腦磁圖（MEG）新型技術(shù)及功能特點(diǎn)
多通道光泵磁力計便攜平臺

腦磁圖（MEG）發(fā)展背景前景介紹

腦磁圖（MEG）通過(guò)評估神經(jīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測量大腦功能。傳統的MEG使用超導傳感器，這對性能、實(shí)用性和部署產(chǎn)生了重大限制；然而，近年來(lái)，光泵磁力計optically-pumped-magnetometers（OPMs）的引入使該領(lǐng)域發(fā)生了革命性變化。OPMs可以在沒(méi)有低溫的情況下測量MEG信號，從而實(shí)現了“OPM-MEG"系統的概念，該系統表面上允許增加靈敏度和分辨率、壽命依從性、自由受試者移動(dòng)和更低的成本。在這里，我們報告了一種新的OPM-MEG設計，具有小型化和集成的電子控制、高水平的便攜性和改進(jìn)的傳感器動(dòng)態(tài)范圍（可以說(shuō)是現有儀器的zui大限制）。我們表明，與已建立的儀器相比，該系統產(chǎn)生等效的措施；具體而言，當測量任務(wù)誘導的beta帶、伽馬帶和誘發(fā)的神經(jīng)電反應時(shí)，來(lái)自?xún)蓚€(gè)系統的源定位具有高度可比性，時(shí)間相關(guān)性＞0.7在個(gè)體水平和＞0.9群體中。使用電磁體模，我們通過(guò)在背景場(chǎng)中運行系統來(lái)證明改進(jìn)的動(dòng)態(tài)范圍8nT。我們表明，該系統在自由運動(dòng)期間（包括坐立范式）收集數據是有效的，并且它與同時(shí)electroencephalography（EEG-臨床標準）兼容。zui后，我們通過(guò)在兩個(gè)實(shí)驗室之間移動(dòng)系統來(lái)證明可移植性?？傮w而言，我們的新系統被證明是OPM-MEG技術(shù)的重要一步，并為下一代功能醫學(xué)成像提供了一個(gè)有吸引力的平臺。

腦磁圖（MEG）測量電流通過(guò)大腦神經(jīng)元組裝產(chǎn)生的磁場(chǎng)（Cohen 1968）。這些磁場(chǎng)的數學(xué)建模產(chǎn)生三維圖像，顯示electrophysiological活動(dòng)的空間和時(shí)間特征。MEG是研究大腦功能的成熟工具，在神經(jīng)科學(xué)和臨床實(shí)踐中具有應用（Baillet，2017）。在神經(jīng)科學(xué)中，它可用于測量誘發(fā)反應，神經(jīng)振蕩，功能連接和網(wǎng)絡(luò )動(dòng)力學(xué)-顯示大腦如何不斷形成和溶解支持認知的網(wǎng)絡(luò )。臨床上，MEG zui常用于癲癇，以定位負責癲癇發(fā)作的大腦區域以及周?chē)坜q的皮層（De Tiège et al.，2017）。還有其他潛在的應用，從研究?jì)和Ｒ?jiàn)疾?。ɡ?，自閉癥聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)反應潛伏期的測量（Matsuzaki等人，2019年））到調查老年人的神經(jīng)退行性疾?。ɡ?，癡呆癥皮質(zhì)減緩的測量（Gouw等人，2021年））。MEG在空間精度（因為磁場(chǎng)對頭骨的扭曲比EEG測量的電位?。┖挽`敏度（因為EEG更受非神經(jīng)元來(lái)源（如肌肉）的人工制品的影響）方面優(yōu)于臨床標準electroencephalography（EEG）（Boto等人，2019年；Goldenholz等人，2009年）

