波谱学杂志  2016, Vol. 33 Issue (3): 458-467
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由于肺部组织的质子密度很低（约比肌肉组织低3个数量级），且具有特殊的功能结构（大量的空气接触界面）使得其内部产生不均匀磁环境，所以传统磁共振成像（MRI）方法用于肺部成像时面临较大挑战[1, 2]．尽管发展了一些技术，例如肺实质超短回波时间成像[3]等，但是仍不能直接获得肺部空腔的成像．随着自旋交换光泵建立惰性气体非热平衡核自旋极化（也称为超极化或者激光极化）技术的发展，超极化惰性气体的核磁共振（NMR）信号灵敏度得到了极大提高．使用超极化惰性气体可以克服肺部成像难这一困境：通过吸入超极化气体，肺部MRI得以实现[4-8]．
目前在NMR和MRI里常用的超极化惰性气体主要包括氦-3和氙-129[9, 10]．与氙-129相比，氦-3具有较高的旋磁比[11]、非常长的弛豫时间（可达到几天）以及能够获得较高的核自旋极化度水平（通常为70%~80%）[12]．利用超极化氦-3可以得到肺部通气信息（自旋密度）[13]、肺泡大小分布（扩散）[14]以及氧水平（氦-3弛豫率）[15]．超极化氦-3的肺部MRI已经被广泛的应用到肺气肿、哮喘和慢性阻塞性肺病等相关的研究[16, 17]中．除了肺部MRI外，超极化氦-3还可以作为自旋极化靶标用于探测核结构以及基本对称性研究[18, 19]．但是氦-3在自然界中的丰度非常小，只有0.000 13%，而其另一来源为核反应中氚的衰减，因此不能满足科学研究的大量需求．相比于氦-3的低储量，氙-129在自然界中拥有较高的自然丰度（26.4%，可以从大气中分离获得）；而且通过优化相关实验参数也可以获得灵敏度较高的NMR信号；另外，由于具有大的、易极化的电子云，使得氙-129拥有较宽的化学位移范围，可以用于研究测试区域的磁环境等[20]．
自旋交换光泵[21, 22]主要包括两个过程：碱金属原子（例如铷和铯）吸收圆偏振的光子获得较高的电子自旋极化度（近似为1）；通过与氙-129或者氦-3的两体碰撞或者三体碰撞（三体碰撞仅适用于氙-129）将碱金属原子的电子极化度转移至氙-129或氦-3的核，使其获得核自旋极化度．这一过程是复杂的，混合工作气体的压力和流量、光泵泡的温度、激光工作波长等多种因素都可能影响到最终获得的超极化惰性气体的核自旋极化度．对于人体肺部的超极化气体氙-129 MRI，为了获得所需的高极化度和较高的产率，需要对自旋交换光泵过程的物理参数进行优化．
与依赖于磁场强度的热平衡核自旋极化不同，自旋交换光泵方法可以将惰性气体的核自旋极化度增强4~5个数量级，因此使得超极化气体的低场NMR研究成为一种可选择的方法．本文中，我们使用低场（0.002 T）NMR系统对连续流动工作模式的铷-氙自旋交换光泵系统及相关工作参数进行了测量和优化．
1 实验部分 1.1 旋交换系统实验中的铷-氙自旋交换光泵系统主要包括以下几个部分：
（1）采用65 W高功率超窄线宽（ < 30 GHz）激光器作为光泵光源．通过改变激光头和体积全息光栅的工作温度可以连续等功率地调节激光器工作波长，其连续调节范围为794.6~794.9 nm．利用耐高功率激光扩束镜用以扩束、准直激光光束以匹配光泵泡入射端尺寸．
（2）铷-氙自旋交换光泵系统中的核心部件为光泵泡，设计为派瑞克斯玻璃双泡型光泵泡，其由一个长泡（320 mm）和一个短泡（200 mm）级联组成，直径为55 mm．前级短泡作为预混合泡，用来预混合铷原子蒸气和混合工作气体（2%氙气、10%氮气以及88%氦气）．长泡放置于激光光束路径上作为光泵泡．约1 g碱金属铷（自然丰度，纯度为99.3%）被充入光泵泡内，其中的大部分位于预混合泡内．为了产生足够高的铷原子蒸气密度用于铷-氙的自旋交换光泵，通过自制的比例-积分-微分（PID）控制器和电加热器，为光泵泡提供温度控制．由安置于光泵泡尾部的高分辨率光纤光谱仪监控激光经过光泵泡的透射光强，也用作光泵泡加热温度的参考．
（3）一维四环亥姆赫兹磁场线圈（其外径为694 mm，内径为546 mm，长度为690 mm），为自旋交换光泵碱金属原子提供磁场（0.002 T）环境，磁场中心均匀度为±500×10-6，均匀区为Φ 120×260 mm2，线圈常数为0.546 mT/A．
