Резюме

Магнитографията със свръхпроводими квантови интерференционни устройства (SQUID) е добре установена техника за измерване на фини магнитни полета, генерирани от физиологични явления в човешкото тяло. За съжаление базираните на SQUID системи имат някои ограничения, свързани с необходимостта от охлаждането им с течен хелий. Алтернативите на стайната температура за SQUID са магнитометрите с оптична помпа (OPM), работещи в режим без релаксация на обмен на центрофугиране (SERF), които изискват много ниско околно магнитно поле. Най-често срещаните двуслойни магнитно екранирани помещения (MSR) с остатъчно магнитно поле от 50 nT може да не са достатъчно магнитно затихнали и се изисква допълнителна компенсация на външното магнитно поле. Ефективна система за компенсация, базирана на квадратни намотки на Helmholtz, е проектирана и успешно използвана за предварителни измервания с предлагана в търговската мрежа OPM с нулево поле. Представената настройка може да намали статичното околно магнитно поле в магнитно екранирано помещение, което подобрява използваемостта на OPM, като им осигурява подходяща среда за работа, независимо от първоначалните условия в MSR.

измервания

1. Въведение

Електрофизиологичните явления в човешкото тяло водят до появата на магнитно поле [1]. Докато електрическите биосигнали се влияят от наличието на изолационни слоеве (мазнини, кости) и различна проводимост на телесните тъкани, магнитното поле може лесно да проникне през тях. Безконтактните измервания с помощта на магнитометри могат да избегнат трудности, свързани с прикрепването на електрода към кожата.

Измервания на полетата, генерирани от йонни течения, преминаващи през влакната на сърдечния мускул (магнитокардиография (MCG) [2]), активност на невроните на мозъчната кора (магнитоенцефалография (MEG) [3]) или откриване на запаси от желязо (чернодробна суспецетометрия [4]) вече се прилагат в клиничната практика [5,6,7]. Магнетизмът на нервната система (магнитоневрография (MNG) [8]), белите дробове (магнитопневмография [9]), стомаха (магнитогастрография (MGG) [10]) и червата (магнитоентерография (MENG) [11]) е допълнителна тема на изследването [ 12]. Изследване върху развитието на плода (фетална магнитокардиография (fMCG) [13], фетална магнитоенцефалография (fMEG) [14]) е друго специфично приложение на магнитни сензори. Vernix caseosa, заобикалящ плода през втората половина на бременността, има ниска електропроводимост, което значително благоприятства магнитографията пред електрографията [15].

Магнитните полета, генерирани от живи организми, са с изключително ниска амплитуда (fT - pT). По този начин биомагнитните измервания могат да бъдат повлияни от много по-висок електромагнитен шум или смущаващи полета, например магнитното поле на Земята (50 µT). Сравнението на тези стойности показва колко предизвикателна е биомагнетиметрията и колко важна е чувствителността на сензорите и правилните магнитни екранировки.

Измерванията на биомагнитните полета обикновено се извършват с помощта на свръхпроводящи квантови интерференционни устройства (SQUID) сензорни решетки. Те са най-чувствителните известни магнитометри и могат да откриват изключително фини магнитни полета [16]. Първата магнитокардиограма и магнитоенцефалограма са измерени с помощта на SQUID през 1970 г. и 1972 г., съответно [17,18]. За съжаление базираните на SQUID системи имат някои ограничения. Използват се скъпо, тъй като сензорите трябва да се охлаждат близо до абсолютната нула. Разстоянието между обект и сензор е значително поради присъствието на dewar и не е осигурена геометрична адаптивност, която да съответства на анатомията на обекта. Колкото по-голямо е разстоянието между източника на сигнала и сигнала, толкова по-ниска е амплитудата на откритото магнитно поле.

През последните две десетилетия оптичната магнитометрия отбеляза бърз напредък, предлагайки алтернатива на стайна температура за SQUIDs: магнитометри с оптична помпа (OPM). Въпреки че атомните сензори вече се използват за измерване на магнитните полета на човека в края на 70-те години, те не могат да се конкурират с SQUIDs [19]. В началото на новия век малко групи се върнаха към идеята за неохладени сензори [20,21,22,23], достигащи чувствителност, сравнима [24] или дори по-добра [25], отколкото SQUIDs могат да осигурят. Въпреки това миниатюризацията на новите магнитометри ги направи нов играч в биомагнетизма [26].