近年來(lái)，MEG儀器通過(guò)引入光泵磁力計（OPMs）而發(fā)生了革命性的變化。（參見(jiàn)（Brookes等人，2022年；Schofield等人，2023年；Tierney等人，2019年）的評論。）OPMs測量磁場(chǎng)的靈敏度與傳統MEG使用的傳感器相似，但不需要低溫冷卻。它們也可以是微制造的（Schwindt等人，2007年；V. Shah等人，2007年，2020年；V.K.Shah&Wakai，2013年），因此它們小巧輕便。這導致了多種優(yōu)勢。例如，傳感器可以放置在更靠近頭皮表面的位置（與低溫設備相比，不再需要熱絕緣間隙）；這顯著(zhù)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，這可以提供的空間分辨率（高于傳統的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-從新生兒到成年人（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(zhù)陣列可以設計為優(yōu)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。當傳感器隨著(zhù)頭部移動(dòng)時(shí)，參與者可以在記錄期間自由移動(dòng)（假設背景場(chǎng)得到良好控制）（Holmes等，2018,2019,2023； Rea等，2021）。這使得在新任務(wù)期間記錄數據（Boto等，2018；Rea等，2022）甚至癲癇發(fā)作（Feys等，2023；Hillebrand等，2023）。對不同頭部大小/形狀的適應性加上運動(dòng)魯棒性（Feys&De Tiège，2024）意味著(zhù)，像EEG一樣，OPM-MEG系統是可穿戴的。然而，與EEG不同，傳感器不需要與頭部進(jìn)行電接觸，使得OPM-MEG在患者友好性方面比EEG更實(shí)用。

zui后，即使在開(kāi)發(fā)的早期階段，基于OPM的系統也比傳統的MEG設備更便宜。這些顯著(zhù)的優(yōu)勢在理論上可能導致OPMMEG成為electrophysiological測量的shou選方法，甚至有可能取代EEG成為某些應用的臨床工具。

多通道OPM-MEG系統數據采集分析

我們zui初的目標是比較兩種不同的OPM-MEG系統。兩者都由64個(gè)三軸Quspin QZFM OPM傳感器（QuSpin Inc. Colorado，USA）組成，每個(gè)傳感器都能夠在三個(gè)正交方向上測量磁場(chǎng)，從而實(shí)現192個(gè)獨立通道的數據收集。傳感器設計已經(jīng)有了很好的記錄（Boto等人，2022；V.Shah等人，2020），這里不再詳細重復；簡(jiǎn)而言之，每個(gè)傳感器頭都是一個(gè)獨立的單元，包括一個(gè)87Rb蒸汽電池，一個(gè)用于光泵浦的激光器，一個(gè)用于電池內場(chǎng)控制的板載電磁線(xiàn)圈和兩個(gè)用于信號讀出的光電二極管。光束分離器將激光輸出分開(kāi)，相關(guān)光學(xué)器件通過(guò)電池投射兩個(gè)正交光束，以實(shí)現三軸場(chǎng)測量。傳感器的中位數噪聲底限預計~15fT/sqrt(Hz)在3-100 Hz范圍內。這比典型的單軸或雙軸OPM的噪聲底略高，因為需要將激光束分開(kāi)進(jìn)行三軸測量（Boto et al.，2022）。兩個(gè)系統的傳感器安裝在相同的3D打印頭盔中（Cerca Magnetics Limited，Nottingham，UK），確保陣列幾何形狀對于所有測量都是相同的（參見(jiàn)圖1A-插圖）。陣列被放置在一個(gè)磁屏蔽室（MSR）中，包括四個(gè)金屬層和一個(gè)銅層，以分別衰減DC/低頻和高頻磁干擾場(chǎng)（Magnetic Shields Limited，Kent，UK）。MSR墻壁配備了消磁線(xiàn)圈，以減少掃描前的殘余磁化。MSR還配備了矩陣線(xiàn)圈（Holmeset al.，2023）和指紋線(xiàn)圈（Holmeset al.，2019）-兩者都能夠進(jìn)行主動(dòng)場(chǎng)控制（Cerca Magnetics Limited，Nottingham，UK）。單個(gè)“采集"計算機用于OPM-MEG控制和數據采集；該范式（以及相關(guān)的時(shí)間標記（“觸發(fā)器"）描述了向受試者提供刺激的時(shí)間）由第二臺“刺激"計算機控制。視覺(jué)刺激通過(guò)波導投影到位于受試者前方的背投影屏幕上~100 cm呈現。我們使用了Optoma HD39 Darbee投影儀，刷新率為120 Hz。兩個(gè)系統的示意圖如圖1C所示。