1.2 低场NMR系统低场NMR系统主要包括以下部分：
（1）NMR系统控制台（Magritek，Kea2）．
（2）表面线圈，频率为23.5 kHz，同时作为激励/接收线圈．
（3）测试泡体：Φ 30×30 mm2的圆柱派热克斯玻璃泡．
（4）一维两环亥姆赫兹线圈（其外径为648 mm，内径为495 mm，长度为247 mm）为NMR测量超极化氙-129提供磁场（0.002 T）环境，磁场中心均匀度为±500×10-6，均匀区为Φ 50×50 mm2，线圈常数为0.68 mT/A．
1.3 实验方法为了对铷-氙自旋交换光泵系统的性能进行评价以及对其工作参数进行优化，我们利用低场（0.002 T）NMR系统对不同工作参数下产生的超极化气体氙-129进行了NMR信号测量．如图 1所示，混合工作气体（2%的同位素富集氙-129或者自然丰度氙气、10%的氮气、88%的氦气）自气瓶经气路控制系统流动进入光泵泡，完成与铷原子的自旋交换光泵后，产生的超极化混合气体从光泵泡体通过约1 m长的可溶性聚四氟乙烯（PFA）管道直接进入低场NMR系统测试区．为了测试超极化气体氙-129，在测试区安装了一个Φ 30×30 mm2的圆柱玻璃测试泡，测试泡的两端分别熔接了Chemglass玻璃接头，以便于与PFA管道相连接．每次测试之前，首先通过真空系统将PFA管道以及测试泡内部抽至1 Pa的真空，以消除PFA管道及测试泡体内的残余气体（特别是氧气）对超极化气体氙-129弛豫的影响．
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| 图 1 铷-氙自旋交换光泵系统和低场NMR系统的工作示意图 Fig. 1 The setup of the spin exchange optical pumping sytem and low field NMR system |
如图 2所示，实验中，一个简单的单脉冲激发采样序列（图 2左图）用于超极化气体氙-129的NMR测量．由于超极化气体氙-129的核自旋极化度获得了极大的增强，因此，通过单次测量即可获得高信噪比的超极化气体氙-129的低场NMR信号（图 2右图）．
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| 图 2 低场NMR脉冲及采样序列（左），典型的低场下超极化气体氙-129的NMR信号（右） Fig. 2 Pulse sequences used for low field NMR (left), typical NMR signal of the hyperpolarized xenon-129 obtained at low field (right) |
由理论分析可知，连续流动工作模式的铷-氙自旋交换光泵系统存在一个最佳工作温度．光泵泡工作在最佳温度点时，超极化气体氙-129将会获得最大的核自旋极化度．当光泵泡处于较低温度时，由于泡内的铷原子数目不够多，进而不能最大地吸收激光能量以获得足够高的极化度，不能更多地参与和氙-129的自旋交换碰撞．然而，当温度过高时，近光端的光泵泡内产生了足够多的铷原子，导致大量的或者几乎全部的激光能量都被吸收，此时极易导致产生铷原子“runaway”效应，进而导致较低的氙-129核自旋极化度[23, 24]．另外，当温度过高时，铷原子的数目增加亦会导致铷-铷的自旋破坏率增加．如图 3所示，使用同位素富集（86%氙-129）混合工作气体，由实验测量得到了超极化气体氙-129核自旋极化度与光泵泡温度的对应关系．从图中可以看到，我们的铷-氙自旋交换光泵系统对于混合工作气体流量分别为0.3 SLPM（Stard Liter Per Minute）和0.5 SLPM时的最佳工作光泵泡温度基本相同，约为390 K，获得的超极化气体氙-129核自旋极化度分别为9.0%和7.5%．
