特開 2024-108140 単一の光学的ポンピング磁力計を用いたＭＲＩ及びＭＥＧ検出

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024108140

(43)【公開日】2024-08-09

(54)【発明の名称】単一の光学的ポンピング磁力計を用いたＭＲＩ及びＭＥＧ検出

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/26 20060101AFI20240802BHJP

【ＦＩ】

G01R33/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024008066

(22)【出願日】2024-01-23

(31)【優先権主張番号】63/482,212

(32)【優先日】2023-01-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】18/508,084

(32)【優先日】2023-11-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100138759

【弁理士】

【氏名又は名称】大房 直樹

(72)【発明者】

【氏名】メアリー サリット

(72)【発明者】

【氏名】アルギリオス デリス

(72)【発明者】

【氏名】ケネス サリット

(57)【要約】      （修正有）

【課題】単一の光学的ポンピング磁力計を用いたＭＲＩ及びＭＥＧ検出のためのシステムが提供される。
【解決手段】一例では、システムは、ＲＦ原子磁力計を備えるチップスケールデバイスを備え、ＲＦ原子磁力計は、レーザ光を放射するように構成されたレーザと、光検出器と、レーザと光検出器との間の蒸気セルと、レーザによって放射されたレーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子と、を備える。円偏光レーザビームは、蒸気セル内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、蒸気セル内の原子を探査するように構成され、探査は、局所ＲＦ場を検出することを含む。チップスケールデバイスは、ソースからのＲＦ信号をＲＦ原子磁力計に結合するように構成された磁束変圧器コイル（複数可）と、レーザによって放射されたレーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成されたＤＣコイル（複数可）とを更に備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

システム（１０、５０）であって、
チップスケールデバイス（１１）を備え、前記チップスケールデバイスは、
無線周波数原子磁力計（１２、２００、２５０）を備え、前記無線周波数原子磁力計は、
レーザ光を放射するように構成されたレーザ（２１０、２５４）と、
光検出器（２１６、２６２）と、
前記レーザ（２１０、２５４）と前記光検出器（２１６、２６２）との間のレーザ光の光路内の蒸気セル（２１４、２６０）と、
前記レーザ（２１０、２５４）によって放射された前記レーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子（２１１、２５８）と、を備え、円偏光されたレーザビームは、前記蒸気セル（２１４、２６０）内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、前記蒸気セル（２１４、２６０）内の前記原子を探査するように構成され、探査は局所無線周波数場を検出することを含み、前記チップスケールデバイスは更に、
ソースからの無線周波数信号を前記無線周波数原子磁力計（１２、２００、２５０）に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイル（１６）と、
少なくとも１つのコイルを含む直流（ＤＣ）コイル（１５）のセットと、を備え、前記ＤＣコイルのセット（１５）は、前記レーザ（２１０、２５４）によって放射される前記レーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成されている、システム（１０、５０）。

【請求項2】

前記無線周波数原子磁力計（１２、２００、２５０）及び前記ＤＣコイルのセット（１５）を取り囲む受動磁気シールド（１４）を更に備える、請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項3】

１つ以上のプロセッサ（２０）及び第２の磁力計（２８）を更に備え、前記１つ以上のプロセッサ（２０）は、前記ＤＣコイルのセット（１５）及び前記第２の磁力計（２８）に通信可能に結合され、前記第２の磁力計（２８）は、外部ＤＣ場を検出し、前記外部ＤＣ場の測定値を前記１つ以上のプロセッサ（２０）に提供するように構成され、前記１つ以上のプロセッサ（２０）は、前記検出された外部ＤＣ場を緩和するために、前記ＤＣコイルのセット（１５）に対するＤＣ電気バイアスを調整するように構成されている、請求項１に記載のシステム（５０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２３年１月３０日に出願された、「ＭＲＩ ＡＮＤ ＭＥＧ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＷＩＴＨ Ａ ＳＩＮＧＬＥ ＯＰＴＩＣＡＬＬＹ ＰＵＭＰＥＤ ＭＡＧＮＥＴＯＭＥＴＥＲ」と題する米国仮出願第６３／４８２２１２号の優先権を主張し、その内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

【0002】

（発明の分野）
本出願は、２０１５年１０月２０日に発行され、「ＶＡＰＯＲ ＣＥＬＬ ＡＴＯＭＩＣ ＣＬＯＣＫ ＰＨＹＳＩＣＳ ＰＡＣＫＡＧＥ」と題された米国特許第９，１６４，４９１号、及び２０１８年１月２日に発行され、「ＳＩＮＧＬＥ ＢＥＡＭ ＲＡＤＩＯ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＡＴＯＭＩＣ ＭＡＧＮＥＴＯＭＥＴＥＲ」と題された米国特許第９，８５７，４４１号に関連し、それらの全ての内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

【背景技術】

【0003】

磁気共鳴映像法（Magnetic Resonance Imaging、ＭＲＩ）は、脳損傷のための重要な診断ツールである。しかしながら、臨床研究は、脳に心理的変化を引き起こすのに十分に重篤であるが、ＭＲＩ単独では検出することができない軽度から中等度の外傷性脳傷害症例の半分以上が、脳磁図（MagnetoEncephaloGraphy、ＭＥＧ）の追加によって検出することができることを示している。ＭＲＩとＭＥＧとの組み合わせ（まとめて磁気ソースイメージング（Magnetic Source Imaging、ＭＳＩ）と呼ばれることもある）は、脳の構造及び活動を一緒に理解することを可能にし、脳機能及びこれを改善するために使用することができる介入の新たな理解につながる可能性がある。

【0004】

ＭＲＩの使用は、それが必要とする高価で不動の装置によって現在制限されている。この装置のコスト及びサイズは、従来のＭＲＩで使用される約１Ｔの磁場を生成するのに必要な大型の超伝導磁石のコスト及びサイズによって支配される。そのサイズ及びコストの極低温冷却磁石は、一時的な場所又は移動場所に配備することができない。同様に、極低温冷却は、ＭＥＧに一般的に使用される超伝導量子干渉デバイス（Superconducting Quantum Interference Device、ＳＱＵＩＤ）磁力計のタイプに必要とされる。ＭＥＧは、ＭＲＩよりも更に感度の高い診断ツールであり、より広範な利用可能性は、あらゆる種類の脳損傷を有する患者の転帰を改善し得る。

【発明の概要】

【0005】

いくつかの態様では、システムは、チップスケールデバイスを備える。チップスケールデバイスは、無線周波数原子磁力計を備える。無線周波数原子磁力計は、レーザ光を放射するように構成されたレーザと、光検出器と、レーザと光検出器との間のレーザ光の光路内の蒸気セルと、レーザによって放射されたレーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子と、を備える。円偏光レーザビームは、蒸気セル内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、蒸気セル内の原子を探査するように構成され、探査は、局所無線周波数場を検出することを含む。チップスケールデバイスは、ソースからの無線周波数信号を無線周波数原子磁力計に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイルを更に備える。チップスケールデバイスは、少なくとも１つのコイルを含む直流（ＤＣ）コイルのセットを更に備え、ＤＣコイルのセットは、レーザによって放射されるレーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成される。

【0006】

いくつかの態様では、システムは、無線周波数原子磁力計及びＤＣコイルのセットを取り囲む受動磁気シールドを更に備える。

【0007】

他の態様では、システムは、１つ以上の制御部と、第２の磁力計と、を更に備える。１つ以上の制御部は、ＤＣコイルのセット及び第２の磁力計に通信可能に結合される。第２の磁力計は、外部ＤＣ場を検出し、外部ＤＣ場の測定値を１つ以上の制御部に提供するように構成される。１つ以上の制御部は、検出された外部ＤＣ場を緩和するために、ＤＣコイルのセットに対するＤＣ電気バイアスを調整するように構成される。

【0008】

いくつかの態様では、システムは、上述し、アレイ状に配置された複数のチップスケールデバイスを備える。

【0009】

いくつかの態様では、システムは、アレイ状に配置された複数のチップスケールデバイスを備える。複数のチップスケールデバイスの各チップスケールデバイスは、レーザ光を放射するように構成されたレーザと、光検出器と、レーザと光検出器との間のレーザ光の光路内の蒸気セルと、レーザによって放射されたレーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子と、を備える無線周波数原子磁力計を備える。円偏光レーザビームは、蒸気セル内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、蒸気セル内の原子を探査するように構成され、探査は、局所無線周波数場を検出することを含む。複数のチップスケールデバイスの各チップスケールデバイスは、ソースからの無線周波数信号を無線周波数原子磁力計に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイルを更に備える。複数のチップスケールデバイスの各チップスケールデバイスは、少なくとも１つのコイルを含む直流（ＤＣ）コイルのセットを更に備え、ＤＣコイルのセットは、レーザによって放射されるレーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成される。

