腦磁圖（MEG）新型技術及功能特點-多通道光泵磁力計便攜平台

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腦磁圖（MEG）新型技術及功能特點
多通道光泵磁力計便攜平台

腦磁圖（MEG）發展背景前景介紹

腦磁圖（MEG）通過評估神經電流產(chan) 生的磁場來測量大腦功能。傳(chuan) 統的MEG使用超導傳(chuan) 感器，這對性能、實用性和部署產(chan) 生了重大限製；然而，近年來，光泵磁力計optically-pumped-magnetometers（OPMs）的引入使該領域發生了革命性變化。OPMs可以在沒有低溫的情況下測量MEG信號，從(cong) 而實現了“OPM-MEG”係統的概念，該係統表麵上允許增加靈敏度和分辨率、壽命依從(cong) 性、自由受試者移動和更低的成本。在這裏，我們(men) 報告了一種新的OPM-MEG設計，具有小型化和集成的電子控製、高水平的便攜性和改進的傳(chuan) 感器動態範圍（可以說是現有儀(yi) 器的zui大限製）。我們(men) 表明，與(yu) 已建立的儀(yi) 器相比，該係統產(chan) 生等效的措施；具體(ti) 而言，當測量任務誘導的beta帶、伽馬帶和誘發的神經電反應時，來自兩(liang) 個(ge) 係統的源定位具有高度可比性，時間相關(guan) 性＞0.7在個(ge) 體(ti) 水平和＞0.9群體(ti) 中。使用電磁體(ti) 模，我們(men) 通過在背景場中運行係統來證明改進的動態範圍8nT。我們(men) 表明，該係統在自由運動期間（包括坐立範式）收集數據是有效的，並且它與(yu) 同時electroencephalography（EEG-臨(lin) 床標準）兼容。zui後，我們(men) 通過在兩(liang) 個(ge) 實驗室之間移動係統來證明可移植性。總體(ti) 而言，我們(men) 的新係統被證明是OPM-MEG技術的重要一步，並為(wei) 下一代功能醫學成像提供了一個(ge) 有吸引力的平台。

腦磁圖（MEG）測量電流通過大腦神經元組裝產(chan) 生的磁場（Cohen 1968）。這些磁場的數學建模產(chan) 生三維圖像，顯示electrophysiological活動的空間和時間特征。MEG是研究大腦功能的成熟工具，在神經科學和臨(lin) 床實踐中具有国产成人在线观看免费网站（Baillet，2017）。在神經科學中，它可用於(yu) 測量誘發反應，神經振蕩，功能連接和網絡動力學-顯示大腦如何不斷形成和溶解支持認知的網絡。臨(lin) 床上，MEG zui常用於(yu) 癲癇，以定位負責癲癇發作的大腦區域以及周圍雄辯的皮層（De Tiège et al.，2017）。還有其他潛在的国产成人在线观看免费网站，從(cong) 研究兒(er) 童常見疾病（例如，自閉症聽覺誘發反應潛伏期的測量（Matsuzaki等人，2019年））到調查老年人的神經退行性疾病（例如，癡呆症皮質減緩的測量（Gouw等人，2021年））。MEG在空間精度（因為(wei) 磁場對頭骨的扭曲比EEG測量的電位小）和靈敏度（因為(wei) EEG更受非神經元來源（如肌肉）的人工製品的影響）方麵優(you) 於(yu) 臨(lin) 床標準electroencephalography（EEG）（Boto等人，2019年；Goldenholz等人，2009年）