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| 图 3 在两种流量情况下，超极化气体氙-129核自旋极化度与光泵泡工作温度的依赖关系 Fig. 3 Polarization of the hyperpolarized gas xenon-129 as a function of temperature for two different flow rates |
由于铷-氙自旋交换光泵系统中激光器的开启需要一个过程（激光器额定电流为48 A．在激光器的开启过程中，为防止由于激光器驱动电流的迅速增加对激光管以及光栅可能造成的热损坏，要求驱动电流每10 A增加1次，待激光管及光栅温度稳定后，再继续增加直至达到额定电流），因此，在每次开启激光器的过程中光泵泡内的气体氙-129就已经开始获得核自旋极化度．我们测量了混合工作气体连续流动时激光器开机过程中氙-129极化度的建立时间．具体的测试过程为：开启激光器驱动之前，首先使混合工作气体处于连续流动状态，然后按照标准激光器开机步骤调节激光器驱动电流，并在这一过程中每隔1 min对流入低场测试系统内的超极化气体氙-129进行NMR测量．如图 4所示，使用同位素富集混合工作气体，测量了超极化气体氙-129的NMR信号与自旋交换光泵时间之间的关系，获得超极化气体氙-129核自旋极化度建立时间为15 min．在这一过程中，激光器的开机时间（激光器驱动电流达到设定值）为4 min．
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| 图 4 使用同位素富集混合工作气体，超极化气体氙-129的NMR信号与自旋交换光泵时间的关系，实验中光泵泡温度为390 K，压力为448.175 kPa (65 Psi)，流量为0.3 SLPM Fig. 4 Relation of hyperpolarized xenon-129 NMR signals and the spin-exchange optical pumping time obtained by using isotopically enriched mixing gases. Measurement parameters: temperature of the cell is 390 K, pressure is 448.175 kPa (65 Psi), flow rates is 0.3 SLPM |
超极化气体氙-129可以达到的核自旋极化度与铷原子极化度成正比，铷原子的极化度又与激光光泵密切相关．在光泵过程中，混合工作气体的压力以及组分会导致铷原子吸收线的频移和展宽，并且会影响到其线型[25, 26]．铷原子吸收线的频移以及展宽主要是由于基态与激发态原子间相互作用势的差造成的．这一势差为铷原子D线的跃迁提供了能量，势差的大小依赖于碰撞原子的间距．当光泵泡内的混合工作气体压力很大时，泡内的原子间距被“挤压”到很小，使得势差所提供的能量形成了很大的光谱跃迁窗口，即压力展宽．碰撞原子的极性在光泵过程中同样具有很大的影响，这是由于原子间的吸引力依赖于范德瓦尔势能．因此在铷-氙的自旋交换光泵中，混合工作气体的分压越大，对铷原子的线型造成影响就越大．范德瓦尔势能同样会造成吸收线的频移，这主要是由于基态势能的吸引力比激发态势能小（高极化性的氙原子会造成共振频率向低方向移动，反之则向高频方向移动）．
在连续流动工作模式的铷-氙自旋交换光泵系统中，通过调节激光波长，以改变铷原子的极化度，进而改变氙-129的核自旋极化度．我们实验测量了激光波长与氙-129极化度的对应关系．由图 5可见，使用同位素富集混合工作气体时，在铷原子的共振频率位置（794.77 nm）并未获得最大的超极化气体氙-129核自旋极化度，反而在低波长区域获得较高的极化度．同样，在使用自然丰度混合工作气体时，也测量得到类似的激光工作波长与超极化气体氙-129核自旋极化度的对应关系（图 6中正方形实验点曲线），图中三角形实验点曲线为不同激光波长光泵时光谱仪探测到的透射光光强．由图 6可知，当激光波长红失谐偏离铷原子共振波长时，其透射光强变大且超极化气体氙-129核自旋极化度逐渐变小，这说明该频率的激光并不能更大的被铷原子吸收以产生大的铷原子极化度和氙-129核自旋极化度；当激光波长蓝失谐偏离铷原子共振波长时，可以发现此时激光相对于红失谐时得到了更多的吸收，也产生较大的氙-129极化度；当激光的透射光强最小时（激光被更多的吸收），其所产生的超极化气体氙-129的核自旋极化度并不是最大；反而在透射光强相对较大的区域（图中所示为激光波长为794.73 nm）时，超极化气体氙-129获得了较大的极化度．