【0010】

いくつかの態様では、システムは、チップスケールデバイスを備える。チップスケールデバイスは、レーザ光を放射するように構成されたレーザと、光検出器と、レーザと光検出器との間のレーザ光の光路内の蒸気セルと、レーザによって放射されたレーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子と、を備える無線周波数原子磁力計を備える。円偏光レーザビームは、蒸気セル内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、蒸気セル内の原子を探査するように構成され、探査は、局所無線周波数場を検出することを含む。チップスケールデバイスは、ソースからの無線周波数信号を無線周波数原子磁力計に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイルを更に備える。チップスケールデバイスは、少なくとも１つのコイルを含む直流（ＤＣ）コイルのセットを更に備える。ＤＣコイルのセットは、レーザによって放射されるレーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成される。システムは、外部ＤＣ場を検出するように構成された第２の磁力計を更に備える。システムは、チップスケールデバイス及び第２の磁力計に通信可能に結合された１つ以上のプロセッサを更に備える。システムは、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）動作モード及び脳磁図（ＭＥＧ）動作モードで動作するように構成される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

説明及び以下の図面を考慮して検討されると、本発明の実施形態はより容易に理解することができ、更なる利点及びその使用がより容易に明らかとなり得る。

【図1】ＭＲＩ測定を実行するための例示的なシステムの図である。

【図2A】例示的なＲＦ原子磁力計の図である。

【図2B】例示的なＲＦ原子磁力計の図である。

【図3】ＭＲＩ及び／又はＭＥＧ測定を実行するための例示的なシステムの図である。

【図4A】ＭＲＩ動作のためのラーモア歳差運動の図である。

【図4B】ＭＥＧ動作のためのラーモア歳差運動の図である。

【図5A】チップスケールデバイスのアレイのブロック図である。

【図5B】ＭＲＩ及び／又はＭＥＧ測定を実行するためのチップスケールデバイスの例示的なアレイの図である。

【0012】

慣例に従って、記載された様々な特徴は一定の縮尺で描かれているのではなく、本発明に関連する特徴を強調するように描かれている。参照文字は、図及び本文を通して同様の要素を示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照し、図面には、本発明が実施され得る特定の例示的な実施形態の例として示される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするために十分に詳細に説明されており、他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、論理的、機械的、及び電気的変化がなされ得ることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではない。

【0014】

上述したように、ＭＲＩ及びＭＥＧ技術はそれぞれ、極低温冷却を必要とする大型で高価な超伝導システムを使用する。これらの技術は、典型的には、組み合わせることが困難であり、一般に、非院内／科学環境又は投資が不足している地域ではアクセス不可能である。十分な分解能を有するミリテスラ（ｍＴ）の磁場強度で生成され感知されるＭＲＩ信号は、ＭＲＩとＭＥＧの組み合わせの可能性とは別の追加の用途を有する。

【0015】

低磁場核磁気共鳴（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance、ＬＦ－ＮＭＲ）及び０磁場核四重極共鳴（Nuclear Quadrupole Resonance、ＮＱＲ）は、ＭＲＩなどの撮像用途に、又は化学組成及び材料特性を決定するための分光法に使用することができる。典型的には、低磁場及び０磁場測定は、従来の高磁場ＮＭＲ及びＭＲＩにおいて達成可能であるよりも低い信号対雑音レベルを有するが、これらの測定は、異なる爆発物、並びに潜在的にいくつかの核及び生物学的物質の分光学的指紋等のセキュリティ用途を有するいくつかを含む、異なる特性を検出するために使用されることができる。ＭＲＩの信号対雑音比は、磁場強度の減少とともに低下するため、低磁場ＭＲＩは高感度検出器の恩恵を受ける。低Ｔ_ｃ超伝導量子干渉デバイス（Superconducting Quantum Interference Device、ＳＱＵＩＤ）を使用する超低磁場ＭＲＩシステムは、ヒトの脳の撮像に成功しているが、依然として極低温冷却を必要とし、医療分野に対するそれらの実用的価値を制限している。

【0016】

多くの低磁場技術は、従来の高磁場ＮＭＲ及びＭＲＩにおけるような大きな超伝導磁石の必要性を排除し、これは、低磁場ＮＭＲ及びＮＱＲシステムが潜在的により携帯可能であり、小型化可能であり、より低電力であることを可能にする。ＭＲＩシステムが小型化されれば、外傷性脳損傷が現場で検出されることを可能にし、早期診断及び治療を可能にすることによって臨床転帰を改善する。ｍＴの磁場強度では、従来の無線周波数送受信アンテナを用いて撮像を行うことができる。しかしながら、これらのシステムの信号対雑音比は、低電界では、対応する信号周波数がキロヘルツ領域にあるという事実によって制限され、長波長は、小型アンテナが理想的な性能を有さないことを意味し、ジョンソン雑音が大きい。

【0017】

少なくとも上述の理由により、当該技術分野において、ＭＲＩ及びＭＥＧ技術のためのより手頃で携帯可能な解決策が必要とされている。

【0018】

本明細書に記載のシステムは、ＭＲＩ及び／又はＭＥＧ測定を実行するように構成されたチップスケールデバイスを提供する。チップスケールデバイスは、ＲＦ原子磁力計と、試料からのＲＦ信号をＲＦ原子磁力計に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイルと、ＤＣ磁場を生成するように構成されたＤＣコイルのセットとを含む。いくつかの例では、チップスケールデバイスは、受動磁気シールドを更に備え、ＭＲＩ測定のみを実行するように構成される。他の例では、チップスケールデバイスは、ＤＣコイルのセットを利用して、望ましくない磁場を能動的に緩和し、ＭＲＩ測定を実行するためにＲＦ原子磁力計に印加されるＤＣ磁場を調整する。いくつかのそのような例では、チップスケールデバイスは、ＤＣコイルのセットを非アクティブ化し、スピン交換緩和フリー（Spin Exchange Relaxation-Free、ＳＥＲＦ）磁力計として動作してＭＥＧ測定を実行するように構成される。複数のチップスケールデバイスを一緒にグループ化して、より大きな試料サイズのためのＭＲＩ及びＭＥＧ測定を生成するために使用することができるアレイを形成することができる。

【0019】

図１は、ＭＲＩ測定を実行するための例示的なシステム１０のブロック図である。図１に示される例では、システム１０は、メモリ２２に結合された少なくとも１つのプロセッサ２０を含む少なくとも１つのコンピューティングデバイス１８に通信可能に結合されたチップスケールデバイス１１を含む。

【0020】

図１に示される例では、チップスケールデバイス１１は、ＲＦ原子磁力計１２、受動磁気シールド１４、ＤＣコイルのセット１５、及び１つ以上の磁束変圧器コイル１６を含む。図１に示される例では、ＤＣコイル１５のセットは、ＲＦ原子磁力計１２を取り囲み、受動磁気シールドは、ＲＦ原子磁力計１２及びＤＣコイル１５のセットの両方を取り囲む。いくつかの例では、システム１０は、チップスケールデバイス１１の１つ以上の構成要素（例えば、ＤＣコイル１５のセット、ＲＦ原子磁力計１２、及び／又は１つ以上の磁束変圧器コイル１６）に通信可能に結合された１つ以上の制御部２６を更に備える。いくつかのそのような例では、１つ以上の制御部２６は、コンピューティングデバイス１８に含まれ得る。

【0021】

ＲＦ原子磁力計１２は、様々な設計を使用して実装することができる。いくつかの例では、ＲＦ原子磁力計１２は、単一のレーザビームを利用して、蒸気セル内の原子を光学的にポンピングするとともに探査する単一ビームＲＦ原子磁力計である。図２Ａ～図２Ｂは、チップスケールデバイス１１においてＲＦ原子磁力計１２として使用するのに適した例示的なＲＦ原子磁力計２００、２５０を示す。

