光泵磁力计-脑磁图的应用研究进展.pdf

Chinese Journal of Biomedical Engineering2023年12 月2023December中国医生程No.6Vol.42报物42卷6 期学学光泵磁力计一脑磁图的应用研究进展姬梦岐施玉杰薛志远钟凡蒋睿张军鹏（四川大学电气工程学院，成都610065)摘要：脑磁图作为一种无创获取大脑信号的新技术，可精准反映大脑的神经活动，但传统脑磁图设备的低温超导环境与高运维成本限制了这一技术的发展。光泵磁力计作为一种新型的磁场强度检测装置，具有造价成本低、信噪比高、无需低温液氨冷却等诸多优势，有望助推脑磁图技术广泛应用。在陈述脑磁图概念的基础上，从技术角度说明光泵磁力计-脑磁图系统的实现原理，梳理该系统存在的命名问题，并从神经语音解码、脑磁源重建、功能神经成像、脑机接口和临床辅助等方面综述了该系统的应用研究进展，总结该新型脑磁图系统独特优势，并展望这种技术的未来潜在应用，最后分析了目前此类研究中可能存在的问题。关键词：脑磁图；光泵磁力计；无自旋交换弛豫；源重建；脑机接口中图分类号：R318文献标志码：A文章编号：0 2 58-8 0 2 1（2 0 2 3）0 6-0 7 30-10Progress in Application of Optically Pumped Magnetometers MagnetoencephalographyJi MengqiiShi YujieXue ZhiyuanZhong FannJiang RuiZhang Junpeng(College of Electrical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)Abstract:Magnetoencephalography(MEG),as a new technology for non-invasive acquisition of brain signals,can accurately reflect the neural activity of the brain,however,traditional MEG equipment requires low-temperature superconducting environment and high operation and maintenance costs,which limit thedevelopment of this technology.Optically pumped magnetometer is a new type of magnetic field strengthdetection device that has many advantages including relatively low cost,high signal-to-noise ratio,no need forcryogenic liquid helium cooling,and are expected to promote MEG technology to wider applications.Based onthe concept of MEG,this paper introduced the implementation principle of the optical-pump magnetometer-magnetic encephalography system from a technical point of view,clarifies the naming confusions that areexisting in the system,and summarized the application and research progress of the system from several aspectsincluding neural speech decoding,MEG source reconstruction,functional neuroimaging,brain-computerinterface,and clinical assistance,meanwhile,summarized the unique advantages of the new MEG system.Thepotential