圖1：OPM-MEG系統： A）機架安裝（RM）OPM-MEG系統；傳感器頭通過(guò)MSR外的電子機架控制。B）集成小型化（IM）OPM-MEG系統；受試者佩戴的背包內包含所有控制和采集電子設備。系統原理圖——對兩個(gè)系統都有效，主要區別是電子OPM：紅色路徑顯示IM系統，藍色顯示RM系統。集成微型系統的電子設備照片。

圖2顯示了我們的RM和IM系統之間的比較結果。單個(gè)主題的結果顯示（在所有6次運行中平均）；第二個(gè)主題的等效圖在補充材料中提供。面板A顯示按鈕按下期間的beta調制。在這兩個(gè)系統中，zui大的beta調制被定位到左側初級感覺(jué)運動(dòng)皮層（由于右食指的運動(dòng)），時(shí)間過(guò)程顯示出明顯的運動(dòng)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制。在這里，zui大的刺激誘導增加在主要視覺(jué)區域，并觀(guān)察到刺激呈現期間伽馬幅度的預期增加。圖2C顯示了對面部呈現的誘發(fā)反應。圖像顯示了誘發(fā)反應的空間簽名，其延遲為~170ms，主要在梭形區域。

圖2：RM和IM系統比較： A）手指運動(dòng)的β帶反應；在左邊的圖像中，疊加顯示zui大beta調制的位置，右邊的時(shí)間過(guò)程顯示beta帶振幅的時(shí)間演變。b）對視覺(jué)刺激的伽馬反應；圖像顯示伽馬調制的位置，時(shí)間過(guò)程顯示伽馬帶振幅的演變。c）對面部呈現的誘發(fā)反應；圖像顯示zui高誘發(fā)功率的位置，時(shí)間過(guò)程顯示試驗平均誘發(fā)反應。在所有三種情況下，數據在6次運行中平均；顯示了兩個(gè)系統的圖像，在時(shí)間過(guò)程圖中，紅色表示RM系統，藍色表示IM系統，陰影區域表示運行均方差。

圖3顯示了我們的坐立任務(wù)的結果。圖3A和C圖分別顯示了beta調制和從初級感覺(jué)運動(dòng)皮層峰值提取的TFS的pseudo-T-statistical圖像。zui大的beta調制局限于雙側感覺(jué)運動(dòng)區域，從手部區域中間延伸到負責腿部運動(dòng)的區域（回想一下，任務(wù)涉及站立時(shí)手指運動(dòng)，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(dòng)。圖3 顯示了傳感器測量的原始磁場(chǎng)數據。大多數傳感器顯示由運動(dòng)產(chǎn)生的背景場(chǎng)偏移，>1.5 nT這超過(guò)了傳感器在開(kāi)環(huán)模式下運行時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍。盡管有這些大的場(chǎng)偏移，傳感器仍保持運行。雖然傳感器在開(kāi)環(huán)運行時(shí)可以進(jìn)行這些測量，但信號的準確性將受到增益和CAPE誤差的顯著(zhù)阻礙（Borna et al.，2022）。

圖3：坐立任務(wù)：A）任務(wù)引起的beta調制的空間特征。B）通道測量的原始磁場(chǎng)，顯示傳感器穿過(guò)a ~2 nT背景場(chǎng)，參與者從坐姿移動(dòng)到站姿。C）來(lái)自感覺(jué)運動(dòng)皮層的TFS，顯示神經(jīng)振蕩的時(shí)頻演變。D）任務(wù)的再現，以展示運動(dòng)范圍。

并發(fā)OPM-MEG/EEG聯(lián)動(dòng)對比

圖4：并發(fā)OPM-MEG/EEG： A）戴著(zhù)EEG帽和OPM-MEG頭盔的參與者。b）在自然頭部運動(dòng)期間記錄數據：顯示了實(shí)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(diǎn)顯示每個(gè)個(gè)體受試者的值。C）和D）分別顯示組平均beta和伽馬效應。在這兩種情況下pseudo-T-statistical圖像和相關(guān)的TFS（來(lái)自beta的zui小值和伽馬視覺(jué)皮層的中心點(diǎn)）在這些圖像中顯示了EEG和MEG。所有數據都是在運動(dòng)的情況下記錄的。