【0022】

図２Ａは、チップスケールデバイス１１内のＲＦ原子磁力計１２として使用するのに適した第１の例示的なＲＦ原子磁力計２００の断面図である。ＲＦ原子磁力計２００は、ＲＦ原子磁力計２００の構成要素を収容するための空洞２０３を画定するセラミック本体２０２を含む。空洞２０３内の構成要素を含むセラミック本体２０２は、セラミックリードレスチップキャリア（Ceramic Leadless Chip Carrier、ＣＬＣＣ）パッケージを含むことができる。ＲＦ原子磁力計２００はまた、空洞２０３及びその中の構成要素を収容する閉じたパッケージを形成するために、セラミック本体２０２の空洞２０３の上に嵌合するように構成された非磁性（例えば、セラミック）蓋２０４を含むことができる。いくつかの例では、セラミック蓋２０４は、概して平面形状を有する。図２Ａに示される例では、蓋２０４を本体２０２に封止するためにはんだシール２０６が使用される。一例では、（例えば、蓋２０４を本体２０２に封止するための）ＲＦ原子磁力計２００のダイ取り付け及び封止動作は、封止されたパッケージ内の低圧を可能にするために磁束を使用せずに達成され、これは、パッケージの熱伝導率を最小化し、したがって、一定の高温を維持するために必要な加熱器電力の量を低減することによって、より低い電力動作を可能にすることができる。いくつかの例では、蓋２０４は、真空中で本体２０２に封止することができる。この設計は、本体２０２に対する蓋２０４のバッチ真空封止を可能にすることができる。ＲＦ原子磁力計２００はまた、セラミック蓋２０４の内面の大部分を被覆するゲッター膜を含むことができる。

【0023】

いくつかの例では、セラミック本体２０２は、本体２０２が空洞２０３を画定するように、一方の側（例えば、上部）が開いている。蓋２０４は、空洞２０３を囲むように本体２０２の開放側を覆うように構成される。いくつかの例では、空洞２０３は、開口側（例えば、上部）から見たときに、概して五角形の断面形状を有する。他の例では、空洞２０３は、開口側（例えば、上部）から見たときに概して円形の断面を有する。いずれの場合も、空洞２０３は、ベース面２０５と、１つ以上の内側面２０７と、を含むことができる。図２Ａに示される例では、１つ以上の側面２０７は、例えば、本体２０２の空洞内の構造を支持するために、その中に画定された１つ以上の段２０９を有する。

【0024】

図２Ａに示される例では、ＲＦ原子磁力計２００は、レーザ２１０、円偏光子２１１、蒸気セル２１４、及び光検出器２１６などの構成要素を支持するための１つ以上の足場２０８、２１２、２２０を含む。いくつかの例では、足場２０８、２１２、２２０は、フレームの間に懸架された膜を含むことができる。足場２０８、２１２、２２０はまた、膜に追加の構造を提供するために膜に取り付けられた補剛部材を含むことができる。ＲＦ原子磁力計２００に使用することができるサイズで足場２０８、２１２、２２０を製造するために、足場２０８、２１２、２２０は、半導体製造プロセスを使用して製造することができる。したがって、フレーム及び補剛部材はシリコンから構成することができ、膜はポリイミドから構成することができる。ポリイミドは、足場２０８、２１２、２２０上の補剛部材及び構成要素をフレーム及び本体２０２から熱的に分離することができる。

【0025】

図２Ａに示される例では、ＲＦ原子磁力計２００は、空洞２０３内に取り付けられた下部足場２０８、上部足場２１２、及び中間足場２２０を含む。いくつかの例では、下部足場２０８、上部足場２１２、及び中間足場２２０は、互いに平行に、かつ空洞２０３のベース面２０５に平行に配置することができる。いくつかのそのような例では、下部足場２０８は、フラックスレスダイアタッチ（例えば、複数の金（Ａｕ）スタッドバンプ）を介して空洞２０３のベース面２０５に取り付けられる。下部足場２０８は、レーザ２１０、及びいくつかの例では加熱器（図示せず）のための支持構造として機能するように構成される。下部足場２０８及びその上の構成要素（例えば、レーザ２１０）は、セラミック本体２０２の空洞２０３の内側面２０７の下側段２０９上のパッドへのワイヤボンドを介して、本体２０２上のピンに電気的に結合され得る。いくつかの例において、レーザ２１０は、垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、ＶＣＳＥＬ）であってもよい。

【0026】

図２Ａに示される例では、下部足場２０８は、ベース面２０５に対向する第１の側２１３と、第１の側２１３の反対側であり、蓋２０４、中間足場２２０、及び上部足場２１２に面する第２の側２１５と、を含む。図２Ａに示される例では、フレーム２１９及び補剛部材２２３は、第１の側２１３にある。いくつかの例では、補剛部材２２３は、その質量を低減するために複数の開口を画定することができる。図２Ａに示される例では、レーザ２１０は、第２の側２１５に取り付けられる。いくつかの例では、レーザ２１０は、例えばフリップチップ実装を使用して第２の側２１５にはんだ接合することができる。

【0027】

上述したように、下部足場２０８は、フレーム２１９及びそれに取り付けられた補剛部材２２３を有する膜を含むことができる。フレーム２１９及び補剛部材２２３は、フレーム２１９と補剛部材２２３との間に延在する膜の複数のテザー（図示せず）を用いて膜上で互いに分離することができる。フレーム２１９を本体２０２に取り付けるために、複数のスタッドバンプ（図示せず）をフレーム２１９上に設けることができる。構成要素（例えば、レーザ２１０）は、補剛部材２２３の領域内の膜上に搭載することができる。補剛部材上の構成要素をスタッドバンプに電気的に結合するために、トレースがテザーを横切って延びることができる。

【0028】

図２Ａに示される例では、上部足場２１２及び中間足場２２０は、１つ以上のスペーサ２１８（例えば、脚構造、ワッシャ）の両側に搭載される。上部足場２１２は、光検出器２１６のための支持構造として機能するように構成され、中間足場２２０は、円偏光子２１１のための支持構造として機能するように構成される。加えて、上部足場２１２及び中間足場２２０は、アルカリ蒸気セル２１４のための支持構造として機能するように構成される。特に、蒸気セル２１４は、上部足場２１２と中間足場２２０との間に支持され得る。したがって、図２Ａに示される例では、蒸気セル２１４は、一方の端部で上部足場２１２に取り付けられ、反対側の端部で中間足場２２０に取り付けられる。更に、蒸気セル２１４は、スペーサ２１８の開口部内に配置することができる。したがって、上部足場２１２、中間足場２２０、及びスペーサ２１８は、蒸気セル２１４のための支持構造を形成する。いくつかの例では、蒸気セル２１４の上面のための加熱器（図示せず）を上部足場２１２に搭載することができ、及び／又は蒸気セル２１４の下面のための加熱器（図示せず）を中間足場２２０に搭載することができる。別の例では、蒸気セル２１４の１つ以上の表面上に１つ以上の加熱器を製造することができる。一例では、スペーサ２１８は、その中に開口を画定するリング形状（例えば、五角形リング形状）を有することができる。スペーサ２１８は、蒸気セル２１４がスペーサ２１８内に画定された開口部内にあるように、蒸気セル２１４の周りに配置することができる。

【0029】

一例では、スペーサ２１８はまた、上部足場２１２及び中間足場２２０を上段２０９に結合する継手（複数可）上の疲労を低減するように機能することができる。スペーサ２１８は、本体２０２の熱膨張係数と上部足場２１２及び中間足場２２０の熱膨張係数との間にある熱膨張係数を有する材料から構成されることによって、疲労を低減することができる。したがって、本体２０２、上部足場２１２、及び中間足場２２０が温度変化に起因して膨張及び収縮するとき、スペーサ２１８は変化の一部を吸収することができる。例えば、本体２０２は、７ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有するセラミックから構成することができ、スペーサ２１８は、５ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有することができ、上部足場２１２及び中間足場２２０は、３ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有することができる。別の例では、スペーサ２１８は、本体２０２及び蓋２０４と同じ材料で形成することができる。スペーサ２１８は、上部足場２１２及び中間足場２２０のための機械的支持及び電気接触を提供することができる。いくつかの例では、スペーサ２１８は、表面実装技術（Surface Mount Technology、ＳＭＴ）電子機器などの追加の電子構成要素のための機械的支持及び電気的接触も提供することができる。

