脑磁图（MEG）新型技术及功能特点-多通道光泵磁力计便携平台

脑磁图（MEG）新型技术及功能特点
多通(tong)道(dao)光泵磁(ci)力计便携平台

脑磁图（MEG）的发(fa)展时代背(bei)景利润讲(jiang)述(shu)

脑磁图（MEG）根据估评面神经设备电流大小引发的人体磁场来在线衡量脑袋工作。传统与现代的MEG利用超导调节器器，这对性知识能、实用型性和堡垒机被部署引发了特大安全事故减少；当然，近两年里，光泵磁力链计optically-pumped-magnetometers（OPMs）的导入使该前沿的技术有了革命斗争性变化无常。OPMs需要在没了恒温的情况发生下在线衡量MEG警报，才能达到了“OPM-MEG"系統的理论依据，该系統表面上上的限制增高精准度度和区分率、期依从性、公民权受试者活动和更低的制造费。你在里，我都上报好几个种新的OPM-MEG设定，拥有小形化和集成型的智能操纵、高质量的轻便性和提升的调节器器情况规模（需要就是现存生物实验室室设备的zui大减少）。我都表达，与已成立的生物实验室室设备相对，该系統引发等效的政策；体现了来讲，当在线衡量主线任务促进的beta带、伽马带和导致的面神经设备电体现时，基两系統的源定位技能拥有特别参考价值，时间段有关的性＞0.7在生命质量和＞0.9客群中。利用涡流体模，我都根据在时代背景场中正常运行系統来证件提升的情况规模8nT。我都表达，该系統在公民权健身运动时间（以及坐立范式）征集参数是有效果的，且它与另外electroencephalography（EEG-临床上标准的）兼容。zui后，我都根据在两生物实验室室期间活动系統来证件可试管移植性。综合性来讲，我都的新系統被证件是OPM-MEG的技术的关键性一次，并且为下一批工作中医药学成相出示好几个个有打动力的手机平台。

脑磁图（MEG）测量电流通过大脑神经元组装产生的磁场（Cohen 1968）。这些磁场的数学建模产生三维图像，显示(shi)electrophysiological活动的(de)(de)(de)(de)空间和(he)(he)时间特征。MEG是研究大(da)脑(nao)(nao)功能(neng)的(de)(de)(de)(de)成熟工具，在(zai)神(shen)经科学和(he)(he)临床实践中具有(you)应(ying)(ying)用(yong)（Baillet，2017）。在(zai)神(shen)经科学中，它可用(yong)于测量诱发(fa)反应(ying)(ying)，神(shen)经振荡，功能(neng)连接和(he)(he)网络(luo)动力学-显示(shi)大(da)脑(nao)(nao)如何不(bu)断形成和(he)(he)溶解支(zhi)持认知的(de)(de)(de)(de)网络(luo)。临床上，MEG zui常用(yong)于癫痫，以定位负责癫痫发(fa)作(zuo)的(de)(de)(de)(de)大(da)脑(nao)(nao)区域以及周围雄辩的(de)(de)(de)(de)皮层（De Tiège et al.，2017）。还有(you)其他潜(qian)在(zai)的(de)(de)(de)(de)应(ying)(ying)用(yong)，从研究儿童常见疾病（例如，自闭症听觉(jue)诱发(fa)反应(ying)(ying)潜(qian)伏期的(de)(de)(de)(de)测量（Matsuzaki等人(ren)，2019年））到调查老(lao)年人(ren)的(de)(de)(de)(de)神(shen)经退行性(xing)疾病（例如，痴呆症皮质减缓的(de)(de)(de)(de)测量（Gouw等人(ren)，2021年））。MEG在(zai)空间精(jing)度（因为磁(ci)场(chang)对头(tou)骨(gu)的(de)(de)(de)(de)扭曲比EEG测量的(de)(de)(de)(de)电位小）和(he)(he)灵(ling)敏度（因为EEG更受非(fei)神(shen)经元来源(yuan)（如肌肉）的(de)(de)(de)(de)人(ren)工制品的(de)(de)(de)(de)影响(xiang)）方面(mian)优(you)于临床标准(zhun)electroencephalography（EEG）（Boto等人(ren)，2019年；Goldenholz等人(ren)，2009年）

