簡介

Svenja Knappe是Field Line的首席技術官，Field Line 正在將基於量子磁力計的功能性大腦成像系統商業化。
與傳統感測器相比，這些量子磁力計有相當高的信噪比。
而Field Line在研發過程中也遇到許多問題，像是：
如何利用光學平台、雷射探測器上的光學器件建造的這些實驗性系統，如何將其轉化為人們可以在日常應用中使用的設備，如何開發成硬幣大小的裝置，以及開發可製造性的技術，大量生產這些感測器降低成本，然後如何封裝這些感測器並使它們尺寸小、重量輕、功耗低等等。

為甚麼需要大腦成像

就目前的醫學技術而言，人們還無法了解許多問題，像是:

1. 大腦是如何處理資訊的?
2. 記憶是如何儲存與回憶?
3. 為甚麼我們需要睡眠?
4. 為甚麼我們會笑、會做夢?
5. 大腦如何感知到時間?
6. 我們的大腦是如何決定我們的人格特質

諸如此類的問題都需要去更深入分析每個神經元之間的連結與觸發機制，這樣就需要更精準的大腦成像圖來分析。

大腦成像

就目前而言區分成以下幾種技術，水平軸是時間分辨率，垂直軸是空間分布率：

1. MRI 是針對腦中的水分布進行成像，它為腦中物質的型態提供了非常高的對比度，可以觀察到腫瘤這樣的東西的變化，但無法觀察到功能性的變化。
2. fMRI 是針對腦中的氧氣進行成像，它可以區分氧和血紅蛋白和脫氧血紅蛋白，
3. PET 則是透過注射帶有無線電追蹤劑的葡萄糖，測量腦部葡萄糖分布，可以觀察到腦部活動情況的部分訊息，屬於間接方法
4. EEG 則是透過電極貼片，量測腦電波圖，但由於頭骨具有一定的電導率，所以量測出的腦電波圖繪受到扭曲，因此在空間分辨率上沒有很精準。
5. MEG 則是測量腦部的磁場形成腦電波圖，由於不會受到頭骨的影響，所以空間分辨率較高。
6. sEEG 則是透過侵入式的電極量測腦電波圖，具有最精準的空間分辨率與時間分辨率(毫米與毫秒級別的)，由於需要再頭骨上鑽孔並插入量測儀器，所以會對患者造成傷害。
   由於最後一種會對患者造成傷害，因此Svenja Knappe的團隊才決定基於MEG的方式，透過提高磁場精準度進行升級，因此才做出量子磁感測器。
   

原理

基本上是透過單向圓偏振幫浦激光器發射偏振光，然後用感測器感測光受到磁場的偏轉情形。
(中間的Cell則是容納銣原子的容器，其中運作的物理原理請參考影片的34：10)
根據實驗結果，因為訊號轉換會產生零場共振，所以後來又在儀器上添加圓形的線圈，鎖定訊號源
而下面右側的圖就是磁場轉換成訊號後的情形，垂直軸是轉換後的訊號

歷史

下圖是他們開發的歷史，從兩個感測器的系統一路開發至現在的128個感測器系統，並且為了最終做成最右邊小男孩頭上帶的裝置，他們盡力將感測器縮小並用MEMS生產封裝。
越多的感測器，收到的訊號會越複雜，因此需要機器學習等方式來處理訊號資料。

參考資料:Svenja Knappe: Quantum Sensing – Imaging the Brain
Note:影片中還有其他內容，歡迎大家去看影片