【0030】

図２Ａに示される例では、上部足場２１２及び中間足場２２０が取り付けられたスペーサ２１８は、本体２０２内の段２０９に取り付けられている。特に、スペーサ２１８は上段２０９に取り付けられている。空洞２０３の側面２０７内の段２０９は、少なくとも部分的に、上部足場２１２及び中間足場２２０を下部足場２０８から離間させるために使用されることができる。スペーサ２１８は、空洞２０３の上段２０９から上に延在して、上部足場２１２を下部足場２０８及び中間足場２２０から更に離間させ、中間足場２２０と上部足場２１２との間に蒸気セル２１４のための空間を提供する。いくつかの例では、スペーサ２１８は、セラミックから構成され得る。

【0031】

上部足場２１２とスペーサ２１８との組み合わせは、スペーサ２１８の頂部上で本体２０２の空洞２０３を横断することができる。同様に、中間足場２２０及びスペーサ２１８は、スペーサ２１８の底部上で本体２０２の空洞２０３を横断することができる。一例では、上部足場２１２及び中間足場２２０は、フラックスレスダイアタッチを介してスペーサ２１８に取り付けられ得る。スペーサ２１８は、フラックスレスダイアタッチを介して本体２０２の上段２０９に取り付けることができる。一例では、フラックスレスダイアタッチは、複数の金（Ａｕ）スタッドバンプであり得る。

【0032】

図２Ａに示される例では、上部足場２１２は、蓋２０４に対向する第１の側２２１と、第１の側２２１の反対側であり、中間足場２２０及び下部足場２０８に面する第２の側２２４と、を含む。図２Ａに示される例では、フレーム２２５及び補剛部材２２７は、第１の側２２１にある。いくつかの例では、補剛部材２２７は、その質量を低減するために複数の開口を画定することができる。図２Ａに示される例では、光検出器２１６及び蒸気セル２１４は、第２の側２２４に取り付けられ、蒸気セル２１４は、光検出器２１６の上に配置され、レーザ２１０からのレーザビーム２１７が円偏光子２１１を通り、次いで蒸気セル２１４を通って伝搬し、光検出器２１６によって検出され得るように、レーザ２１０及び円偏光子２１１と位置合わせされる。いくつかの例では、光検出器２１６は、例えばフリップチップ実装を使用して第２の側２２４にはんだ接合することができる。図２Ａに示される例では、複数のはんだボール２２６が第２の側２２４に取り付けられ、光検出器２１６の周りに配置される。複数のはんだボール２２６は、蒸気セル２１４が複数のはんだボール２２６にはんだ付けされ、光検出器２１６の上に配置され得るように、光検出器２１６よりも高い第２の側２２４の上の高さに突出する。いくつかの例では、蒸気セル２１４は、光検出器２１６から少なくとも２００マイクロメートル離れて配置され得る。この間隙は、蒸気セル２１４と光検出器２１６との間から磁束を洗い流すことを可能にすることができる。一例では、複数のはんだボール２２６は、所望のサイズのはんだボールを生成するように調整された噴射プロセスを使用して形成することができる。一例では、はんだボール２２６は、足場２１２上に形成されると、ＲＦ原子磁力計２００の更なる製造中にはんだボール２２６がその構造を概ね維持するように、高温融点を有するはんだから形成することができる。いくつかの例では、蒸気セル２１４は、ルビジウム原子をするアルカリ蒸気セルであり得る。

【0033】

図２Ａに示される例では、上部足場２１２は、下部足場２０８及び中間足場２２０に対して反転位置にある。すなわち、下部足場２０８及び中間足場２２０上のフレーム２１９は、上部足場２１２のフレーム２２５から反対方向に突出する。更に、蒸気セル２１４は、上部足場２１２及び中間足場２２０のポリイミド層の間に配置することができる。

【0034】

図２Ａに示される例では、上部足場２１２は、フレーム２２５及びそれに取り付けられた補剛部材２２７を有する膜を含む。フレーム２２５及び補剛部材２２７は、フレーム２２５と補剛部材２２７との間に延在する膜の複数のテザー（図示せず）を用いて膜上で互いに分離することができる。フレーム２２５を本体２０２に取り付けるために、複数のスタッドバンプ（図示せず）をフレーム２２５上に設けることができる。構成要素（例えば、蒸気セル２１４）は、補剛部材２２７の領域内の膜に搭載することができる。補剛部材上の構成要素をスタッドバンプに電気的に結合するために、トレースがテザーを横切って延びることができる。

【0035】

図２Ａに示される例では、中間足場２２０は、蓋２０４に面し、上部足場２１２に対向する第１の側２２８と、基部表面２０５に面し、下部足場２０８に対向する第２の側２３０とを含む。図２Ａに示される例では、中間足場２２０は、足場２２０の第１の側２２８上のスペーサ２１８に搭載されることができる。

【0036】

図２Ａに示される例では、フレーム２２９及び補剛部材２３１は、第２の側２３０にある。いくつかの例では、補剛部材２３１は、その質量を低減するために複数の開口を画定することができる。蒸気セル２１４は、中間足場２２０の第１の側２２８に搭載され、円偏光子２１１は、中間足場２２０の第２の側面２３０に搭載される。図２Ａに示される例では、複数の傾斜特徴２３２が、中間足場２２０の第２の側２３０内に加工され、円偏光子２１１は、これらの傾斜特徴２３２に搭載され、これは、中間足場２２０に対してある角度で円偏光子２１１を配向するように構成されることができる。例えば、第１の特徴部は、第２の特徴部よりも低い高さを有することができ、円偏光子２１１の第１の縁部を第１の特徴部に取り付けることができ、円偏光子２１１の第２の縁部を第２の特徴部に取り付けることができる。ある角度で円偏光子２１１を配向することは、円偏光子２１１からのレーザ反射をレーザ２１０から離れるように方向付け、レーザビーム２１７を円偏光することができる。いくつかの例では、円偏光子２１１は、四分の一波長板及び直線偏光子を含む。

【0037】

図２Ａに示される例では、中間足場２２０は、フレーム２２９及びそれに取り付けられた補剛部材２３１を有する膜を含む。いくつかの例では、フレーム２２９及び補剛部材２３１は、フレーム２２９と補剛部材２３１との間に延在する膜の複数のテザー（図示せず）を用いて膜上で互いに分離することができる。いくつかの例では、フレーム２２９を本体２０２に取り付けるために、複数のスタッドバンプ（図示せず）をフレーム２２９上に設けることができる。構成要素（例えば、蒸気セル２１４）は、補剛部材２３１の領域内の膜に搭載することができる。加えて、他の構成要素（例えば、円偏光子２１１）を補剛部材２３１に搭載することができる。

【0038】

いくつかの例では、１つ以上のコイル２３４は、１つ以上のコイル２３４が蒸気セル２１４の周りに延在するように、スペーサ２１８の周り（例えば、内部）に配置される。他の例では、１つ以上のコイル２３４は、スペーサ２１８に（例えば、内部に）一体化することができる。１つ以上のコイル２３４は、以下で更に説明する１つ以上の磁束変圧器コイル１６に結合される。

【0039】

図２Ａに示される例では、第２の光検出器２３６は、レーザ２１０に隣接して下部足場２０８の第２の側２１５に搭載され、円偏光子２１１からのレーザ２１０の反射を検出するように構成される。第２の光検出器２３６は、レーザ２１０の光パワー出力を制御するために使用することができる。特に、円偏光子２１１から反射された光の強度に基づいて、レーザ２１０のパワー出力を決定し、それに応じて制御することができる。

【0040】

ＲＦ原子磁力計２００は、本体２０２の底部に入力／出力（Ｉ／Ｏ）はんだパッド２２２を含むことができる。したがって、ＲＦ原子磁力計２００の底部を回路基板に取り付けることができる。いくつかの例では、Ｉ／Ｏはんだパッドと内部構成要素（例えば、レーザ２１０、円偏光子２１１、光検出器２１６、蒸気セル２１４、及びコイル２３４）との間の相互接続は、本体２０２を通してルーティングされ得る。いくつかの例では、上部足場２１２（例えば、光検出器２１６）及び中間足場２２０（例えば、加熱器）上の構成要素のための相互接続は、スペーサ２１８を通してルーティングされることができる。したがって、スペーサ２１８は、その内側又は外側部分上に電気トレースを含むことができる。

