Многоканальная магнитоэнцефалография на основе магнитометров с оптической накачкой
Магнитоэнцефалография (МЭГ) - современный и крайне востребованный метод неинвазивной нейровизуализации в исследованиях головного мозга и некоторых медицинских приложениях, таких как локализация эпилептогенных источников, превосходящий более известный родственный метод ЭЭГ по точности и глубине реконструкции источников электрофизиологического сигнала в головном мозге.
Несмотря на потенциально широкий спектр применения, стандартные аппараты на принципе квантовой интерферометрии (SQUID) для регистрации МЭГ (рисунок 1) мало доступны большинству исследователей из-за уникальности каждого аппарата. Им также свойственны такие недостатки, как большая удалённость сенсоров от поверхности головы, ослабляющая сигнал корковых источников, ограниченность движений испытуемого, дорогое обслуживание и стационарность аппарата.
В Центре Биоэлектрических Интерфейсов мы разрабатываем альтернативную систему регистрации МЭГ на основе сенсоров с отличными физическими принципами, в том числе на основе QuSpin сенсоров, работающих на принципе оптической накачки (OPM). OPM-сенсоры лишены множества недостатков, свойственных SQUID-системам, каждый сенсор имеет компактный корпус, который может крепится на обычной ЭЭГ-шапке, и это позволяет относительно свободно двигать головой во время записи сигнала, а также аккуратнее локализовать кортикальные источники ввиду минимизации удалённости сенсоров.
Несмотря на потенциально широкий спектр применения, стандартные аппараты на принципе квантовой интерферометрии (SQUID) для регистрации МЭГ (рисунок 1) мало доступны большинству исследователей из-за уникальности каждого аппарата. Им также свойственны такие недостатки, как большая удалённость сенсоров от поверхности головы, ослабляющая сигнал корковых источников, ограниченность движений испытуемого, дорогое обслуживание и стационарность аппарата.
В Центре Биоэлектрических Интерфейсов мы разрабатываем альтернативную систему регистрации МЭГ на основе сенсоров с отличными физическими принципами, в том числе на основе QuSpin сенсоров, работающих на принципе оптической накачки (OPM). OPM-сенсоры лишены множества недостатков, свойственных SQUID-системам, каждый сенсор имеет компактный корпус, который может крепится на обычной ЭЭГ-шапке, и это позволяет относительно свободно двигать головой во время записи сигнала, а также аккуратнее локализовать кортикальные источники ввиду минимизации удалённости сенсоров.
Рис. 1. МЭГ-аппарат Elekta-Neuromag со SQUID сенсорами (слева), QuSpin-сенсоры, пример их монтажа на ЭЭГ-шапку и запись с испытуемого, прототип МЭГ-сенсора (справа)
Возможности сенсоров могут быть продемонстрированы на простых экспериментальных тестах по записи функциональных ритмов головного мозга - затылочного альфа ритма или менее выраженного сенсомоторного ритма. Оба ритма хорошо регистрируются сенсорами, а простейший анализ записей сенсомоторного ритма, записанного с небольшого участка поверхности головы, позволяет выделить сразу несколько источников с уникальными частотно-временными характеристиками, четко видеть моменты синхронизации и десинхронизации ритмов (рисунок 2), а также такие эффекты, как бета-rebounding, что раскрывает замечательные пространственное и частотно-временное разрешающие способности сенсоров.
Рис. 2. Усреднённые огибающие частотно-временного преобразования моторных ритмов, зарегистрированных с помощью OPM-сенсоров QuSpin, в двух состояниях испытуемого - моторное воображение (MI) и расслабление (REST).
Возможности сенсоров могут быть продемонстрированы на простых экспериментальных тестах по записи функциональных ритмов головного мозга - затылочного альфа ритма или менее выраженного сенсомоторного ритма. Оба ритма хорошо регистрируются сенсорами, а простейший анализ записей сенсомоторного ритма, записанного с небольшого участка поверхности головы, позволяет выделить сразу несколько источников с уникальными частотно-временными характеристиками, четко видеть моменты синхронизации и десинхронизации ритмов (рисунок 2), а также такие эффекты, как бета-rebounding, что раскрывает замечательные пространственное и частотно-временное разрешающие способности сенсоров.
Рис. 2. Усреднённые огибающие частотно-временного преобразования моторных ритмов, зарегистрированных с помощью OPM-сенсоров QuSpin, в двух состояниях испытуемого - моторное воображение (MI) и расслабление (REST).
Другой важной характеристикой можно считать возможность их использования в практических приложениях, таких как в интерфейсе мозг-компьютер (ИМК). В наших экспериментах мы реализовали идеомоторный ИМК на основе всего 4 OPM-сенсоров. ИМК управляется воображением движения руки, и сигналы с OPM-сенсоров преобразуется в реальном времени в две команды по управлению виртуальным фантомом (движение и расслабленное состояние).
Результатом эксперимента стало достаточно интуитивное управление с минимальном числом ошибок распознавания после некоторого количества тренировок испытуемого, возможное даже на единичном сенсоре, расположенном в правильной области головы. Проведённые эксперименты говорят о высоком качестве сигнала и сниженных требованиях к пространственной фильтрации и дополнительной обработке при использовании OPM-сенсоров, и очерчивают дальнейшие перспективы расширения спектра их применения и увеличения доступности исследователям.
Нашли опечатку?
Выделите её, нажмите Ctrl+Enter и отправьте нам уведомление. Спасибо за участие!
Сервис предназначен только для отправки сообщений об орфографических и пунктуационных ошибках.