基于光泵磁强计的低串扰动态三轴生物磁场测量方法

《Optics & Laser Technology》：Low-crosstalk dynamic three-axis biomagnetic field measurement method based on optically pumped magnetometers

本文提出了一种基于单轴调制和三轴闭环控制的低串扰动态三轴生物磁场测量方法，通过实验验证了该方法在OPM系统中实现20.3、9.6、42.2 fT/Hz的各轴灵敏度，并抑制了88.7%的标度因子波动，有效解决了多轴调制串扰和低频环境磁场干扰问题，提升了MCG/MEG系统的源定位精度。

　　

龙腾月|吴振东|吴迪|齐胜杰|贾乐|宋新达|郑世强

北京航空航天大学仪器与光电工程学院，中国北京100083

摘要

我们提出了一种低串扰的动态三轴生物磁场测量方法，适用于光泵浦磁力计（OPM）。OPM显著提升了生物磁场测量的能力，特别是在磁心图（MCG）和脑磁图（MEG）等应用中。实现三轴检测可以提高MCG和MEG系统中源定位的准确性，并减少进行全面场映射所需的传感器数量。然而，三轴OPM测量的精度受到两个关键挑战的限制：多个调制磁场之间的串扰以及低频环境磁场的波动。这些因素导致整体测量精度下降。因此，本文提出了一种低串扰的动态三轴磁场测量方法。该方法还通过闭环控制抑制了动态低频磁场干扰。通过实验验证，OPM在三个轴上的灵敏度分别为20.3、9.6和42.2 fT/Hz。此外，该方法将比例因子波动抑制了88.7%。该方法有效抑制了OPM的串扰和磁场干扰误差，提高了测量精度，进一步释放了基于OPM阵列的生物磁场测量系统的应用潜力。

引言

高灵敏度磁场测量在前沿物理[1]、[2]、生物磁传感[3] [4]以及许多其他领域[5] [6]中具有重要意义。在这些应用中，脑磁图（MEG）和磁心图（MCG）是生物磁场研究中的关键领域。历史上，大多数MEG和MCG系统主要依赖于超导量子干涉装置（SQUIDs），这些装置需要使用杜瓦瓶进行低温冷却。这样的限制严重阻碍了成本、紧凑性和便携性的改进。由于自旋交换弛豫自由（SERF）磁测法的显著进展，光泵浦磁力计（OPM）已成为传统磁传感器的有希望的替代品。2002年，Romalis等人首次展示了高灵敏度的SERF基原子磁力计[7]，到2003年，其灵敏度达到了0.54 fT/Hz[8]。与SQUIDs不同，OPM可以在中等温度（140–160°C）下高效运行，无需复杂的冷却系统[9] [10]。这些独特的优势使OPM成为一种经济高效、便携且高度灵敏的解决方案，越来越多地应用于生物磁传感[11] [12] [13] [14]。

尽管OPM已经具备单轴和双轴磁场测量功能，但将其应用扩展到三轴测量具有多个显著优势。首先，它可以在不增加传感器数量的情况下同时获取三个磁场分量。此外，这种方法有助于更准确的MCG和MEG源定位，并提高源重建的保真度[15] [16]。此外，使用更少的传感器获取多维信息可以有效减小系统体积并降低成本。

当前的研究根据两种不同的OPM配置区分了三轴同步测量方案。对于单光束架构，黄等人[17]和王等人[18]通过施加旋转调制磁场实现了同相分量和正交分量的同步解调。李等人[19]引入了沿碱金属气体细胞两个轴同时施加的两个正交调制磁场，而第三个轴则利用两个调制信号之间的差频进行解调。严等人[20]提出使用两个椭圆偏振激光束同时泵浦两个原子轴，相当于两个正交单光束OPM，从而实现三轴测量。对于双光束配置，传统的三轴测量方法是交叉调制解调，但这种方法灵敏度有限[21] [22]。为了解决这一限制，卢等人[23]提出了一种基于磁偏置的时间共享三轴测量方法。虽然这种方法可以实现三轴测量，但它无法进行实时数据采集。

