Magnetómetros atómicos baseados em células de vapor para medição de campos magnéticos cerebrais

Abstract

A crescente necessidade de estudar o cérebro humano resultou no desenvolvimento de tecnologias de imagiologia médica. Das tecnologias existentes, pode destacar-se o exame de magnetoencefalografia (MEG) que permite realizar um mapeamento da eletrofisiologia cerebral, sendo a sua contribuição em estudos neurocientíficos e no diagnóstico de doenças cerebrais bastante notável. Isto torna-se possível através do registo dos campos magnéticos produzidos pelo fluxo de correntes elétricas neuronais. O MEG convencional recorre a dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUIDs) como técnica de sensorização dos campos magnéticos cerebrais. Contudo, os SQUIDs necessitam de arrefecimento criogénico por hélio líquido, que se traduz num custo de fabrico e manutenção elevados, e implica que os sensores estejam fixos numa determinada posição, resultando num equipamento volumoso e não adaptável à cabeça de cada paciente. Recentemente, têm sido desenvolvidas alternativas de sensorização magnética, com sensibilidades equiparáveis aos SQUIDs e capazes de solucionar alguns dos problemas mencionados. Destas podem-se destacar os magnetómetros de bombeamento ótico (OPMs) que apresentam elevada sensibilidade, flexibilidade e capacidade de ajuste à cabeça de cada paciente. A presente dissertação explora o conceito de sensorização por OPMs recorrendo a duas células de vapor de metais alcalinos distintas, o rubídio-87 (87Rb) e o césio (Cs). São analisadas duas abordagens magnéticas implementadas no presente estudo, incluindo uma análise através de simulações computacionais que recorrem ao método de elementos finitos (FEM) e uma análise experimental com o setup ótico-magnético adequado. Adicionalmente, são explorados diversos fatores que influenciam a sensibilidade destes dispositivos. Os resultados obtidos favorecem o uso de um par de Helmholtz Coils para aplicação de campos magnéticos no sensor e indicam que o método de isolamento antimagnético é apropriado e essencial para estabilidade de resultados e eliminação de interferências externas. Adicionalmente, as medições experimentais refletem que a polarização circular apresenta melhores resultados do que a polarização linear ou ausência de polarização. À temperatura ambiente, a célula de vapor de 87Rb apresenta maior sensibilidade do que a célula de Cs. Com a aplicação de uma temperatura de 90ºC, temperatura limitada pelas células de vapor em estudo, a célula de vapor de Cs exibe melhores resultados. Genericamente, foi otimizado um sensor capaz de registar campos magnéticos na ordem de 1 nT, para um intervalo de comprimentos de onda do feixe de bombeamento ótico.

The need of analyzing the intricacies of the human brain has resulted in the development of several medical imaging technologies. The magnetoencephalography (MEG) is one of the existing exams that allows the mapping of the brain electrophysiology by measuring the magnitude of the magnetic fields produced by electric current flows of the neurons. It has majorly contributed to neuroscientific studies and investigations, and it is a powerful tool in the diagnosis of brain related diseases. The conventional MEG relies on the use of superconducting quantum interference devices (SQUIDs) for sensing the magnetic fields produced by the brain. However, SQUIDs need to be cryogenically cooled by liquid helium in order to fully operate, which greatly elevates the price of manufacturing and maintenance of these equipments. Consequently, these sensors must be in a fixed position, resulting in a one-size-fits-all inflexible imaging equipment. Advances in magnetic field sensing have shown viable alternatives to SQUIDs, that show similar sensitivity but provide solutions to several of the issues mentioned. Of the existing alternatives, optically pumped magnetometers (OPMs) have been the most promising technology. They can achieve high values of sensitivity and present a high degree of flexibility that allows the sensor to be placed on the scalp. This dissertation explores the use of OPMs for magnetic field sensing by using two distinct alkali metal vapor cells, rubidium-87 (87Rb) and cesium (Cs). Two different magnetic configurations are analyzed, both by means of computational finite element method (FEM) simulations and experimentally. Additionally, the use of several factors that can potentially influence the sensitivity of this device is explored. The results obtained in computational simulations and in laboratory-based experiments put in advantage the incorporation of a pair of Helmholtz Coils for magnetic field generation and indicate that the magnetic shielding box used is adequate to the conducted experiments. Furthermore, the use of circular polarization of the emitted light beam presents the best results in terms of transmittance comparatively to the use of linear polarization or without polarization. By operating this sensor at room temperature, the 87Rb vapor cell shows higher sensitivity than the Cs cell. However, by heating the vapor cells to a temperature value of 90 ºC, limited by the type of vapor cells used in this experiment, the Cs cell shows the highest sensitivity. Lastly, the present work shows an optimized OPM sensor able to register magnetic fields in the 1 nT orders of magnitude, for a large range of wavelengths of the emitted light.