application of this technology in the future was prospected,and the possible problems in the currentresearch were analyzed and discussed.Key words:magnetoencephalography;optically pumped magnetometers;spin-exchange relaxation-free;sourcereconstruction;brain computer interface引言脑磁图（magnetoencephalography，M EG）是一种非侵人式的检测脑磁信号的方法，可提供毫秒级的时间分辨率，实时跟踪脑动态演化过程。相对于目前广泛应用的脑电图（electroencephalogram，EEG），其信号不受组织导电率和颅骨厚度等因素影响，具有更高的空间分辨率。而且，MEG不需要传感器和doi:10.3969/j.issn.0258-8021.2023.06.010收稿日期：2 0 2 2-0 8-30，录用日期：2 0 2 3-0 3-2 0基金项目：国家自然科学基金（8 147 0 0 8 5，312 7 12 0 4）；四川省科技厅项目（2 1ZDYF3607）通信作者（Corresponding author），E-ma i l：j u n p e n g.z h a n g g ma i l.c o m731姬梦岐，等：光泵磁力计-脑磁图的应用研究进展6期患者头部之间的直接物理接触，相比脑电可更快配置，减少实验时间。无需导电膏，避免了长时间实验后导电能力失效的情况。脑磁信号通过将传感器放置在头外，记录由神经元群的突触后电位所产生的极微弱电流所形成的生物磁场信号来获得。目前流行的MEG采集设备主要是基于超导量子干涉仪（superconductingquantum interference devices，SQ U ID s）技术所设计的大型传感器组件!I组成，该磁力计利用约瑟夫森结产生宏观量子现象，其灵敏度可以达到3 10 fT/VHz。但由于SQUIDs传感器和导线为超导部件，均需在低温液氨的超导环境下工作，导致其应用存在两个关键制约因素：1）传感器位置无法灵活调整，传感器与测试对象之间距离较大，信噪比难以提高；2)无论是复杂的SQUIDs-MEG系统还是提供气输送的充氨罐，都需要长期的高成本维护，因此购置与维护成本昂贵。目前新型的光泵磁力计（opticallypumpedmagnetometers，O PM s）与SQUIDs的原理完全不同，最先进的OPMs的灵敏度可以超过1fT/VHz，理论上灵敏度极限可达10-17 T/VHz2，并且在室温下就可实现测量任务。这意味着使用OPMs技术的传感器可以放置距离受试者头皮很近的地方，在使用定制硬质头盔固定传感器后，甚至可以使得传感器与头皮的距离只有几毫米2 ，极大提升了传感器接收到的来自头部的磁场强度，有效增加了信噪比。与传统的基于SQUIDs的MEG采集设备相比，将传感器更靠近受试者大脑可以提高3 5倍的脑源灵敏度。同时,OPMs摆脱了低温超导的限制，为未来的可穿戴式脑磁图测试设备的研发提供了可能3。目前，OPMs-MEG系统的研究已经铺开，在脑信号分析领域和临床诊断上都能够看到这一新型脑磁图系统的许多应用。利用脑磁图本身所具有的高空间分辨率特性，根据OPMs-MEG系统所开发的脑机接口（brain-computerinterface，BCI）应用拥有更高的空间精度，能够更好地帮助行动不便的残障人士。基于OPMs传感器可以紧贴头皮不受空间位置限制的特点，在临床的应用实验中，极大提升了对于癫痫等脑病患者的脑磁信号采集能力，同时儿童脑磁信号的获取过程也得到了优化。同时，由于OPMs传感器的高信噪比，在实验室中已经开始逐渐使用OPMs-MEG系统获取脑磁图原始信号，进而实现更加准确的脑磁源重建，得到更加反映真实情况的功能连接网络。