然而，当前的三轴测量方法通常依赖于施加两个或更多高频（>1 kHz）、高幅度（>100 nTpp）的调制磁场[20] [24] [25]。随着OPM-MCG和OPM-MEG系统中通道数量的增加，这些方法会导致调制场之间的不可避免的干扰[26]。调制场的这种矢量叠加会扭曲OPM的敏感轴并引入幅度响应误差[27] [28]。这种扭曲会降低测量精度，并可能在MEG和MCG应用中导致源定位的显著误差[29] [30]。为了解决这些限制，我们提出了一种新的OPM三轴测量方法，该方法使用单轴调制磁场。与需要多个调制场的传统方法不同，该技术能够实现同步的三轴场测量，同时显著减少OPM阵列中的通道间串扰。此外，在动态测量过程中，三轴磁场的波动会降低测量信号的质量，引入额外的误差源。为了减轻动态测量过程中三轴磁场低频波动引起的误差，我们将三轴比例-积分（PI）闭环控制系统集成到OPM测量装置中。该系统能够实时抑制残余场变化，提高测量稳定性。所提出的方法能够抑制两种形式的误差：首先，它可以用来抑制三轴OPM阵列测量系统中由调制磁场引入的串扰误差；其次，它可以用来减少动态测量过程中由三轴残余磁场波动引起的OPM基测量系统中的幅度误差。

本文的第二章阐述了方法论原则。第三章详细介绍了实验装置的构建和实验步骤的设计。第四章展示了实验结果。第五章提供了结论。

部分摘录

三轴磁场测量原理

为了模拟自旋动力学，特别是在自旋-交换相互作用的影响下，密度矩阵形式提供了一个严谨的框架[31] [32]。可以使用布洛赫方程来实际描述电子自旋极化：$P$dPdt=D?2P+1q[γeB×P+Rop(s?P)?RreP]

扩散系数$D$代表原子扩散常数，在高压缓冲气体条件下可以忽略不计，因为原子运动受到抑制。

实验装置

OPM系统的整体结构如图3所示，包括组装好的装置照片和实验配置的示意图。所使用的磁力计是一个微制造的方形蒸汽池，作为传感元件。该蒸汽池的外长度为4毫米，内部腔室为3毫米，充满了同位素富集的${}^{87}$铷原子和700托尔的氮气缓冲气体。铷原子作为自旋极化介质。

OPM的三轴磁场测量

首先，通过将第2.1节描述的理论框架应用于沿$x$轴的调制磁场，获得三轴磁场输出信号。分别对三个轴施加$\pm$10 nT的磁场，并观察所有三个轴的相应输出响应。结果如图4所示。

如图4所示，单轴调制磁场的OPM具有测量三轴磁场的能力。

讨论

图4显示了三个轴磁场测量之间的耦合效应。例如，当沿$x$轴施加扫描磁场时，$y$轴和$z$轴的测量也显示出一些响应。我们对这一现象进行了理论分析，并确定了两个主要原因：首先，三个轴的磁场线圈并不完全正交；其次，三个轴的准静态残余磁场尚未完全补偿。

结论

在这项工作中，我们提出了一种基于单轴调制的低串扰动态三轴生物磁场测量方法。与需要多轴调制场的传统方法不同，该方法显著简化了系统架构并减少了OPM阵列中的通道间串扰。此外，通过集成三轴闭环控制系统，所提出的方法有效抑制了低频环境磁场干扰，确保了高

CRediT作者贡献声明

龙腾月：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，软件，方法论，资金获取，正式分析，数据管理。吴振东：软件。吴迪：软件。齐胜杰：软件。贾乐：软件。宋新达：监督。郑世强：资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了博士后奖学金计划和中国博士后科学基金会的支持，资助编号为BX20250482和2025M774228。