考虑EMF时为38 mT）的极限磁场下明显优于传统RF激发。通过超低场NMR测量（\({B}_{0}\le 5\mathrm{mT}\)），研究人员展示了场探针在远离其理论理想工作点的宽范围内功能。在\({B}_{0}=3/5\mathrm{mT}\)时FWHM远低于\(\Delta f < 10\mathrm{Hz}\)（\({B}_{0}=1\mathrm{mT}\)时为\(\Delta f < 30\mathrm{Hz}\)），可实现灵敏度为\({f}_{{sens}} < 26\mathrm{ppm}\)（\({B}_{0}=1\mathrm{mT}\)时为\({f}_{{sens}} < 235\mathrm{ppm}\)）。通过变化预极化场强（\(0\mathrm{mT}\le {B}_{p}\le 67.5\mathrm{mT}\)）和预极化时间（\(1s\le {t}_{p}\le 10s\)）研究了预极化相位对非绝热关断的依赖性，发现信号振幅随\({B}_{p}\)线性增加，随\({t}_{p}\)呈指数行为，时间常数为NMR弛豫时间\({T}_{1}\)。仅需\({B}_{p}\ge 10\mathrm{mT}\)即可测量NMR谱，短至\({t}_{p}\ge 2{\rm{s}}\)的预极化持续时间即可测量拉莫尔频率。在超低场混合测量中，结合绝热预极化和传统共振RF激发，在\({B}_{p}\ge 26\mathrm{mT}\)时使用四次平均可获得可靠检测的光谱。在\({B}_{0}=45\mathrm{mT}\)的低场NMR测量中，在未匀场Halbach磁体内每个工作点获得了最高SNR的NMR谱，平均弛豫时间\({T}_{2}^{* }\approx 0.12\mathrm{ms}\)（平均\(FWHM=4028\rm{Hz}\)），与先前基于霍尔传感器的映射估计的磁体不均匀性一致。NMR测量精度（\({\Delta }_{{NMR}}\approx 0.1 \%\)）显著优于内置霍尔传感器（\(\left|{\Delta }_{{Hall}}\right|\le 2.5 \%\)）。部分测量未产生可检测的NMR谱，这主要源于高度动态的激发过程而非传感器概念本身，雪崩开关受随机器件行为和寄生电路元件影响，在接近绝热极限时磁化动力学变得异常敏感。
讨论部分总结了该工作的意义。研究人员开发了一种功能性的、成本效益高的低场探针，能够在\(1\le {B}_{0}\le 50\mathrm{mT}\)范围内快速自主检查未知（U）LFMRI磁体的磁场。核心组件是新设计的预极化发生器，实现了预极化场的快速非绝热关断，无需任何额外共振激发即可留下横向磁化\({M}_{\perp }\)。关键创新在于首次将高压SiC-nFET用于此前未使用的专用工作点，即在\({U}_{{BD}}\approx 2.1\mathrm{kV}\)处有意触发雪崩击穿，产生\(\Delta i=-26.4\mathrm{kA}/\mathrm{ms}\)（\(\Delta B=-70{\rm{T}}/\mathrm{ms}\)）的极强电流斜坡。非绝热关断已被证明是磁场传感器中的优雅解决方案，此前已在地球磁场NMR或接近零场的物理实验中成功研究。预极化在（U）LF NMR中具有优势，因为它增加自旋极化从而提高信号水平，放宽了对接收电子学的要求。然而，在\({B}_{0}\ge 40\mathrm{mT}\)的MRI系统中，这一优势变得不那么明显。在这些磁场中，所提出的方法保留了频率无关激发的重要优势。传统NMR场探针通过扫描发射频率直到达到共振来确定拉莫尔频率，通常需要重复测量和匹配网络调整，对于需要平均的弱信号而言耗时较长。非绝热关断概念消除了这一要求，因为信号还随\({B}_{p}\)缩放。然而，在高场下满足非绝热条件变得越来越困难。共振激发可实现更小的硬件设计和样品体积以及更快的测量。非绝热激发简化了系统实现，但需要仔细的传感器头设计和初始FID样本的加窗以抑制关断瞬态，降低了有效SNR。总体而言，在\(1\mathrm{mT}\le {B}_{0}\le 50\mathrm{mT}\)范围内，非绝热激发在较低场下因频率无关操作和更高极化水平而具有优势，而共振激发在较高场下因更大信号和更简单频率确定而越来越有利。