【0041】

図２Ｂは、チップスケールデバイス１１内のＲＦ原子磁力計１２として使用するのに適した別の例示的なＲＦ原子磁力計２５０の断面図を示す。図２Ｂに示すＲＦ原子磁力計２５０は、レーザ２５４を含む真空パッケージ２５２と、円偏光子２５８（例えば、１／４波長板及び直線偏光子）と、蒸気セル２６０と、光検出器２６２とを含む。いくつかの例では、レーザ２５４は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。

【0042】

蒸気セル２６０は、レーザ２５４によって放射されたレーザビーム２５６の光路において、レーザ２５４と光検出器２６２との間に配置される。いくつかの例では、蒸気セル２６０は、アルカリ原子（例えば、ルビジウム原子又はカリウム原子）を含有するアルカリ蒸気セルである。いくつかの例では、蒸気セル２６０はまた、当業者に知られているような「バッファ」及び「クエンチ」ガスとして作用する他のガスを含む。これらは典型的には、ヘリウム又はアルゴンなどの希ガス、及び窒素などの二原子分子を含む（特に「クエンチガス」の役割において）。円偏光器２５８は、レーザビーム２５６を円偏光する。

【0043】

図２Ｂに示される例では、真空パッケージ２５２はまた、以下で更に説明する１つ以上の磁束変圧器コイル１６に結合された１つ以上のコイル２６４を含む。いくつかの例では、１つ以上のコイル２６４は、磁気コイルが蒸気セル２６０の周りに延在するように配置される。一例では、１つ以上のコイル２６４は、蒸気セル２６０に隣接して結合されたスペーサに（例えば、内部に）一体化され得る。

【0044】

図１に戻って参照すると、システム１０のチップスケールデバイス１１は、数百キロヘルツまでの周波数でアルカリ原子中の電子のラーモア歳差運動を直接感知するように構成される。ＭＲＩ信号である検出されるべきＲＦ信号は、脳内の水素原子（又は他の試料原子）内の陽子のラーモア歳差運動又は他のソースによって生成される。

【0045】

ＲＦ原子磁力計１２の蒸気セル２１４、２６０を取り囲む１つ以上のコイル２３４、２６４は、１つ以上の磁束変圧器コイル１６に結合される。１つ以上の磁束変圧器コイル１６は、１つ以上のコイル２３４、２６４を使用して、磁場のＲＦ部分を試料からＲＦ原子磁力計１２の蒸気セル２１４、２６０に中継するように構成される。いくつかの例では、１つ以上の磁束変圧器コイル１６は、単一のコイルを含む。他の例では、磁束変圧器コイル１６のうちの１つ又は複数は、ＲＦ原子磁力計に結合された複数の小径磁束変圧器を含み、これは、同じ体積をカバーする単一コイルよりも良好な信号強度を生成することができる。各コイルの半径が小さいほど、磁界とコイル電流との間により好ましい関係が得られる。小さいコイルはまた、ジョンソンノイズが少なく（総抵抗が小さいため）、試料までの距離が短い（試料の直径よりも大きい直径を有するコイルは、試料からの距離がコイルサイズによって決定され、位置によっては決定されないコイル巻数を有する）。いくつかの例では、１つ以上の磁束変圧器コイル１６は、約１．５ｃｍの直径を有する。しかしながら、１つ以上の磁束変圧器コイル１６は、システム１０の所望の性能に応じて異なる直径を有することができることを理解されたい。

【0046】

試料からの陽子ラーモア歳差運動周波数を、ＲＦ原子磁力計１２の蒸気セル２１４、２６０内の電子ラーモア歳差運動周波数に一致させるためには、陽子及び電子が異なる磁気回転比を有することから、蒸気セル２１４、２６０内のアルカリ原子は、試料原子が受ける磁場強度とは異なる磁場強度を受ける必要がある。蒸気セル２１４、２６０の原子は、それらの共振周波数におけるＲＦ場のみに敏感であり、その共振周波数は、ＤＣ場コイル１５によって誘導されるＤＣ磁場の強度に応じて調整可能である。

【0047】

図１に示される例では、ＲＦ原子磁力計１２は、ＲＦ原子磁力計１２及びＤＣコイル１５のセットを取り囲む受動磁気シールド１４によって、ＭＲＩのために試料に印加されるＤＣ場から遮蔽される。蒸気セル２１４、２６０内の原子が適切な磁場強度を受けるように、蒸気セル２１４、２６０内の原子の共振周波数を調整するために、ＲＦ原子磁力計１２を取り囲む（例えば、本体２０２又は真空パッケージ２５２の外側にある）ＤＣ場コイル１５のセットは、電気ＤＣバイアスが印加されたときに、レーザビーム２１７、２５６の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を提供するように構成される。ＤＣ磁界の強度は、ＤＣ場コイル１５に印加される電気ＤＣバイアスを調整することによって変更することができる。いくつかの例では、１つ以上の制御部２６及び／又は少なくとも１つのプロセッサ２０は、蒸気セル２１４、２６０内の原子を適切に調整するために、ＤＣ場コイルに印加される電気ＤＣバイアスを調整するように構成される。

【0048】

本明細書で説明する例では、レーザビーム２１７、２５６は、ポンプビーム及びプローブビームの両方として働くように構成され、したがって、ＲＦ原子磁力計２５０内のレーザビーム２１７、２５６は、蒸気セル２１４、２６０内の原子を光学的にポンピング及びプローブするように構成された単一のビームである。光学的ポンピングの結果として、蒸気セル２１４、２６０の原子は、配向された磁気状態にある。

【0049】

動作中、ＲＦ原子磁力計１２のレーザ２１０、２５４は、固定周波数に保持され、蒸気セル２１４、２６０の原子に対する試料のＲＦ場の影響によって誘起された検出器信号の変調が検出される。１つ以上の磁束変圧器コイル１６及び１つ以上のコイル２３４、２６４を使用して蒸気セル２１４、２６０の原子に結合されるＲＦ場は、原子のゼーマン副準位間の遷移を駆動する効果を有する。

【0050】

ＤＣ場の方向が「Ｚ方向」として定義され、ＲＦ磁場が２つの軸の間の角度を二等分するＹ－Ｚ平面内にある場合、ＲＦのＺ成分は、ＤＣ場Ｂ_０を変調し、「Ｐｉ」偏光によって結合された任意の遷移がその周波数で共振する場合、いわゆる「Ｐｉ」遷移を引き起こす。しかしながら、一般的には、ゼーマン副準位間でそのような遷移は許されず、この成分の影響は無視することができる。対照的に、ＲＦ磁場のＹ成分は、左円偏光場及び右円偏光場の重ね合わせであり、減衰又はポンピングがない場合に、隣接する準位間のラビ振動を駆動するように、ゼーマン副準位を互いに結合する傾向がある。このラビ振動プロセスの間、磁気モーメントは、ｙ軸、ｘ軸、次いで負のｚ軸を中心に回転する傾向があり、一方、ｚ軸を中心に螺旋を描く（ラーモア歳差運動）。しかしながら、光場の光学的ポンピング効果は、この傾向を打ち消す。その結果、ラーモア歳差運動は継続するが、ラビ振動及び光学的ポンピングのプロセルは定常状態に達する挙動が生じる。ＭＲＩ動作のためのラーモア歳差運動の例示的な図が図４Ａに提供される。

【0051】

ＲＦ原子磁力計１２の蒸気セル２１４、２６０内の電子のラーモア歳差運動は、自発的ではなく試料のＲＦ場によって駆動され、全ての原子に対して共通の位相を有する。このため、光場の振幅に変調を加える。蒸気セル２１４、２６０内の原子によるレーザ光の吸収は、円偏光に対する選択規則による磁気モーメントベクトルの向きの関数である。ＲＦ場が存在しない場合、蒸気セル２１４、２６０内の各原子は依然として個別にラーモア歳差運動を行うが、これらの歳差運動プロセスの位相はランダムであるため、正味の光信号は存在しない。試料のＲＦ場は、それが蒸気セル２１４、２６０内の原子に課す位相に基づいて、光検出器２１６、２６２を使用して感知される。

