使用柔性多通道基于OPM的MEG系统测量人类听觉诱发场

2024-06-12 Wed
使用柔性多通道光泵磁力计MEG系统测量人类听觉诱发场
Xin Zhang等人，来自中国科学院苏州生物医学工程技术研究所、中国科学技术大学、中国广东省佛山季华实验室和山东省济南国科医疗技术发展有限公司等，于2024年发表在《j. integr. neurosci.》上的一篇研究论文。
背景磁脑图(Magnetoencephalography, MEG)是一种非侵入性成像技术，可以直接测量大脑中同步激活的锥体神经元产生的外部磁场。光泵磁力计(Optically Pumped Magnetometer, OPM)以其低成本、无需低温、可移动和用户友好的定制设计，展现了在基于MEG的功能性神经成像中的巨大潜力。然而传统的MEG系统由于设备体积大、复杂和重量重，限制了实验的灵活性，无法适应儿童、婴儿和行动不便的受试者的研究需求。因此，开发一种可穿戴系统来获取大脑活动数据变得非常必要。
基于此背景，光泵磁力计是一种具有良好前景的设备，可以在室温环境下独立操作，并满足可穿戴脑成像在重量、大脑覆盖面积和灵敏度方面的基本技术需求。此外，光泵磁力计的小尺寸、轻量化和可穿戴特性使其能够与其他模式（如功能近红外光谱功能成像（Functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）或脑电图（Electroencephalography, EEG））结合使用。
研究动机与目标本文研究的目标是利用一种多通道光泵磁力计MEG系统在磁屏蔽房中测量人类听觉诱发场（AEFs）。为了更好地解决传统MEG系统中运动伪影和头部形状多样性问题，本研究开发了一种柔性头盔，并设计了一套具备背景场和梯度消除的双平面线圈。此外，研究探讨了将这种光泵磁力计MEG系统与EEG系统结合使用的性能。
论文来源与研究机构此项研究由Xin Zhang等人完成，他们来自苏州生物医学工程技术研究所、南京大学苏州附属医院等。论文于2024年4月30日发表在《j. integr. neurosci.》上。
研究流程与方法流程概述本研究的流程分为多个部分，包括：
1. 多通道光泵磁力计MEG系统的构建与设计。
2. 实验设计与数据采集。
3. 数据预处理与分析。
4. 结果展示与讨论。
系统构建与设计多通道光泵磁力计MEG系统包括15个商业光泵磁力计传感器（Gen-2.0 QZFM，QuSpin Inc.，路易斯维尔，科罗拉多，美国），安装在一个可调节的柔性头盔上。头盔由弹性塑料带制成，通过可调节的装置适配不同头型。传感器通过3D打印的支架固定，可以轻松调整位置。此外，该系统在一个定制的磁屏蔽房（MSR）内操作，MSR配备了一套双平面线圈，用于消除残余磁场。
实验设计与数据采集实验包括三名28至35岁的受试者（两男一女），获得了苏州医院伦理委员会的批准。实验任务设计用于验证磁场消除系统的稳定性和对运动的鲁棒性；同时，通过在受试者左耳播放纯音听觉刺激来测量听觉诱发场。
具体实验流程用于验证磁场消除的稳定性和鲁棒性。
用于测量听觉诱发场的实验设计，涉及300次试验，其中80%为有效试验。
用于比较独立系统和混合系统的试验。
数据处理与分析数据处理使用Matlab和FieldTrip工具箱进行处理，包括过滤、基线校正、数据分段、主成份分析和独立成分分析等。
研究结果磁场消除系统实验表明，磁场消除系统在头部运动范围30厘米的立方体内的稳定性和有效性，消除背景静态磁场的残余场大约为2nT，残余场梯度小于6 nT/m。
听觉诱发场测量通过光泵磁力计MEG系统成功测量了听觉诱发场，并且三名受试者显示出类似的响应模式，表明该系统能够有效捕捉听觉诱发信号。这些信号的峰值大约在50 ms和100 ms后产生，对应于中期听觉诱发场和长期听觉诱发场。
声源定位通过线性约束最小方差（LCMV）算法，声源被定位在颞叶的初级听觉皮层附近。
EEG与MEG混合系统比较实验结果表明，混合系统在数据质量上没有显著差异，能够同步测量MEG和EEG信号，并且MEG信号对运动伪影表现出更好的抗干扰性。
结论与价值本研究提出了一种新型的光泵磁力计MEG系统，通过柔性头盔设计和场消除系统实现了高质量的听觉诱发场测量。同时，探讨了将光泵磁力计与EEG系统结合的可行性，展示了两者结合在神经成像中的潜力。该系统的优势在于可适配不同头型和尺寸、实现受试者头部运动情况下的高质量数据采集，预计将扩展MEG测量的应用范围，为构建混合MEG/EEG系统提供参考。
本研究为未来灵活的、可穿戴的脑成像设备的发展提供了重要的科学基础和技术参考。