模拟表明，共振激发应产生比非绝热激发更强信号的交叉点约在\({B}_{0}=26\mathrm{mT}\)。预极化线圈对NMR样品的加热可通过降低自旋极化和增加热噪声略微降低灵敏度，本测量中最大温度升高\(\Delta T\le 4{\rm{K}}\)，未观察到超出固有磁场漂移的额外传感器相关频率漂移。原则上任何高压实验室电源均可产生所需的预极化电流斜坡，但此类系统需要广泛的安全措施且成本高昂。相比之下，所提出的方法通过在晶体管封装内局部产生高压提供了简单、低成本的解决方案，仅需基本触碰保护。存储的线圈能量（\({W}_{P} < 25\mathrm{mJ}\)）是非危险的，与典型人体静电放电相当。凭借通过并行化、适当SiC-nFET选择和老化测试实现的失效安全设计，可以安全地假设每个晶体管轻松实现超过10,000次测量循环。通过集成新开发的3.3 kV-SiC-nFET可实现更快的关断，从而测量更高的\({B}_{0}\)。对于HFMRI，NMR场探针用于通过测量MRI检查过程中实际时变磁场来改善图像质量。本文提出的场探针将此功能扩展到（U）LFMRI：Halbach磁体的漂移是已知问题，在本研究的未匀场磁体中漂移异常高，可能禁止任何MR成像，可归因于欧姆损耗导致的温度波动。然而，利用该场探针可通过使用传感器输出作为控制器输入的主动匀场来解决。对于主动驱动电磁体中已知的电流漂移同样可行。通过自动移动传感器在磁体内可获得磁场特性的额外见解。使用水以最大化信号，样品容器的工程浸渍成功防止了干燥。未来开发应通过使用CuSO?掺杂水或具有更短\({T}_{1}\)的固体样品来减少长重复时间。或者可采用氟化样品，因为它们提供相似的旋磁比同时在质子MRI中不可见。所实现的SNR还允许进一步减小样品体积。在本配置中，频率分辨率从根本上受限于样品\({T}_{2}\)至Hz范围。更高分辨率需要替代的NMR方法，如RASER。总之，所提出的结果，特别是在\({B}_{0}=45\mathrm{mT}\)领域，应视为受控雪崩操作在新颖高压SiC晶体管中用于NMR激发的原理验证演示。该方法使非绝热激发场比先前在地球磁场中激发的技术水平高出约三个数量级。此外，结果表明Tannús和Garwood描述的常用绝热判据并非绝对限制，而是在受控条件下可被大幅超越。据研究人员所知，这是此类机制的首次实验演示，也是受控雪崩击穿在传感中的首次应用。传感器概念在两个应用相关的LFMRI体系中进行了评估，即电磁体基ULF系统和永磁体LF系统。虽然中间磁场将进一步确认模拟的传感器性能，但因其目前对MRI应用的相关性有限而未进行研究。同时，精确控制雪崩动力学至关重要。本文提出的电路架构提供了初始控制水平，改进的雪崩表征和更复杂的开关概念可在未来工作中研究。在高场下观察到的可变测量性能主要反映了预极化发生器的局限性而非传感概念本身。值得注意的是，尽管存在极端电压瞬变和对低压电子学的相关电磁应力，仍保持了可靠运行，证明了所实施稳定措施的有效性。该系统的进一步应用可能包括表征各种NMR磁体（如台式系统）或校准其他集成传感器（如霍尔或磁阻传感器）。设计过程中特别强调确保该硬件尽可能易于复制和升级——即使在资源受限的情况下——从而形成模块化电子架构并避免任何特殊工具、部件或专业知识。所有硬件和软件均作为开放硬件提供，可直接改进所有已建造和安装的LFMRI扫描仪以及新硬件和序列的开发。研究结论部分翻译如下：本研究开发了一种功能性的、成本效益高的低场探针，能够在1至50 mT范围内快速自主检查未知（超）低场MRI磁体的磁场。核心组件是新设计的预极化发生器，实现预极化场的快速非绝热关断，无需任何额外共振激发即可留下横向磁化。关键创新在于首次将高压碳化硅n型场效应晶体管用于此前未使用的专用工作点，即在约2.1 kV处有意触发雪崩击穿，产生极强的电流斜坡。该传感器概念在两个应用相关的低场MRI体系中进行了评估，即电磁体基超低场系统和永磁体低场系统。所有硬件和软件均作为开放硬件提供，可直接改进所有已建造和安装的低场MRI扫描仪以及新硬件和序列的开发。
