フレキシブルな多チャンネルOPMベースのMEGシステムで人間の聴覚誘発電場を測定

2024-06-12 Wed
柔軟な多チャンネル光ポンピング磁力計MEGシステムを用いた人間の聴覚誘発場の測定
Xin Zhangら、中国科学院蘇州生物医学工学技術研究所、中国科学技術大学、中国広東省仏山市季華実験室および山東省済南市国科医療技術発展有限公司出身の研究者が、2024年に《j. integr. neurosci.》に発表した研究論文です。
背景磁気脳図(Magnetoencephalography, MEG)は、外部磁場を直接測定する非侵襲的なイメージング技術で、同期して活性化された大脳の錐体神経細胞が生成するものです。光ポンピング磁力計(Optically Pumped Magnetometer, OPM)は、その低コスト、低温不要、可搬性およびユーザーフレンドリーなカスタム設計により、MEGに基づく機能性神経イメージングにおける大きな可能性を示しています。しかし、従来のMEGシステムは装置が大きく、複雑で重いため、実験の柔軟性が制限され、子供や乳児、行動が困難な被験者の研究ニーズに適応できません。したがって、可穿戴システムを開発して脳活動データを取得することが非常に必要となっています。
この背景を基に、光ポンピング磁力計は室温環境で独立して操作でき、重量、脳カバー率および感度の基本技術要件を満たす可穿戴脳イメージングとして非常に有望です。さらに、光ポンピング磁力計の小型軽量で可穿戴性により、機能的近赤外分光イメージング（Functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）や脳波（Electroencephalography, EEG）などの他のモードと組み合わせることができます。
研究動機と目標本研究の目標は、多チャンネル光ポンピング磁力計MEGシステムを用いて磁気シールドルーム内で人間の聴覚誘発場（AEFs)を測定することです。従来のMEGシステムにおける運動アーチファクトおよび頭部形状の多様性の問題をよりよく解決するために、本研究は柔軟なヘルメットを開発し、背景場と勾配を除去するための二重平面コイルを設計しました。さらに、この光ポンピング磁力計MEGシステムとEEGシステムを組み合わせて使用する性能についても検討しました。
論文出典および研究機関この研究はXin Zhangらによって完成され、彼らは蘇州生物医学工学技術研究所、南京大学蘇州附属病院などに所属しています。論文は2024年4月30日に《j. integr. neurosci.》に発表されました。
研究フローおよび方法フロー概要本研究のフローは複数の部分に分かれています：
1. 多チャンネル光ポンピング磁力計MEGシステムの構築と設計。
2. 実験設計とデータ収集。
3. データ前処理と分析。
4. 結果の展示と議論。
システム構築と設計多チャンネル光ポンピング磁力計MEGシステムは15個の商用光ポンピング磁力計センサー（Gen-2.0 QZFM，QuSpin Inc.，ルイビル，コロラド，アメリカ）を含み、これらは調整可能な柔軟なヘルメットに取り付けられています。ヘルメットは弾性プラスチック製のバンドで作られ、調整可能な装置で異なる頭部形状に適応します。センサーは3Dプリントされたマウントで固定され、位置を簡単に調整できます。さらに、このシステムはカスタムの磁気シールドルーム（MSR）内で操作され、MSRは残留磁場を除去するための二重平面コイルを備えています。
実験設計とデータ収集実験には28歳から35歳までの被験者（男性2名、女性1名）が参加し、蘇州病院倫理委員会の承認を得ました。実験タスクは磁場消除システムの安定性と運動に対する堅牢性を検証するために設計され、被験者の左耳に純音の聴覚刺激を与えて聴覚誘発場を測定しました。
具体的な実験フロー磁場消除の安定性と堅牢性を検証するための試験。
聴覚誘発場を測定する実験デザインで、300回の試行を含み、そのうち80％が有効試行。
独立システムと混合システムの比較試験。
データ処理と分析データ処理はMatlabおよびFieldTripツールボックスを用いて行われ、フィルタリング、ベースライン補正、データセグメンテーション、主成分分析および独立成分分析などが含まれます。
研究結果磁場消除システム実験結果は、頭部運動範囲が30cmの立方体内で磁場消除システムの安定性と有効性を示し、残留静的磁場が約2nTであり、残留場の勾配が6nT/m以下であることを示しました。
聴覚誘発場の測定光ポンピング磁力計MEGシステムを介して聴覚誘発場を成功裏に測定し、被験者は類似した反応パターンを示しました。これは、システムが聴覚誘発信号を効率的に捕捉できることを示しています。これらの信号のピークは約50msおよび100ms後に発生し、中期聴覚誘発場と長期聴覚誘発場に対応します。
音源定位線形制約最小分散（LCMV）アルゴリズムを用いて音源を定位し、音源が側頭葉の初級聴覚皮質近くにあることが確認されました。
EEGとMEGの混合システムの比較実験結果は、混合システムがデータ品質において顕著な違いがないことを示し、MEGおよびEEG信号を同期して測定できました。また、MEG信号は運動アーチファクトに対してより強い耐干渉性を示しました。
結論と価値本研究は、新型光ポンピング磁力計MEGシステムを提案し、柔軟なヘルメット設計および場消除システムを通じて高品質の聴覚誘発場測定を実現しました。また、光ポンピング磁力計とEEGシステムの組み合わせの可能性を探り、神経イメージングにおける両者の組み合わせの可能性を示しました。このシステムの利点は、異なる頭部形状やサイズに適応し、被験者の頭部運動の状況下で高品質のデータ収集を実現できる点にあります。これにより、MEG測定の応用範囲の拡大が期待され、混合MEG/EEGシステムの構築の参考として提供されます。
本研究は、将来の柔軟で可穿戴な脳イメージング装置の発展に重要な科学的基盤および技術的参考を提供します。