其原因主要归于两个方面：一方面，当激光波长失谐偏离铷原子的共振频率（考虑压力展宽以及频移等之后实际的共振频率）时，其激光光泵效率要小于共振光的光泵效率，但是整个光泵泡的实际光泵区域失谐光的光泵效果要优于共振光的效果（激光照射到更大、更多的铷原子蒸气区域）；另一方面，当激光波长失谐较大时，虽然激光光泵得到了铷原子蒸气更大的吸收（激光照射到更大的区域），但是对应的光泵效率较低、亦不能产生高极化度的超极气体化氙-129．如图 6所示，当激光波长为794.6 nm时，由于铷原子蒸气的吸收使得激光的透射强度很小．但是，超极化气体氙-129也没有获得高极化度．因此，在实际的流动工作模式的自旋交换光泵系统中，为了获得最大的光泵效率，需要综合考虑混合工作气体的压力和流量、激光的激发波长以及其在光泵泡内的照射区域．
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| 图 5 使用同位素富集混合工作气体时，超极化气体氙-129核自旋极化度与激光波长的对应关系，实验中，光泵泡温度为390 K，压力为310.225 kPa (45 Psi)，流量为0.3 SLPM Fig. 5 The polarization of hyperpolarized xenon-129 as a function of wavelength for isotopically enriched mixing gases. Measurement parameters: temperature of the cell is 390 K, pressure is 310.225 kPa (45 Psi), flow rates is 0.3 SLPM |
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| 图 6 使用自然丰度混合工作气体时，超极化气体氙-129核自旋极化度以及透射光强与激光波长的对应关系，图中正方形符号代表超极化氙-129的极化度，三角形指示的为相应的透射光强．实验中，光泵泡温度为393 K，压力为434.385 kPa (63 Psi)，流量为0.3 SLPM Fig. 6 The polarization of hyperpolarized xenon-129 and transmission of laser as a function of wavelength for naturally abundant mixing gases. The square and triangle symbols represent the polarization of the hyperpolarized xenon-129 and the tansmission of the laser, respectively. Measurement parameters: temperature of the cell is 393 K, pressure is 434.385 kPa (63 Psi), flow rates is 0.3 SLPM |
本文介绍了自制的用于人体肺部超极化气体MRI的铷-氙自旋交换光泵系统和低场（0.002 T）NMR系统（包括其基本组成单元）．实验中使用低场（0.002 T）NMR系统单次测量即可获得超极化气体氙-129的高信噪比NMR信号，表明低场NMR系统是能够方便地用于超极化气体氙-129的NMR研究．通过低场NMR的测量对连续流动工作模式铷-氙自旋交换光泵系统进行了相关参数优化，得到光泵泡最佳工作温度、同位素富集和自然丰度混合工作气体时的超极化气体氙-129核自旋极化度建立时间、激光光泵的最优工作波长．本研究使用连续流动工作模式自旋交换光泵系统获得高核自旋极化度、大容量的超极化气体氙-129，为人体肺部MRI的研究提供了相关数据和实验依据．
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