近年来，MEG仪器通过引入光泵磁力计（OPMs）而发生了革命性的变化。（参见（Brookes等人，2022年；Schofield等人，2023年；Tierney等人，2019年）的评论。）OPMs测量磁场的灵敏度与传统MEG使用的传感器相似，但不需要低温冷却。它们也可以是微制造的（Schwindt等人，2007年；V. Shah等人，2007年，2020年；V.K.Shah&Wakai，2013年），因此它们小巧轻便。这导致了多种优势。例如，传感器可以放置在更靠近头皮表面的位置（与低温设备相比，不再需要热绝缘间隙）；这显著提高了信号幅度（Boto等人，2016年，2017年；livanainen等人，2017,2019,2020）理论计算表明，这可以提供的空间分辨率（高于传(chuan)统的MEG和EEG）（Nugent等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2022年(nian)(nian)(nian)；Tierney等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2022年(nian)(nian)(nian)；Wens，2023年(nian)(nian)(nian)）。阵列(lie)可以适应(ying)(ying)任何头(tou)部(bu)(bu)形(xing)状(zhuang)(zhuang)-从新生儿到(dao)成(cheng)年(nian)(nian)(nian)人(ren)(ren)（Corvilain等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2024年(nian)(nian)(nian)；Feys等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2023年(nian)(nian)(nian)；Hill等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2019年(nian)(nian)(nian)；Rier等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2024年(nian)(nian)(nian)）。适应(ying)(ying)性还意(yi)味(wei)着阵列(lie)可以设(she)计(ji)为优化对(dui)特定效应(ying)(ying)（Hill等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2024年(nian)(nian)(nian)）或大脑区域(yu)（Lin等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2019年(nian)(nian)(nian)；Tierney，Levy等(deng)(deng)(deng)(deng)人(ren)(ren)，2021年(nian)(nian)(nian)）的敏感性。当传(chuan)感器(qi)随着头(tou)部(bu)(bu)移动时(shi)，参与(yu)者可以在(zai)(zai)记(ji)录期间自由移动（假设(she)背景场得到(dao)良好控制）（Holmes等(deng)(deng)(deng)(deng)，2018,2019,2023； Rea等(deng)(deng)(deng)(deng)，2021）。这使(shi)得在(zai)(zai)新任务期间记(ji)录数据（Boto等(deng)(deng)(deng)(deng)，2018；Rea等(deng)(deng)(deng)(deng)，2022）甚(shen)至(zhi)癫痫发作（Feys等(deng)(deng)(deng)(deng)，2023；Hillebrand等(deng)(deng)(deng)(deng)，2023）。对(dui)不同(tong)头(tou)部(bu)(bu)大小/形(xing)状(zhuang)(zhuang)的适应(ying)(ying)性加(jia)上运动鲁棒性（Feys&De Tiège，2024）意(yi)味(wei)着，像EEG一样，OPM-MEG系(xi)统是(shi)可穿戴的。然而，与(yu)EEG不同(tong)，传(chuan)感器(qi)不需要与(yu)头(tou)部(bu)(bu)进(jin)行电接触，使(shi)得OPM-MEG在(zai)(zai)患者友好性方面(mian)比(bi)EEG更实(shi)用。

zui后，即便 在定制开发的较早阶段中，，针对OPM的软件系统也比民俗的MEG的设备更便宜货。某一些不错的其优势在基本原理上也许 导致OPMMEG称为electrophysiological预估的shou选具体方法，虽然有也许 代替EEG称为某一些应用领域的医学专用工具。 

多管(guan)道OPM-MEG系統数(shu)据(ju)库收集(ji)剖析(xi)

 

我们zui初的目标是比较两种不同的OPM-MEG系统。两者都由64个三轴Quspin QZFM OPM传感器（QuSpin Inc. Colorado，USA）组成，每个传感器都能够在三个正交方向上测量磁场，从而实现192个独立通道的数据收集。传感器设计已经有了很好的记录（Boto等人，2022；V.Shah等人，2020），这里不再详细重复；简而言之，每个传感器头都是一个独立的单元，包括一个87Rb蒸汽电池，一个用于光泵浦的激光器，一个用于电池内场控制的板载电磁线圈和两个用于信号读出的光电二极管。光束分离器将激光输出分开，相关光学器件通过电池投射两个正交光束，以实现三轴场测量。传感器的中位数噪声底限预计~15fT/sqrt(Hz)在3-100 Hz范围内。这比典型的单轴或双轴OPM的噪声底略高，因为需要将激光束分开进行三轴测量（Boto et al.，2022）。两个系统的传感器安装在相同的3D打印头盔中（Cerca Magnetics Limited，Nottingham，UK），确保阵列几何形状对于所有测量都是相同的（参见图1A-插图）。阵列被放置在一个磁屏蔽室（MSR）中，包括四个金属层和一个铜层，以分别衰减DC/低频和高频磁干扰场（Magnetic Shields Limited，Kent，UK）。MSR墙壁配备了消磁线圈，以减少扫描前的残余磁化。MSR还配备了矩阵线圈（Holmeset al.，2023）和指纹线圈（Holmeset al.，2019）-两者都能够进行主动场控制（Cerca Magnetics Limited，Nottingham，UK）。单个“采集"计算机用于OPM-MEG控制和数据采集；该范式（以及相关的时间标记（“触发器"）描述了向受试者提供刺激的时间）由第二台“刺激"计算机控制。视觉刺激通过波导投影到位于受试者前方的背投影屏幕上~100 cm呈现。我们使用了Optoma HD39 Darbee投影仪，刷新率(lv)为120 Hz。两个系(xi)统的示(shi)意(yi)图(tu)如图(tu)1C所示(shi)。