文中首先介绍了MEG的基本概念以及人脑信号的节律划分，并阐明了OPMs得以实现微弱磁场测量的物理原理与工程设计；然后，针对目前存在的用于MEG采集的OPMs的其他名称，即零场磁力计（zero-fieldOPMs，ZFM s）和无自旋交换弛豫磁力计（spin-exchangerelaxation-freemagnetometers,SERFMs），文中对其命名依据作出详细说明；随后，总结了近期光泵磁力计-脑磁图（OPMs-MEG）系统的应用研究进展与临床应用情况；最后，根据OPMs-MEG的特性对未来的研究方向与重点作出展望,并讨论了当下可能阻碍OPMs-MEG发展的问题1脑磁图的概念人脑内部包含大约10 0 0 亿个神经元和超过（2.42 0.2 9）10 14个突触，突触通过神经递质的传递来实现神经元之间的通信4。当大脑中的神经元通过从突触释放的神经递质接收动作电位时，细胞内会产生离子电流。同时，体积电流作为回流在细胞外部流动。细胞内电流可视为以极短间隔等效流动的电流（电流偶极子）。电流偶极子和体积电流都根据毕奥-萨伐尔定律产生磁场，因此在大脑内部以及表层产生微弱的电磁场信号，这可以被传感器采集并分析得到大脑的神经活动信息脑电图测量的头部表面电势，是由在颅骨内传播的体积电流产生的。而脑磁图测量的头部表面磁场，主要是由细胞内电流产生的5-。由于体积电流受颅骨形状和脑组织导电性分布的强烈影响，容易发生畸变，因此从脑电图反演大脑活动情况的难度较大。相反，由于细胞内电流被限制在较短的间隔内,并且活组织的磁导率几乎恒定，因此细胞电流产生的磁场到达头部表面时不会扭曲。通过在头周围布置大量磁传感器并测量磁场分布，即可确定电流偶极子的位置；也就是说，可以估计大脑中的神经电流活跃区。正是由于脑磁图对于体积电流传递并不敏感，故而它也提供了更好的神经元活动源定位和更高的理论空间分辨率极限。脑磁图提供了神经元活动和突触电流的直接指标(7-1。由于这种方法测量的是大脑自发产生的磁场，只需要进行简单的认知实验就可以明显观察到脑磁图信号特定频段的变化如闭眼时波（8 13Hz）信号显著，睁眼时则该频段不再突出，是完全无害的（非侵人性），可在受试者中重复测量以获取不同认知行为对应的不同敏感脑区定位。732中42卷医生国程报学学物MEG本质上仍然是由大脑神经电流活动所产生的磁场信号，所以在进行信号分析时与EEG有很多相近之处。如EEG中,对于人脑自发的有节律的神经电活动按照频率划分为不同的波段，对应着不同的脑区和认知功能，这同样适用于脑磁信号。对于EEG/MEG而言，都可以敏感测量30 Hz以下的人脑信号：8 波（1 3Hz）,0 波（4 7 Hz），波（8 13 Hz),波(14 30 Hz)10同时MEG更适合进行高频段人脑信号的观测，即波（30 10 0 Hz）。相较于全局活动模式，使用梯度计记录的MEG对局部大脑活动更敏感，因此它也比EEG更不易受肌肉伪影的影响。在实际测量中，活动和肌肉活动可能共享相同的频率范围，并且可能都与任务需求相关波是频率在30 10 0 Hz频段的人脑节律信号。它在人专注、警觉状态下最为明显，在许多情绪和认知障碍中都可观察到波活性改变，如阿尔茨海默病,癫痫和精神分裂症12 。因此有效观测该节律信号帮助神经疾病诊断也是MEG的一个优势。2光泵磁力计原理OPMs对于局部磁场的测量是基于一种自旋的量子特性来实现的13,这种特性显现出粒子对其周围磁场强度的反映。OPMs在几十年的研究发展中，不仅灵敏度、便携性取得巨大突破，其造价与维护成本也控制在较为低廉的范畴内。目前在MEG采集领域使用的多是小型化、长条型的独立磁场测量单元（见图1）。相比较于传统的SQUIDs测量仪器14（见图2），显现出巨大的便携性、轻量性优势。这种OPMs-MEG传感器，由于其探测过程中通过“光泵（opticalpump）”效应将内部原子蒸气整体磁化，故而被称为光泵磁力计。又由于其探测中基于无自旋交换弛豫（spin-exchangerelaxation-free，SERF)机制保持了内部原子蒸气磁敏感状态“不退化”，因此也被称为无自旋交换弛豫磁力计。同时，由于其对局部磁场场强值的测量是通过分析零场谐振（zero-fieldresonance）实现的，因此又被称为零场磁力计。实际上以上命名都是考虑到不同侧重，对同一类型传感器产生的不同描述。2.1光泵磁力计的由来在OPMs内部的独立测量单元中，包含：充满碱金属原子的玻璃蒸气室、内部的半导体激光发射器、光电探测器，还有用于场磁补偿的正交电磁线圈。Z3DOAAHI图1美国Quspin公司生产的商业化光泵磁力计Fig.1Commercial optically pumped magnetometerproducedbyQuspincompany图2传统的超导量子干涉仪14Fig.2Traditional superconducting quantum interferometer 14玻璃蒸气室中的碱金属原子通常使用的是元素的同位素8 7 Rb，其有自旋特性，因而具有磁矩，这是使原子蒸气化后可以变得对磁性高度敏感的关键。