【0052】

光検出器２１６、２６２は、更なる処理のために、検出された信号をコンピューティングデバイス１８に出力するように構成される。いくつかの例では、メモリ２２は、少なくとも１つのプロセッサ２０によって実行されると、少なくとも１つのプロセッサ２０にチップスケールデバイス１１からの信号を分析させる１つ以上の命令を含む。いくつかの例では、少なくとも１つのプロセッサ２０は、チップスケールデバイス１１からの信号を処理し、ＭＲＩ測定値を出力するように構成される。

【0053】

いくつかの例では、システム１０は、コンピューティングデバイス１８に通信可能に結合されたディスプレイ２４を更に任意選択で含み、ＭＲＩ測定値又はＭＲＩ測定値から生成された画像を表示するように構成することができる。ディスプレイは、陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイ、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、パッシブマトリクスＬＣＤ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、又はプラズマディスプレイであり得る。それはまた、陽性又は陰性の結果を示すために、ＬＥＤ光信号又は白熱電球などの単純なインジケータであってもよい。

【0054】

図３は、ＭＲＩ及び／又はＭＥＧ測定を実行するための例示的なシステム５０を示す。システム５０の構成要素は、システム１０について上述したものと同様であり、システム１０、５０の対応する構成要素には同じ参照番号が使用されている。

【0055】

図３に示される例では、チップスケールデバイス１１は、ＲＦ原子磁力計１２と、ＲＦ磁力計１２を取り囲むＤＣコイル１５のセットと、１つ以上の磁束変圧器コイル１６とを含む。しかしながら、図１に関して上述したシステム１０とは異なり、システム５０のチップスケールデバイス１１は、受動磁気シールド１４を含まない。これは、受動磁気シールドが、以下で説明するシステム５０のＭＥＧ動作を妨げるからである。

【0056】

図３に示される例では、システム５０は、ＭＲＩのために試料に印加された外部ＤＣ場を決定するように構成された磁力計２８を含む。いくつかの例では、磁力計２８は、１つ以上の制御部２６及び／又はコンピューティングデバイス１８に通信可能に結合され、外部ＤＣ場の測定値を１つ以上の制御部２６及び／又はコンピューティングデバイス１８に提供するように構成される。いくつかの例では、１つ以上の制御部２６及び／又は少なくとも１つのプロセッサ２０は、ＤＣ場コイル１５に印加される電気的ＤＣバイアスを調整して、外部ＤＣ場を緩和するとともに、蒸気セル２１４、２６０内の原子を適切に調整するように構成される。

【0057】

図３に示されるシステム５０のＭＲＩ動作のために、ＲＦ原子磁力計１２は、ＲＦ原子磁力計１２を取り囲むＤＣ場コイル１５のセットによって、ＭＲＩのために試料に印加されるＤＣ場に対して遮蔽される。特に、ＤＣ場コイル１５のセットは、ＭＲＩのために試料に印加される外部ＤＣ場を緩和するように構成される。システム５０の構成要素の機能は、その他の点では、ＭＲＩ測定を実行するためのシステム１０について上述したものと同じである。

【0058】

ＭＥＧ測定を実行するために、システム５０のＲＦ原子磁力計１２は、ＳＥＲＦ磁力計として動作するように再構成される。ＳＥＲＦ磁力計としての動作のために、約２００ｎＴより強い磁場の存在下では信号が生成されないため、感知体積は一般に外部場から遮蔽される。したがって、ＭＥＧ信号の適切な測定のために、システム５０は、遮蔽された部屋でシステムを動作させることによって生成することができる近０場環境で動作する必要がある。

【0059】

更に、試料上の磁場を低減し、システム５０の構成要素を使用してＭＥＧ信号の検出を可能にするために、ＲＦ原子磁力計１２内のＤＣ場コイル１５、１つ以上の磁束変圧器コイル１６、及び１つ以上のコイル２３４、２６４は無効にされる。いくつかの例では、１つ以上の制御部２６又は少なくとも１つのプロセッサ２０は、ＲＦ原子磁力計１２内のＤＣ場コイル１５、１つ以上の磁束変圧器コイル１６、及び１つ以上のコイル２３４、２６４を切断するか、又は別の方法で無効にするように構成される。

【0060】

ＳＥＲＦ磁力計として動作するためのいくつかの他の重要な要因は、蒸気セル２１４、２６０内のバッファガス圧力及び動作温度に関連する。いくつかの例では、システム５０は、蒸気セル２１４、２６０内のバッファガス圧力を約１気圧に設定するように構成され、動作温度は約１５０℃に設定される。いくつかの例では、１つ以上の制御部２６及び／又は少なくとも１つのプロセッサ２０は、ＲＦ原子磁力計１２の本体２０２又は真空パッケージ２５２内の１つ以上の加熱器を制御することによって、バッファガス圧力及び動作温度を調整するように構成される。

【0061】

磁場が存在しない場合、蒸気セル２１４、２６０内の原子のスピンは、それらの元の配向を保持し、レーザビーム２１７、２５６の偏光は変化しないままである。しかしながら、ＤＣ（＜１００Ｈｚ）に近い磁場が存在するとき、磁場は配向をわずかにねじり、これは光検出器２１６、２６２に入る光の量を変化させる。レーザビーム２１７、２５６は、蒸気セル２１４、２６０内の蒸気を通過して、到達する光の偏光を測定するように構成された光検出器２１６、２６２に入射する。光検出器２１６、２６２における光スループットは、０磁場で最大となり、磁場の関数として減衰する。いくつかの例では、光検出器２１６、２６２からの信号は、ＤＣ光レベル（又は変調及び復調されたＤＣ光レベル）である。ＭＥＧ動作のためのラーモア歳差運動の例示的な図が図４Ｂに提供される。

【0062】

光検出器２１６、２６２は、更なる処理のために、検出された信号（ＭＲＩ動作のためのＲＦ信号及びＭＥＧ動作のためのＤＣ ＳＥＲＦ信号）をコンピューティングデバイス１８に出力するように構成される。いくつかの例では、メモリ２２は、少なくとも１つのプロセッサ２０によって実行されると、少なくとも１つのプロセッサ２０にチップスケールデバイス１１からの信号を分析させる１つ以上の命令を含む。いくつかの例では、少なくとも１つのプロセッサ２０は、チップスケールデバイス１１からの信号を処理し、そのときのチップスケールデバイス１１の構成に応じてＭＲＩ測定値及び／又はＭＥＧ測定値を出力するように構成される。

【0063】

いくつかの例では、コンピューティングデバイス１８に通信可能に結合された任意選択のディスプレイ２４は、ＭＲＩ及び／若しくはＭＥＧ測定値、又はＭＲＩ及び／若しくはＭＥＧ測定値から生成された画像を表示するように構成することができる。

【0064】

ＲＦ原子磁力計の基本的な感度限界は、次式で求められる。

【0065】

【数1】

ここで、

【0066】

【数2】

は、ルビジウム衝突の平均相対熱速度であり、ηは、フォトダイオード効率であり、Ｖ_ａは、原子蒸気セルの体積（体積全体がレーザ及びＲＦ場と相互作用していると仮定する）であり、ω_０は、ゼーマン共鳴のＲＦ角周波数であり、γは、原子磁気回転因子であり、σ_ｅｘ及びσ_ｓｄは、スピン交換及びスピン破壊衝突断面であり、

【0067】

【数3】

は、スピン交換速度であり、ｎは、原子の数密度であり、ν_ＨＦは、アルカリ原子の基底状態超微細分裂である。

【0068】

これは、蒸気セル内にルビジウム原子を有するＲＦ原子磁力計のパラメータに対して約５０ｆＴ／Ｈｚ^１／２の感度限界をもたらす。同様のセンサのベンチトップバージョンは、薄いアルミニウムシールドのみを使用して、ＮＭＲ測定において７ｆＴ／Ｈｚ^１／２を達成した。一方、ＳＥＲＦ磁気測定は、約１５ｆＴ／Ｈｚ^１／２の感度を有するデバイスを使用して、ＭＥＧ測定について既に実証されている。

【0069】

上記の技法を使用して、システム５０は、ＭＲＩ及びＭＥＧ信号をそれぞれ測定するＲＦ及びＳＥＲＦ磁気測定の両方に同じ構成要素を利用する。したがって、システム５０に関して説明した技法は、ＭＲＩ測定とＭＥＧ測定の両方のための大型で高価な構成要素を単一のデバイスで置き換える可能性を有する。