小型化OPM-MEG系統總結

我們的總體目標是展示一種新的OPM-MEG系統，具有集成和小型化的電子設備，并測試其評估人體electrophysiological功能的可行性。我們的主要演示看到新的IM系統在兩個(gè)受試者中多次使用，以提供與已建立的OPM-MEG設備的比較，該設備以前已經(jīng)得到廣泛驗證（Boto等人，2022； Rea等人，2022；Rier等人，2023,2024），包括與傳統MEG（Boto等人，2021；Hill等人，2020；Rhodes等人，2023）。兩個(gè)系統獲得的結果顯示出驚人的一致性。源時(shí)間在系統之間具有高度可重復性，平均相關(guān)性為~0.75對于單個(gè)運行，以及>0.9對于同一受試者的多次運行的平均值?？傮w而言，這些結果表明這兩個(gè)系統提供了等效的性能。重要的是，這不僅驗證了小型化的電子設備，而且還表明MSR內部的這種電子設備（作為背包佩戴）不會(huì )在OPM傳感器處產(chǎn)生顯著(zhù)的磁干擾，這些干擾不能通過(guò)均勻場(chǎng)校正（Tierney等人，2021）和波束成形（Brookes等人，2021）等方法在后處理中被拒絕。

zui后，從實(shí)際角度來(lái)看，IM系統表現良好。在之前的OPM中，MEG系統的魯棒性一直是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，特別是在測量中丟失的通道數量。在這里，在使用我們的IM系統的32個(gè)實(shí)驗中，我們丟失了（平均）3±5通道。在我們丟失通道的情況下，原因通常是傳感器頭和帶狀電纜之間的連接。傳感器頭使用卡扣連接，卡在帶狀電纜上，進(jìn)行電氣連接。這在制造電纜時(shí)需要zui小的公差，因為即使是電纜厚度的微小變化也會(huì )使卡扣連接器松動(dòng)，從而導致連接不穩定（這也是IM系統中空房間噪音略微增加的可能原因）。這是該系統未來(lái)幾代應該改變的事情。盡管有這個(gè)小限制，IM系統表現良好。64個(gè)Quspin QZFM傳感器的設置時(shí)間通常約為三分鐘——這包括加熱蒸汽電池和激光器、用PID控制器鎖定溫度、優(yōu)化所有傳感器參數、將每個(gè)電池內的場(chǎng)歸零、校準傳感器和打開(kāi)閉環(huán)的時(shí)間。每個(gè)OPM傳感器頭的特性略有不同，這意味著(zhù)控制參數必須在每個(gè)傳感器的基礎上進(jìn)行優(yōu)化（就像超導量子干涉設備（SQUID）必須在傳統MEG系統中單獨調整一樣）。在IM系統中，由于這些參數是在傳感器啟動(dòng)時(shí)優(yōu)化和設置的，傳感器頭可以輕松更換，而不需要在更換后重新啟動(dòng)傳感器以外的任何東西。這是運行系統時(shí)的一個(gè)重要的實(shí)際優(yōu)勢，進(jìn)一步增加了設計的模塊化。

這里報告了一種全新的OPM-MEG系統設計，具有小型化和集成的電子控制、高水平的便攜性和顯著(zhù)改善的動(dòng)態(tài)范圍。我們已經(jīng)證明，與已建立的儀器相比，這種儀器提供了對刺激的誘導和誘發(fā)神經(jīng)電反應的等效測量，并且它提供了改進(jìn)的動(dòng)態(tài)范圍。我們已經(jīng)證明，該系統在參與者運動(dòng)期間（包括從坐到站的范例）收集數據是有效的，并且它與同步EEG記錄兼容。zui后，我們通過(guò)在兩個(gè)實(shí)驗室之間移動(dòng)系統來(lái)證明便攜性?？傮w而言，我們的新系統代表了OPM-MEG向前邁出的重要一步，并為下一代功能性醫學(xué)成像提供了具吸引力的平臺。

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