近年來，MEG儀(yi) 器通過引入光泵磁力計（OPMs）而發生了革命性的變化。（參見（Brookes等人，2022年；Schofield等人，2023年；Tierney等人，2019年）的評論。）OPMs測量磁場的靈敏度與(yu) 傳(chuan) 統MEG使用的傳(chuan) 感器相似，但不需要低溫冷卻。它們(men) 也可以是微製造的（Schwindt等人，2007年；V. Shah等人，2007年，2020年；V.K.Shah&Wakai，2013年），因此它們(men) 小巧輕便。這導致了多種優(you) 勢。例如，傳(chuan) 感器可以放置在更靠近頭皮表麵的位置（與(yu) 低溫設備相比，不再需要熱絕緣間隙）；這顯著提高了信號幅度（Boto等人，2016年，2017年；livanainen等人，2017,2019,2020）理論計算表明，這可以提供空間分辨率（高於(yu) 傳(chuan) 統的MEG和EEG）（Nugent等人，2022年；Tierney等人，2022年；Wens，2023年）。陣列可以適應任何頭部形狀-從(cong) 新生兒(er) 到成年人（Corvilain等人，2024年；Feys等人，2023年；Hill等人，2019年；Rier等人，2024年）。適應性還意味著陣列可以設計為(wei) 優(you) 化對特定效應（Hill等人，2024年）或大腦區域（Lin等人，2019年；Tierney，Levy等人，2021年）的敏感性。當傳(chuan) 感器隨著頭部移動時，參與(yu) 者可以在記錄期間自由移動（假設背景場得到良好控製）（Holmes等，2018,2019,2023； Rea等，2021）。這使得在新任務期間記錄數據（Boto等，2018；Rea等，2022）甚至癲癇發作（Feys等，2023；Hillebrand等，2023）。對不同頭部大小/形狀的適應性加上運動魯棒性（Feys&De Tiège，2024）意味著，像EEG一樣，OPM-MEG係統是可穿戴的。然而，與(yu) EEG不同，傳(chuan) 感器不需要與(yu) 頭部進行電接觸，使得OPM-MEG在患者友好性方麵比EEG更實用。

zui後，即使在開發的早期階段，基於(yu) OPM的係統也比傳(chuan) 統的MEG設備更便宜。這些優(you) 勢在理論上可能導致OPMMEG成為(wei) electrophysiological測量的shou選方法，甚至有可能取代EEG成為(wei) 某些国产成人在线观看免费网站的臨(lin) 床工具。

多通道OPM-MEG係統數據采集分析

我們(men) zui初的目標是比較兩(liang) 種不同的OPM-MEG係統。兩(liang) 者都由64個(ge) 三軸Quspin QZFM OPM傳(chuan) 感器（QuSpin Inc. Colorado，USA）組成，每個(ge) 傳(chuan) 感器都能夠在三個(ge) 正交方向上測量磁場，從(cong) 而實現192個(ge) 獨立通道的數據收集。傳(chuan) 感器設計已經有了很好的記錄（Boto等人，2022；V.Shah等人，2020），這裏不再詳細重複；簡而言之，每個(ge) 傳(chuan) 感器頭都是一個(ge) 獨立的單元，包括一個(ge) 87Rb蒸汽電池，一個(ge) 用於(yu) 光泵浦的激光器，一個(ge) 用於(yu) 電池內(nei) 場控製的板載電磁線圈和兩(liang) 個(ge) 用於(yu) 信號讀出的光電二極管。光束分離器將激光輸出分開，相關(guan) 光學器件通過電池投射兩(liang) 個(ge) 正交光束，以實現三軸場測量。傳(chuan) 感器的中位數噪聲底限預計~15fT/sqrt(Hz)在3-100 Hz範圍內(nei) 。這比典型的單軸或雙軸OPM的噪聲底略高，因為(wei) 需要將激光束分開進行三軸測量（Boto et al.，2022）。兩(liang) 個(ge) 係統的傳(chuan) 感器安裝在相同的3D打印頭盔中（Cerca Magnetics Limited，Nottingham，UK），確保陣列幾何形狀對於(yu) 所有測量都是相同的（參見圖1A-插圖）。陣列被放置在一個(ge) 磁屏蔽室（MSR）中，包括四個(ge) 金屬層和一個(ge) 銅層，以分別衰減DC/低頻和高頻磁幹擾場（Magnetic Shields Limited，Kent，UK）。MSR牆壁配備了消磁線圈，以減少掃描前的殘餘(yu) 磁化。MSR還配備了矩陣線圈（Holmeset al.，2023）和指紋線圈（Holmeset al.，2019）-兩(liang) 者都能夠進行主動場控製（Cerca Magnetics Limited，Nottingham，UK）。單個(ge) “采集”計算機用於(yu) OPM-MEG控製和數據采集；該範式（以及相關(guan) 的時間標記（“觸發器”）描述了向受試者提供刺激的時間）由第二台“刺激”計算機控製。視覺刺激通過波導投影到位於(yu) 受試者前方的背投影屏幕上~100 cm呈現。我們(men) 使用了Optoma HD39 Darbee投影儀(yi) ，刷新率為(wei) 120 Hz。兩(liang) 個(ge) 係統的示意圖如圖1C所示。