图1：OPM-MEG软件： A）机架安装程序（RM）OPM-MEG软件；调节器器头借助MSR外的微电子元器件器件元器件机架操控。B）结合小型的化（IM）OPM-MEG软件；受试者戴有的包裹内包函拥有操控和采集程序微电子元器件器件元器件的仪器。软件方式图——对3个软件都效果，具体本质区别是微电子元器件器件元器件OPM：大红色方向显现IM软件，暗蓝色显现RM软件。结合小型空气开关软件的微电子元器件器件元器件的仪器照片图片。

图2展示信息信息了自己的RM和IM系統间的相对比较效果。一个题目的效果展示信息信息（在所以6次开机运行中平均水平）；二、个题目的等效图在添加用料中出具。面版A展示信息信息按钮图片按过这段时长内的beta波幅解调。这两人系統中，zui大的beta波幅解调被定位功能到左边侧中级考试感觉到的健身皮层（随着右拇指的的健身），时长环节展示信息信息出明星的的健身分析型beta波幅的少，如预估的一样。图2B展示信息信息了圆刺击展现出这段时长内的伽马波幅解调。这边，zui大的刺击分析型上升在基本感觉部位内，并观察动物到刺击展现出这段时长内伽马波幅的预估上升。图2C展示信息信息了对门部展现出的促使发生体现。图文展示信息信息了促使发生体现的三维空间签名图片，其延后为~170ms，基本在梭形部位内。

图2：RM和IM系统比较： A）手指运动的β带反应；在左边的图像中，叠加显示zui大beta调制的位置，右边的时间过程显示beta带振幅的时间演变。b）对视觉刺激的伽马反应；图像显示伽马调制的位置，时间过程显示伽马带振幅的演变。c）对面部呈现的诱发反应；图像显示zui高诱发功率的位置，时间过程显示试验平均诱发反应。在所有三种情况下，数据在6次运行中平均；显示了两个系统的图像，在时间过程图中，红色表示RM系统，蓝色表示IM系统，阴影区域表示运行均方差(cha)。

图3彰显了他们的坐立日常钓鱼任务的最终。图3A和C图分别是彰显了beta幅度调制解调和从技师考试觉着锻炼皮层峰峰值分离出来的TFS的pseudo-T-statistical画像。zui大的beta幅度调制解调片面性的只于对侧觉着锻炼城市，从手部城市中央扩宽到全权负责脚部锻炼的城市（想起了解，日常钓鱼任务涉及面走路时手掌锻炼，那么这时需要预见的）。TFS在每晚试验台的前4秒彰显出分明的beta带不同于步，而受试者将要锻炼。图3 彰显了调节器器测试方法的原有磁场强度数据源。绝大部分数调节器器彰显由锻炼所产生的蓝本场偏移量量，>1.5 nT这小于了调节器器在开环形式下启动时的新动态领域。或许有这样的大的场偏移量量，调节器器仍坚持启动。即便调节器器在开环启动时需要完成这样的测试方法，但讯号的最可信性将遭到增益值和CAPE数据误差的强势影响（Borna et al.，2022）。

图3：坐立任務卡：A）任務卡促使的beta配制的环境空间显著特点。B）的通道检测的的默认交变电场，表示感应器器横穿a ~2 nT游戏背景场，进行者从坐势移動到站姿。C）来觉着动作皮层的TFS，表示精神谐振的时频发展。D）任務卡的阐释，以展现动作位置。

消息队列OPM-MEG/EEG互通比照

图4：高并发OPM-MEG/EEG： A）戴着EEG帽和OPM-MEG防护头盔的操作者。b）在物种多样性脑部有氧田径运动阶段信息卡参数：表现信息了实验设计中受试者所做的zui大移动和拖动。条意味受试者的评均值公式；参数点表现信息每一个员工自身受试者的值。C）和D）分为表现信息组评均beta和伽马相应。没有你四种问题发生下pseudo-T-statistical图片和各种相关的TFS（产于beta的zui小值和伽马视力皮层的管理重心点）没有你些图片中表现信息了EEG和MEG。很多参数也是在有氧田径运动的问题发生下信息卡的。

