[논문]원자자력계를 이용한 생체자기측정

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김기웅 (한국표준과학연구원 의료계측연구단)

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4년 전부터는 앞에 언급한 냉각 및 냉매 소모 등의 SQUID 기반 생체자기측정 장치의 실용적 경쟁력의 한계를 극복하기 위해, 당시 첨단최신기술로 등장하였던 원자자력계 기술을 적용한 생체자기측정 장치 개발에 착수하여 , 미국 프린스턴 대학교와의 공동연구로 세계 최초의 뇌자도 청각유발신호를 측정하는 등 세계적으로 가장 앞선 기술을 개발해가고 있다. 본 원고에서는 한국표준과학연구원 및 프린스턴 대학교에서 진행되었던 연구들을 중심으로, 생체신호계측에 사용되고 있는 몇 가지 고감도 원자자력계의 기본 원리와 특징 , 그리고 뇌자도, 심자도 등의 응용기술 개발로 나누어 소개한다.
핵자의 자기회전비0)와 외부 자장에 비례한다. 이 상태에서 외부 자기장에 수직하고 Larmor 주파수(%)로 진동하는 자기장(B1)이 원자계에 가해질 경우를 생각해보자. 진동하는 자기장은 각속도 %로 왼쪽으로 회전하는 자장과 오른쪽으로 회전하는 자장으로 나눌 수 있다.

7 (a) Auditory evoked fields measured with a brain atomic magnetometer.(b) Auditory evoked fields measured with a SQUID magnetometer system.
4 (a) Magnetization generated from optical pumping governed by the selection rules, (b) Saturated absorption by the selection rule. (c) When the resonance rf field is applied to the Cs cell, the transition among the magnetic sub-levels happens and the photon-absorbable states are regenerated.

보통 광펌핑에 의해서 얻을 수 있는 분극은 핵의 열 완화 평형상태의 분극 크기의 수백 배 이상이다. 따라서 저자 장의 측정에 있어서는 루비듐, 세슘 등의 알칼리계 금속 원자에 광펌핑을 이용하여 분극을 증폭하여 신호를 측정한다. 주파수 역시 광펌핑의 경우가 핵자기공명 보다 수백 배 크므로 감도 및 정확도가 높다.
X축을 따라 진행하는 선형편광인 측정광은 X 축 방향의 자화 성분의 크기에 비례하여 회전하며, 이 측정광을 16x16의 256채널 광센서 array로 측정하면 rz 평면 싱의 By 자기장의 분포를 측정할 수 있다. 비자성 청진기를 통해 피측정인의 우측 귀에 500 Hz의 단음 자극을 제시하고, 자극제시 시점을 기준으로 250회 평균함으로써 . 뇌자도 청각유발 신호를 측정하는데 성공하였다 (Fig.
5에 보였다. 펌핑광에의해 광축(z축)으로 자화를 형성하고, 측정은 X 축 방향의 자화를 측정광에 의해서 측정한다. 앞 절에서 논의한 바대로, 투과광은 빔 방향의 자화의 크기에 비례하므로, 공명 rf 자기장을 흡수하여 X 축으로 누운 자화가 외부자기장 B 를 축으로 세차 운동하면서 측정광의 투과도를 Larmor 주파수로 변조한다.

펌핑을 하면 약 1/10로 선폭을 줄일 수 있고, 자기장을 nT 급으로 낮추어 SERF 영역으로 가져가면, 1/1000 정도의 선폭을 얻는 것이 가능하다. SERF 영역을 이용하여 프린스턴 대학의 Romalis 그룹은 단채널 감도 7 fT/√ Hz, 미분계 감도 0.5 fT/√压의 실험결과를 얻어, 원자 자력계가 기존의 SQUID 센서와 충분히 경쟁할 수 있음을 보였다(6).
7(a)). 자극 제시 후 100 ms 이후에 뇌측두엽 일차 청각령의 흥분으로부터 나타나는 NlOOrn 피크를 신호대잡음비 10 이상으로 측정할 수 있었다. 비교를 위해 SQUID 기반 뇌자도 장치로 측정한 청각유발 신호를 Fig.

하지만, 아직까지는 지난 수십 년간 집중적으로 개발되어온 SQUID 기술에 비교해서, 실용적 측면에서의 안정성이나 활용성이 떨어져서, 더욱 개발해야 할 여지가 있다. 특히, 원자자력계의 의료 및 생체 자기측정 분야에서의 활용은, 그 효용이 뛰어남에도 불구하고, 고가의 장비 및 냉매 소모로 인해 널리 보급되지 못했던, 생체자기측정 진단 장비의 확산에 기여하여 , 인류의 삶의 질을 한 단계 높일 수 있을 것이라 기대한다.

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