圖1：OPM-MEG係統： A）機架安裝（RM）OPM-MEG係統；傳(chuan) 感器頭通過MSR外的電子機架控製。B）集成小型化（IM）OPM-MEG係統；受試者佩戴的背包內(nei) 包含所有控製和采集電子設備。係統原理圖——對兩(liang) 個(ge) 係統都有效，主要區別是電子OPM：紅色路徑顯示IM係統，藍色顯示RM係統。集成微型係統的電子設備照片。

圖2顯示了我們(men) 的RM和IM係統之間的比較結果。單個(ge) 主題的結果顯示（在所有6次運行中平均）；第二個(ge) 主題的等效圖在補充材料中提供。麵板A顯示按鈕按下期間的beta調製。在這兩(liang) 個(ge) 係統中，zui大的beta調製被定位到左側(ce) 初級感覺運動皮層（由於(yu) 右食指的運動），時間過程顯示出明顯的運動誘導beta幅度的減少，如預期的那樣。圖2B顯示了圓刺激呈現期間的伽馬調製。在這裏，zui大的刺激誘導增加在主要視覺區域，並觀察到刺激呈現期間伽馬幅度的預期增加。圖2C顯示了對麵部呈現的誘發反應。圖像顯示了誘發反應的空間簽名，其延遲為(wei) ~170ms，主要在梭形區域。

圖2：RM和IM係統比較： A）手指運動的β帶反應；在左邊的圖像中，疊加顯示zui大beta調製的位置，右邊的時間過程顯示beta帶振幅的時間演變。b）對視覺刺激的伽馬反應；圖像顯示伽馬調製的位置，時間過程顯示伽馬帶振幅的演變。c）對麵部呈現的誘發反應；圖像顯示zui高誘發功率的位置，時間過程顯示試驗平均誘發反應。在所有三種情況下，數據在6次運行中平均；顯示了兩(liang) 個(ge) 係統的圖像，在時間過程圖中，紅色表示RM係統，藍色表示IM係統，陰影區域表示運行均方差。

圖3顯示了我們(men) 的坐立任務的結果。圖3A和C圖分別顯示了beta調製和從(cong) 初級感覺運動皮層峰值提取的TFS的pseudo-T-statistical圖像。zui大的beta調製局限於(yu) 雙側(ce) 感覺運動區域，從(cong) 手部區域中間延伸到負責腿部運動的區域（回想一下，任務涉及站立時手指運動，所以這是可以預料的）。TFS在每次試驗的前4秒顯示出清晰的beta帶不同步，而受試者正在運動。圖3 顯示了傳(chuan) 感器測量的原始磁場數據。大多數傳(chuan) 感器顯示由運動產(chan) 生的背景場偏移，>1.5 nT這超過了傳(chuan) 感器在開環模式下運行時的動態範圍。盡管有這些大的場偏移，傳(chuan) 感器仍保持運行。雖然傳(chuan) 感器在開環運行時可以進行這些測量，但信號的準確性將受到增益和CAPE誤差的顯著阻礙（Borna et al.，2022）。

圖3：坐立任務：A）任務引起的beta調製的空間特征。B）通道測量的原始磁場，顯示傳(chuan) 感器穿過a ~2 nT背景場，參與(yu) 者從(cong) 坐姿移動到站姿。C）來自感覺運動皮層的TFS，顯示神經振蕩的時頻演變。D）任務的再現，以展示運動範圍。

並發OPM-MEG/EEG聯動對比

圖4：並發OPM-MEG/EEG： A）戴著EEG帽和OPM-MEG頭盔的參與(yu) 者。b）在自然頭部運動期間記錄數據：顯示了實驗中受試者所做的zui大平移和旋轉。條代表受試者的平均值；數據點顯示每個(ge) 個(ge) 體(ti) 受試者的值。C）和D）分別顯示組平均beta和伽馬效應。在這兩(liang) 種情況下pseudo-T-statistical圖像和相關(guan) 的TFS（來自beta的zui小值和伽馬視覺皮層的中心點）在這些圖像中顯示了EEG和MEG。所有數據都是在運動的情況下記錄的。