【0070】

ＭＲＩ又はＭＥＧ測定のためにより大きな関心体積をサンプリングするために、図１～図３に関して上述したチップスケールデバイス１１のアレイを利用することができる。

【0071】

図５Ａは、チップスケールデバイス１１の例示的なアレイ５００のブロック図である。ＭＲＩのみの動作の場合、システム１０又はシステム５０に関して説明したチップスケールデバイス１１を利用することができる。ＭＥＧのみの動作のために、又は同じアレイ５００を用いたＭＲＩ及びＭＥＧ動作の両方のために、システム５０に関して説明したチップスケールデバイス１１を利用することができる。

【0072】

図５Ｂは、被験者５０４上に配置されるように構成された例示的なアレイ５０２の図である。アレイ５０２の個々の構成要素の各々は、チップスケールデバイス１１を含む。図３に関して説明したものに対応するチップスケールデバイス１１の例を図５Ｂに示す。いくつかの例では、アレイ５００、５０２内のチップスケールデバイス１１のうちの少なくとも一部のための１つ以上の磁束変圧器コイル１６は、試料領域を完全に覆うように重なり合う。いくつかの例では、アレイ５００、５０２内のチップスケールデバイス１１は互いに干渉する可能性があり、したがって、コンピューティングデバイス１８は、干渉を推定し、推定に基づいて干渉を補償するように構成される。

【0073】

本明細書で説明されるシステムを使用すると、極低温冷却を必要とする大型で高価な超伝導システムは、ＭＲＩ又はＭＥＧ測定を実装するために必要とされない。ＭＲＩ及び／又はＭＥＧ測定を実行するための本明細書で説明されるシステムのサイズ、重量、電力、及びコストは、従来のシステムのサイズ、重量、電力、及びコストよりも著しく小さい。したがって、本明細書で説明されるシステムは、技術が現在利用不可能である場所（例えば、戦場又は投資が不足している地域）において展開されることができる。

【0074】

携帯型ＭＲＩ能力により、戦闘外科医は、どの負傷した兵士が緊急の現場手術を必要とするか、どの兵士が完全に装備された病院に直ちに流される必要があるか、どの兵士が地元の医療及び監視を受ければ十分であるか、及びどの兵士が身体的外傷ではなく精神的外傷を患っているかを決定するために、はるかに良好に装備される。更に、そのような撮像技術は、「自己駆動」気管内チューブ及びＥＲ－ＲＥＢＯＡカテーテルのためのナビゲーションデータを提供することができ、医療専門家の到着前に救命即時処置を可能にする。それは、介入ＭＲＩの可能性を大幅に拡大し、外科医に患者へのより良好なアクセスを与え、外科医が金属器具及びロボットを使用することを可能にする。関連する核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance、ＮＭＲ）技術はまた、流体及び組織試料を分析するために、これらの試料を研究室に送り返すことなく使用され得る。

【0075】

様々な態様では、本開示全体にわたって説明されるシステム要素又は例（例えば、制御部、コンピューティングデバイス、又はそれらの構成要素など）は、１つ以上のコンピュータシステム、フィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array、ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit、ＡＳＩＣ）、又はそれらの要素、プロセス、若しくは例を実現するためのコードを実行するハードウェアを備える同様のデバイス上に実装されてもよく、このコードは非一時的データ記憶デバイスに記憶される。これらのデバイスは、分散型アンテナシステムで使用される様々な方法、プロセスタスク、計算、及び制御機能を実行するためのソフトウェアプログラム、ファームウェア、又は他のコンピュータ可読命令を含む、又はこれらと機能する。

【0076】

これらの命令は、典型的には、コンピュータ可読命令又はデータ構造の格納に使用される任意の適切なコンピュータ可読媒体に格納される。コンピュータ可読媒体は、汎用の又は特殊なコンピュータ又はプロセッサ、又は任意のプログラマブル論理デバイスによってアクセスすることができる、任意の利用可能な媒体として実装することができる。好適なプロセッサ可読媒体としては、磁気又は光学媒体等の記憶媒体又はメモリ媒体を挙げることができる。例えば、記憶媒体又はメモリ媒体は、従来のハードディスク、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）（シンクロナスダイナミックランダムアクセスメモリ（ＳＤＲＡＭ）、ダブルデータレート（ＤＤＲ）ＲＡＭ、ＲＡＭＢＵＳダイナミックＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）などを含むがこれらに限定されない）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、及びフラッシュメモリなどの揮発性又は不揮発性媒体を含んでもよい。適切なプロセッサ可読媒体は、ネットワーク及び／又は無線リンクなどの通信媒体を介して伝達される電気信号、電磁信号、又はデジタル信号などの伝送媒体も含むことができる。

【0077】

本明細書で説明される技法は、デジタル電子回路において、又はプログラマブルプロセッサ（例えば、専用プロセッサ若しくはコンピュータなどの汎用プロセッサ）、ファームウェア、ソフトウェア、若しくはそれらの組み合わせを用いて実装され得る。これらの技法を具現化する装置は、適切な入力及び出力デバイスと、プログラマブルプロセッサと、プログラマブルプロセッサによる実行のためのプログラム命令を有形に具現化する記憶媒体とを含み得る。これらの技法を具現化するプロセスは、入力データに対して動作し、適切な出力を生成することによって所望の機能を実行するための命令のプログラムを実行するプログラマブルプロセッサによって実行され得る。本技法は、データ記憶システム、少なくとも１つの入力デバイス、及び少なくとも１つの出力デバイスからデータ及び命令を受信し、それらにデータ及び命令を送信するように結合された少なくとも１つのプログラム可能プロセッサを含むプログラム可能システム上で実行可能な１つ以上のプログラムにおいて有利に実装され得る。一般に、プロセッサは、読み出し専用メモリ及び／又はランダムアクセスメモリから命令及びデータを受信する。コンピュータプログラム命令及びデータを有形に実施するのに好適な記憶デバイスには、例えば半導体メモリデバイス（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、及びフラッシュメモリデバイス）を含む全ての形態の非揮発性メモリ、磁気ディスク（内部ハードディスク又は取り外し可能なディスク）、光磁気ディスク、及びＤＶＤディスクが含まれる。前述のいずれも、特別に設計された特定用途向け集積回路（Application-Specific Integrated Circuit、ＡＳＩＣ）によって補完されてもよく、又はそれに組み込まれてもよい。

【0078】

例示的な実施形態
実施例１は、システムであって、チップスケールデバイスを備え、チップスケールデバイスは、無線周波数原子磁力計を備え、無線周波数原子磁力計は、レーザ光を放射するように構成されたレーザと、光検出器と、レーザと光検出器との間のレーザ光の光路内の蒸気セルと、レーザによって放射されたレーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子と、を備え、円偏光されたレーザビームは、蒸気セル内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、蒸気セル内の原子を探査するように構成され、探査は局所無線周波数場を検出することを含み、チップスケールデバイスは更に、ソースからの無線周波数信号を無線周波数原子磁力計に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイルと、少なくとも１つのコイルを含む直流（ＤＣ）コイルのセットと、を備え、ＤＣコイルのセットは、レーザによって放射されるレーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成されている、システムを含む。

【0079】

実施例２は、無線周波数原子磁力計及びＤＣコイルのセットを取り囲む受動磁気シールドを更に備える、実施例１のシステムを含む。

【0080】

実施例３は、１つ以上のプロセッサと、第２の磁力計と、を更に備え、１つ以上のプロセッサは、ＤＣコイルのセット及び第２の磁力計に通信可能に結合され、第２の磁力計は、外部ＤＣ場を検出し、外部ＤＣ場の測定値を１つ以上のプロセッサに提供するように構成され、１つ以上のプロセッサは、検出された外部ＤＣ場を緩和するために、ＤＣコイルのセットに対するＤＣ電気バイアスを調整するように構成されている、実施例１のシステムを含む。

【0081】

実施例４は、１つ以上のプロセッサを更に備え、１つ以上のプロセッサは、ＤＣコイルのセット及び１つ以上の磁束変圧器コイルに通信可能に結合され、１つ以上のプロセッサは、ＤＣコイルのセット及び１つ以上の磁束変圧器コイルを無効にし、スピン交換緩和フリー（Spin Exchange Relaxation-Free、ＳＥＲＦ）磁力計として動作するように無線周波数原子磁力計を構成するように構成されている、実施例１及び３のいずれかのシステムを含む。

