Легкая магнитоэкранированная комната с активным экранированием.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13561 (2022 г.) Цитировать эту статью

3298 Доступов

6 цитат

15 Альтметрика

Подробности о метриках

В комнатах с магнитным экраном (MSR) используются несколько слоев материалов, таких как MuMetal, для экранирования внешних магнитных полей, которые в противном случае мешали бы высокоточным измерениям магнитного поля, таким как магнитоэнцефалография (МЭГ). Магнитометры с оптической накачкой (ОПМ) позволили разработать носимые системы МЭГ, которые потенциально могут обеспечить устойчивую к движению функциональную систему визуализации мозга с высоким пространственно-временным разрешением. Несмотря на значительные перспективы, OPM предъявляют строгие требования к магнитному экранированию, работая при резонансе с нулевым магнитным полем в динамическом диапазоне ± 5 нТл. Поэтому MSR, разработанные для OPM-MEG, должны эффективно экранировать внешние источники и обеспечивать низкое остаточное магнитное поле внутри корпуса. Существующие MSR, оптимизированные для OPM-MEG, дороги, тяжелы и сложны в размещении. Электромагнитные катушки используются для дальнейшего подавления остаточного поля внутри MSR, позволяя участникам двигаться во время OPM-MEG, но существующие системы катушек сложны в проектировании и занимают место в MSR, ограничивая движения участников и отрицательно влияя на ощущения пациентов. Здесь мы представляем облегченную конструкцию MSR (снижение веса на 30% и уменьшение внешних размеров на 40–60% по сравнению со стандартным MSR, оптимизированным для OPM), которая делает значительные шаги по устранению этих препятствий. Мы также разработали систему активного экранирования «оконной катушки», состоящую из серии простых прямоугольных катушек, размещенных непосредственно на стенках MSR. Сопоставляя остаточное магнитное поле внутри MSR и магнитное поле, создаваемое катушками, мы можем определить оптимальные токи катушек и нейтрализовать остаточное магнитное поле в центральном кубическом метре до уровня |B|= 670 ± 160 пТл. Эти достижения сокращают стоимость, время установки и ограничения по размещению MSR, что будет иметь важное значение для широкого внедрения OPM-MEG.

Для прецизионных экспериментов, включая поиск электрического дипольного момента фундаментальных частиц1 и биомагнитных записей, таких как магнитоэнцефалография (МЭГ)2, необходимы среды с низким магнитным полем, такие как магнитоэкранированные помещения (MSR), с минимальными помехами от внешних источников. МЭГ — это неинвазивный метод функциональной визуализации мозга, который измеряет магнитные поля, генерируемые нейрональными токами3. К этим измеренным полям применяется обратное моделирование для реконструкции основной активности нейронов с превосходным пространственным (~ 3 мм) и временным (~ 1 мс) разрешением2,4, что открывает уникальное и неинвазивное окно в функцию человеческого мозга5. Однако нейромагнитное поле на коже головы имеет длительность порядка 100 с фемтотеслы (фТл) и поэтому легко маскируется источниками помех. Таким образом, MSR является важнейшим компонентом системы MEG2.

Современные МЭГ-сканеры используют фиксированный массив сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (СКВИДов). Поскольку эти датчики необходимо охлаждать до температуры жидкого гелия, геометрия SQUID-MEG MSR в значительной степени определяется требованием размещения криогенного дьюара внутри экрана. Однако недавние разработки в области квантовых технологий привели к созданию МЭГ-систем на основе магнитометров с оптической накачкой (ОПМ)6,7,8. Коммерчески доступные OPM (например, поставляемые QuSpin Inc. (Луисвилл, Колорадо, США) и FieldLine Inc. (Боулдер, Колорадо, США)) представляют собой небольшие интегрированные датчики магнитного поля, которые используют квантовые свойства щелочных металлов9,10. Эти датчики можно установить в носимый шлем, который позволяет участникам двигаться во время исследований МЭГ11. Чтобы достичь уровня чувствительности, необходимого для измерения сигналов МЭГ (требуются интересующие сигналы в диапазоне 1–100 Гц, чувствительность < 15 фТл/√Гц), OPM работают в условиях резонанса с нулевым магнитным полем в узком динамическом диапазоне ± 5 нТ12 и полоса пропускания 0–130 Гц. Поэтому MSR для OPM-MEG должны экранировать магнитные помехи от источников в этом диапазоне частот, а также обеспечивать среду, в которой магнитные поля имеют величину < 1 нТл и градиенты поля < 1 нТл/м. Эта производительность требуется в объеме, достаточно большом, чтобы вместить как голову, так и матрицу датчиков во время ожидаемого диапазона движений участника, так что любое изменение поля (либо вызванное внешним источником, либо в результате вращения/перемещения датчика во время движения участника) движение) не отправляет OPM за пределы своего динамического диапазона.