小型化OPM-MEG係統總結

我們(men) 的總體(ti) 目標是展示一種新的OPM-MEG係統，具有集成和小型化的電子設備，並測試其評估人體(ti) electrophysiological功能的可行性。我們(men) 的主要演示看到新的IM係統在兩(liang) 個(ge) 受試者中多次使用，以提供與(yu) 已建立的OPM-MEG設備的比較，該設備以前已經得到廣泛驗證（Boto等人，2022； Rea等人，2022；Rier等人，2023,2024），包括與(yu) 傳(chuan) 統MEG（Boto等人，2021；Hill等人，2020；Rhodes等人，2023）。兩(liang) 個(ge) 係統獲得的結果顯示出驚人的一致性。源時間在係統之間具有高度可重複性，平均相關(guan) 性為(wei) ~0.75對於(yu) 單個(ge) 運行，以及>0.9對於(yu) 同一受試者的多次運行的平均值。總體(ti) 而言，這些結果表明這兩(liang) 個(ge) 係統提供了等效的性能。重要的是，這不僅(jin) 驗證了小型化的電子設備，而且還表明MSR內(nei) 部的這種電子設備（作為(wei) 背包佩戴）不會(hui) 在OPM傳(chuan) 感器處產(chan) 生顯著的磁幹擾，這些幹擾不能通過均勻場校正（Tierney等人，2021）和波束成形（Brookes等人，2021）等方法在後處理中被拒絕。

zui後，從(cong) 實際角度來看，IM係統表現良好。在之前的OPM中，MEG係統的魯棒性一直是一個(ge) 關(guan) 鍵問題，特別是在測量中丟(diu) 失的通道數量。在這裏，在使用我們(men) 的IM係統的32個(ge) 實驗中，我們(men) 丟(diu) 失了（平均）3±5通道。在我們(men) 丟(diu) 失通道的情況下，原因通常是傳(chuan) 感器頭和帶狀電纜之間的連接。傳(chuan) 感器頭使用卡扣連接，卡在帶狀電纜上，進行電氣連接。這在製造電纜時需要zui小的公差，因為(wei) 即使是電纜厚度的微小變化也會(hui) 使卡扣連接器鬆動，從(cong) 而導致連接不穩定（這也是IM係統中空房間噪音略微增加的可能原因）。這是該係統未來幾代應該改變的事情。盡管有這個(ge) 小限製，IM係統表現良好。64個(ge) Quspin QZFM傳(chuan) 感器的設置時間通常約為(wei) 三分鍾——這包括加熱蒸汽電池和激光器、用PID控製器鎖定溫度、優(you) 化所有傳(chuan) 感器參數、將每個(ge) 電池內(nei) 的場歸零、校準傳(chuan) 感器和打開閉環的時間。每個(ge) OPM傳(chuan) 感器頭的特性略有不同，這意味著控製參數必須在每個(ge) 傳(chuan) 感器的基礎上進行優(you) 化（就像超導量子幹涉設備（SQUID）必須在傳(chuan) 統MEG係統中單獨調整一樣）。在IM係統中，由於(yu) 這些參數是在傳(chuan) 感器啟動時優(you) 化和設置的，傳(chuan) 感器頭可以輕鬆更換，而不需要在更換後重新啟動傳(chuan) 感器以外的任何東(dong) 西。這是運行係統時的一個(ge) 重要的實際優(you) 勢，進一步增加了設計的模塊化。

這裏報告了一種全新的OPM-MEG係統設計，具有小型化和集成的電子控製、高水平的便攜性和改善的動態範圍。我們(men) 已經證明，與(yu) 已建立的儀(yi) 器相比，這種儀(yi) 器提供了對刺激的誘導和誘發神經電反應的等效測量，並且它提供了改進的動態範圍。我們(men) 已經證明，該係統在參與(yu) 者運動期間（包括從(cong) 坐到站的範例）收集數據是有效的，並且它與(yu) 同步EEG記錄兼容。zui後，我們(men) 通過在兩(liang) 個(ge) 實驗室之間移動係統來證明便攜性。總體(ti) 而言，我們(men) 的新係統代表了OPM-MEG向前邁出的重要一步，並為(wei) 下一代功能性醫學成像提供了很有吸引力的平台。

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