大型化OPM-MEG体系分析

我(wo)们(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)总体(ti)目标是(shi)(shi)展示一种新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)OPM-MEG系统(tong)，具有(you)集成(cheng)和(he)小型(xing)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)子(zi)设备(bei)(bei)(bei)，并测试(shi)其(qi)评估人(ren)体(ti)electrophysiological功能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可行性(xing)。我(wo)们(men)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要演示看到新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)IM系统(tong)在(zai)两个(ge)受试(shi)者中多次使用(yong)，以提供(gong)与(yu)已(yi)(yi)建立的(de)(de)(de)(de)(de)(de)OPM-MEG设备(bei)(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)比较，该设备(bei)(bei)(bei)以前已(yi)(yi)经得到广泛验证(zheng)（Boto等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2022； Rea等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2022；Rier等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2023,2024），包括与(yu)传统(tong)MEG（Boto等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2021；Hill等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2020；Rhodes等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2023）。两个(ge)系统(tong)获得的(de)(de)(de)(de)(de)(de)结果(guo)显(xian)示出惊人(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一致性(xing)。源时间在(zai)系统(tong)之(zhi)间具有(you)高度可重(zhong)(zhong)复性(xing)，平(ping)均(jun)相关性(xing)为~0.75对(dui)于单个(ge)运行，以及>0.9对(dui)于同一受试(shi)者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)多次运行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)平(ping)均(jun)值(zhi)。总体(ti)而(er)言，这(zhei)些结果(guo)表(biao)明(ming)这(zhei)两个(ge)系统(tong)提供(gong)了(le)等(deng)(deng)(deng)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能。重(zhong)(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)，这(zhei)不(bu)仅验证(zheng)了(le)小型(xing)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)子(zi)设备(bei)(bei)(bei)，而(er)且还表(biao)明(ming)MSR内部的(de)(de)(de)(de)(de)(de)这(zhei)种电(dian)子(zi)设备(bei)(bei)(bei)（作(zuo)为背包佩戴）不(bu)会在(zai)OPM传感器处产生(sheng)偏(pian)态的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)干(gan)扰，这(zhei)些干(gan)扰不(bu)能通过均(jun)匀场校正（Tierney等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2021）和(he)波(bo)束成(cheng)形（Brookes等(deng)(deng)(deng)人(ren)，2021）等(deng)(deng)(deng)方法(fa)在(zai)后(hou)处理中被拒绝。

 

zui后，从实际角度来看，IM系统表现良好。在之前的OPM中，MEG系统的鲁棒性一直是一个关键问题，特别是在测量中丢失的通道数量。在这里，在使用我们的IM系统的32个实验中，我们丢失了（平均）3±5通道。在我们丢失通道的情况下，原因通常是传感器头和带状电缆之间的连接。传感器头使用卡扣连接，卡在带状电缆上，进行电气连接。这在制造电缆时需要zui小的公差，因为即使是电缆厚度的微小变化也会使卡扣连接器松动，从而导致连接不稳定（这也是IM系统中空房间噪音略微增加的可能原因）。这是该系统未来几代应该改变的事情。尽管有这个小限制，IM系统表现良好。64个Quspin QZFM传感器的设置时间通常约为三分钟——这包括加热蒸汽电池和激光器、用PID控制器锁定温度、优化所有传感器参数、将每个电池内的场归零、校准传感器和打开闭环的时间。每个OPM传感器头的特性略有不同，这意味着控制参数必须在每个传感器的基础上进行优化（就像超导量子干涉设(she)备(bei)（SQUID）必(bi)须在(zai)(zai)传统(tong)(tong)MEG系统(tong)(tong)中(zhong)单独调整一样(yang)）。在(zai)(zai)IM系统(tong)(tong)中(zhong)，由于这些参数(shu)是(shi)在(zai)(zai)传感(gan)器(qi)启(qi)动时优化和设(she)置的(de)(de)，传感(gan)器(qi)头可以(yi)轻松更(geng)换(huan)，而不需要(yao)在(zai)(zai)更(geng)换(huan)后重新启(qi)动传感(gan)器(qi)以(yi)外(wai)的(de)(de)任何(he)东西(xi)。这是(shi)运行系统(tong)(tong)时的(de)(de)一个重要(yao)的(de)(de)实(shi)际(ji)优势(shi)，进一步增加了设(she)计的(de)(de)模块化。

 

这里报告了一种全新的OPM-MEG系统设计，具有小型化和集成的电子控制、高水平的便携性和差异性改善的动态范围。我们已经证明，与已建立的仪器相比，这种仪器提供了对刺激的诱导和诱发神经电反应的等效测量，并且它提供了改进的动态范围。我们已经证明，该系统在参与者运动期间（包括从坐到站的范例）收集数据是有效的，并且它与同步EEG记录兼容。zui后，我们通过在两个实验室之间移动系统来证明便携性。总体而言，我们的新系统代表了OPM-MEG向前迈出的重要一步，并为下一代功能性医学成像提供了具吸引力的平台。

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