【0082】

実施例５は、蒸気セルに近接する１つ以上のプロセッサと、１つ以上の加熱器と、を更に備え、１つ以上のプロセッサは、１つ以上の加熱器に通信可能に結合され、１つ以上のプロセッサは、１つ以上の加熱器を制御することによって、蒸気セル内のバッファガスの圧力及び／又は蒸気セルの動作温度を調整するように構成されている、実施例１及び３～４のいずれかのシステムを含む。

【0083】

実施例６は、１つ以上の磁束変圧器コイルは、無線周波数原子磁力計の外部の１つ以上の第１のコイルと、蒸気セルに近接する１つ以上の第２のコイルと、を含み、１つ以上の第１のコイルは、ＲＦ信号を１つ以上の第２のコイルに結合するように構成されている、実施例１～５のいずれかのシステムを含む。

【0084】

実施例７は、チップスケールデバイスに通信可能に結合された１つ以上のプロセッサを更に備え、１つ以上のプロセッサは、ＭＲＩ動作モード中に無線周波数場強度を示す第１の電気信号を光検出器から受信するように構成され、１つ以上のプロセッサは、ＭＥＧ動作モード中にＤＣ場強度を示す第２の電気信号を光検出器から受信するように構成されている、例１及び３～６のいずれかのシステムを含む。

【0085】

実施例８は、チップスケールデバイスに通信可能に結合された１つ以上のプロセッサを更に備え、１つ以上のプロセッサは、ＤＣコイルのセットに対するＤＣ電気バイアスを調整して、蒸気セル内の原子の電子の歳差運動の周波数を調整し、ソースの陽子の歳差運動の周波数に一致させるように構成されている、実施例１～７のいずれかのシステムを含む。

【0086】

実施例９は、システムであって、アレイ状に配置された複数のチップスケールデバイスを備え、複数のチップスケールデバイスのそれぞれのチップスケールデバイスは、無線周波数原子磁力計を備え、無線周波数原子磁力計は、レーザ光を放射するように構成されたレーザと、光検出器と、レーザと光検出器との間のレーザ光の光路内の蒸気セルと、レーザによって放射されたレーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子と、を備え、円偏光されたレーザビームは、蒸気セル内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、蒸気セル内の原子を探査するように構成され、探査は局所無線周波数場を検出することを含み、チップスケールデバイスは更に、ソースからの無線周波数信号を無線周波数原子磁力計に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイルと、少なくとも１つのコイルを含む直流（ＤＣ）コイルのセットと、を備え、ＤＣコイルのセットは、レーザによって放射されるレーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成されている、システムを含む。

【0087】

実施例１０は、複数のチップスケールデバイスのうちの少なくとも１つのチップスケールデバイスは、無線周波数原子磁力計及び複数のチップスケールデバイスのうちの少なくとも１つのチップスケールデバイスのＤＣコイルのセットを取り囲む受動磁気シールドを備える、実施例９のシステムを含む。

【0088】

実施例１１は、１つ以上のプロセッサと、第２の磁力計と、を更に備え、１つ以上のプロセッサは、第２の磁力計及び複数のチップスケールデバイスのうちの少なくとも１つのチップスケールデバイスに通信可能に結合され、第２の磁力計は、外部ＤＣ場を検出し、外部ＤＣ場の測定値を１つ以上のプロセッサに提供するように構成され、１つ以上のプロセッサは、検出された外部ＤＣ場を緩和するために、複数のチップスケールデバイスのうちの少なくとも１つのチップスケールデバイスのＤＣコイルのそれぞれのセットに対するＤＣ電気バイアスを調整するように構成されている、実施例９のシステムを含む。

【0089】

実施例１２は、１つ以上のプロセッサを更に備え、１つ以上のプロセッサは、複数のチップスケールデバイスのそれぞれのチップスケールデバイスに通信可能に結合され、１つ以上のプロセッサは、ＤＣコイルのそれぞれのセット及びそれぞれの１つ以上の磁束変圧器コイルを無効にし、スピン交換緩和フリー（ＳＥＲＦ）磁力計として動作するようにそれぞれの無線周波数原子磁力計を構成するように構成されている、実施例９及び１１のいずれかのシステムを含む。

【0090】

実施例１３は、複数のチップスケールデバイスのうちの第１のチップスケールデバイスのそれぞれの１つ以上の磁束変圧器コイルのうちの少なくともいくつかは、複数のチップスケールデバイスのうちの第２のチップスケールデバイスのそれぞれの１つ以上の磁束変圧器コイルのうちの少なくともいくつかと重なり合う、実施例９～１２のいずれかのシステムを含む。

【0091】

実施例１４は、システムであって、チップスケールデバイスを備え、チップスケールデバイスは、無線周波数原子磁力計を備え、無線周波数原子磁力計は、レーザ光を放射するように構成されたレーザと、光検出器と、レーザと光検出器との間のレーザ光の光路内の蒸気セルと、レーザによって放射されたレーザ光を円偏光させるように構成された円偏光子と、を備え、円偏光されたレーザビームは、蒸気セル内の原子のスピンを配向状態にポンピングし、蒸気セル内の原子を探査するように構成され、探査は局所無線周波数場を検出することを含み、チップスケールデバイスは更に、ソースからの無線周波数信号を無線周波数原子磁力計に結合するように構成された１つ以上の磁束変圧器コイルと、少なくとも１つのコイルを含む直流（ＤＣ）コイルのセットと、を備え、ＤＣコイルのセットは、レーザによって放射されるレーザ光の光軸に対して４５度に配向されたＤＣ磁場を生成するように構成され、システムは、外部ＤＣ場を検出するように構成された第２の磁力計と、チップスケールデバイス及び第２の磁力計に通信可能に結合された１つ以上のプロセッサと、を更に備え、システムは、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）動作モード及び脳磁図（ＭＥＧ）動作モードで動作するように構成されている、システムを含む。

【0092】

実施例１５は、ＭＲＩ動作モードの場合、１つ以上のプロセッサは、検出された外部ＤＣ場を緩和するために、ＤＣコイルのセットに対するＤＣ電気バイアスを調整するように構成されている、実施例１４のシステムを含む。

【0093】

実施例１６は、１つ以上の磁束変圧器コイルは、無線周波数原子磁力計の外部の１つ以上の第１のコイルと、蒸気セルに近接する１つ以上の第２のコイルと、を含み、１つ以上の第１のコイルは、無線周波数信号を１つ以上の第２のコイルに結合するように構成されている、実施例１４～１５のいずれかのシステムを含む。

【0094】

実施例１７は、ＭＲＩ動作モードの場合、１つ以上のプロセッサは、ＤＣコイルのセットに対するＤＣ電気バイアスを調整して、蒸気セル内の原子の電子の歳差運動の周波数を調整し、ソースの陽子の歳差運動の周波数に一致させるように構成されている、実施例１４～１６のいずれかのシステムを含む。

【0095】

実施例１８は、光検出器は、システムがＭＲＩ動作モードで動作しているときに１つ以上のプロセッサに無線周波数出力を提供するように構成され、光検出器は、システムがＭＥＧ動作モードで動作しているときに１つ以上のプロセッサにＤＣ出力を提供するように構成されている、実施例１４～１７のいずれかのシステムを含む。

【0096】

実施例１９は、ＭＥＧ動作モードの場合、１つ以上のプロセッサは、ＤＣコイルのセット及び１つ以上の磁束変圧器コイルを無効にし、スピン交換緩和フリー（ＳＥＲＦ）磁力計として動作するように無線周波数原子磁力計を構成するように構成されている、実施例１４～１８のいずれかのシステムを含む。

【0097】

実施例２０は、蒸気セルに近接する１つ以上のプロセッサと、１つ以上の加熱器と、を更に備え、１つ以上のプロセッサは、１つ以上の加熱器に通信可能に結合され、１つ以上のプロセッサは、１つ以上の加熱器を制御し、蒸気セル内のバッファガスの圧力及び／又は蒸気セルの動作温度を調整するように構成されている、実施例１４～１９のいずれかのシステムを含む。

【0098】

本明細書では特定の実施形態が示され、記載されているが、当業者には、示される特定の実施形態の代わりに、同一の目的を達成することが予測される任意の構成が用いられ得ることが理解されよう。本出願は、本発明の任意の改変又は変形物を包含することを意図している。したがって、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明らかに意図されている。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【外国語明細書】