Гъвкавото оптично и електрическо окабеляване на OPM, заедно с сензорна глава с малък размер, позволяват да се сведе до минимум разстоянието на източника на сензор-сигнал, което води до по-големи амплитуди на приетия сигнал [27,28]. OPM са успешно използвани в магнитокардиографията [29], магнитоенцефалографията [30,31], магнитомиографията [32] и феталната магнитокардиография [33]. Освен това се предоставят нови възможности в биомагнетометрията, тъй като сензорите могат лесно да бъдат прикрепени към тялото на обекта, например с помощта на специални адаптирани за анатомия 3D държачи. Очаква се тази функция да окаже специално въздействие при работа с пациенти, чиито движения са трудни за контрол (напр. Деца, пациенти с болест на Паркинсон). Доказано е, че подвижната магнитоенцефалография [34] и упражняващата магнитокардиография [35] с OPMs са възможни.

OPM на SERF изискват почти нулево околно магнитно поле за работа [36,37], което не може лесно да бъде постигнато чрез стандартно магнитно екраниране. Екраниращият фактор на магнитно екранираните помещения (MSR) се определя от броя на амортизационните слоеве, честотата, пропускливостта и размерите на камерата. Докато преносимите магнетично екранирани камери с размер на форхенд имат задоволително съотношение екранировка/обем и осигуряват достатъчно ниско магнитно поле, за да могат OPM да работят [38], проблемът може да възникне при използване на MSR с човешки размер. В двуслойно магнитно екранирано помещение (брой µ-метални слоеве), статично магнитно поле от

Постига се 50 nT [39]. Тази стойност на остатъчното магнитно поле може да бъде компенсирана чрез вградени вътрешни компенсационни намотки на магнитометър с нулево поле. За наличните в търговската мрежа QuSpin нулеви полеви магнитометри Gen-1 (QZFM, QuSpin Inc., Louisville, KY, USA) [40], които могат да анулират остатъчни статични полета до 50 nT, граничната стойност на магнитната индукция, която може да бъде отменено се постига [36]. Стандартните MSR може да не са достатъчно екранирани, за да осигурят достатъчно ниско остатъчно поле за работа на OPM и е необходима допълнителна компенсация. Двуслойните магнитно екранирани помещения са често срещани в целия свят, тъй като SQUIDs не изискват околно магнитно поле толкова ниско, колкото SERF OPMs. Може да се направи адаптиране на тези помещения към новата технология.

Статичните магнитни полета могат да бъдат отменени със спирални системи, осигуряващи еднородни магнитни полета [41]. Ако динамичните промени в магнитните полета в MSR засягат измерванията, може да се използва динамична компенсация [42,43]. Доказано е, че дори движеща се магнитоенцефалография с OPM е възможна, когато е била ангажирана сложна двупланарна намотка за нулиране на магнитното поле и градиент на магнитното поле [44].

Въпреки че теоретичната основа на компенсацията на остатъчното поле е известна и усъвършенстваните компенсаторни системи се предлагат в търговската мрежа [45,46,47], ние представяме персонализиран дизайн на определеното приложение: работа с OPM в MSR. Представената рентабилна система за компенсиране на статично поле, задвижвана от батерии, базирана на квадратни намотки Helmholtz, може лесно да бъде инсталирана в MSR и общите й разходи не надвишават 200 евро. Системата се използва за привеждане на OPM до техния работен обхват, когато първоначалните условия в екранираното помещение не са достатъчни.

2. Материали и методи

Магнитометрите с оптично изпомпване с нулево поле изискват близо до нула остатъчно магнитно поле. В наличните в търговската мрежа OPM от QuSpin (QZFM), околоочните намотки за анулиране на полетата са инсталирани около паровата клетка и осигуряват процедура за нулиране на полето [36]. Процедурата се извършва автоматично със специалния софтуер в началото на измерванията. Първото поколение (Gen-1) на QZFM може да отмени остатъчното магнитно поле от 50 nT и по този начин за работа на OPM се изисква околно магнитно поле под тази стойност. Динамичният обхват на измерване на SERM OPM се определя от резонанса с нулево поле и може да се различава в зависимост от производителя. За да се работи с SERF OPM в неговия линеен режим, динамичният обхват трябва да бъде значително по-малък от ширината на магнитния резонанс [48]. Пълната ширина при половин максимум (FWHM) на резонанса с нулево поле в QuSpin OPM (QZFM Gen-1) е

Изходът от 30 nT и електронният контролен блок осигурява динамичен обхват на измерване от ± 5 nT след процедура на нулиране [40]. Концептуалната крива на трансфер на сензора в работен режим е представена на фигура 1 А.