同时8 7 Rb原子在室温（30 0 K）下平均速度就可以达到km/s的量级【15】，这有助于实现后文提到的无自旋交换弛豫状态。在没有施加外部影响的情况下，原子的磁矩均是自由排列的。但如加入具有特定波长与偏振角的圆偏振泵浦光，使得原子能级改变，原子蒸气中原子磁矩对齐，就产生了相干自旋，显现出原子蒸气沿着光束方向的整体磁化，即原子蒸气进人高度的磁敏感状态。本质上是因为角动量从光转移到了原子蒸气中，光子与原子发生碰撞，使原子的能级发生了跃迁，最终原子蒸气中绝大多数原子将处于同一基态能级上。这种效应是一种被称为“光泵”的量子效应，能级跃迁所使用的光子由“光泵浦（opticalpumping）”射出。根据该原理制作的光泵磁力计中的“光泵”二733姬梦岐，等：磁力计-脑磁图的应用研究进展6期字也因此而来。一旦进入该状态，原子将不再能够吸收光子，在局部磁场为零的情况下，整体的原子蒸气变为透明态。2.2零场磁力计的由来这里引入零场谐振的概念16 ，以上所述都是先假设磁力计处于绝对场强为零的磁场中。如果在垂直于光束的方向上施加额外磁场，则原子的透明度会发生变化，这是由于当施加外部磁场时，会导致原子产生拉莫尔（larmor）振动，使得原子又可以重新吸收光子17 。当原子经历非常接近于零的磁场时，观察到最大的透明度，并且半导体激光器发出的光经过蒸气室会被光电探测器捕捉到，光电探测器所获光量会随着原子透明度的变化而变化，从而将原子所在的背景磁场的场磁强度和光电探测器输出信号直接联系起来。如果把光电探测器的输出视为所施加场的函数，并在传感器附近施加从负值到正值的磁场，则将看到输出具有洛伦兹线型，在磁场场强值为0 时达到波峰。该洛伦兹输出称为零场谐振（见图3），是磁力计的响应。通过对该响应进行分析（如计算与洛伦兹峰的偏差值得场值），即可获得当前施加到原子蒸气室上的磁场强度。垂直于光路方向上的磁场会使原子吸收更多的光。光电探测器可感知到由磁场变化导致的原子蒸气透明度变化，进而产生与通过蒸气池的光成比例的电流。通过这种方式，磁信号被转换为电信号，形成零场磁力计18 。8】。“零场 就代表测量原子蒸气室周围磁场强度时利用的零场共振原理，以及光电探测器的输出为零场谐振。OPMs要求传感器在测量时背景磁场强度至少Zero-FieldresonanceB/T图3零场谐振显示出的洛伦兹线型Fig.3Lorentz line displayed by zero-field resonance1图4OPMs内部结构示意（来自精确调谐的半导体激光器的光通过含有原子的玻璃原子蒸气室，并被光电探测器捕获）Fig.4 Schematic diagram of internal structure of OPMs(The light from the precisely tuned semiconductor laser passes through the glass atom vapor chamber containingrubidium atoms and is captured by the photoelectricdetector)在纳特斯拉级之下，主要是因为传感器本身极其敏感，而且人脑的脑磁强度水平只在2 0 0 飞特斯拉左右19 ,如图5所示。所以在使用OPMs进行MEG信号采集时，需要将传感器置于极低干扰水平的磁屏蔽室或磁屏蔽桶中，或者使用额外的外部线圈进行场磁补偿。与零场磁力计对应的还有全场磁力计（total-fieldOPMs，T FM s）2 0】，其同样是光泵磁力计的一种针对不同应用场景的特殊磁力计，可敏感地捕捉地球磁场变化。零场磁力计通过内部附加额外的正交线圈，使垂直于光束两个方向作为测量敏感轴，从而在测量T10-110-3地球磁场10-6城市噪音10-9心脏磁场10-12肌肉磁场大脑磁场10-15图5营常见的的磁场强度Fig.5Common magnetic field strength42卷中734生医国报学程学物时可以选择更多测量方向，使敏感轴可以更好的契合大脑神经电流的切向方向。这是由于正交线圈产生高频的调频磁场，将信号转换为高频的载波信号，再通过相位敏感的锁相放大器进行解调，而调制磁场的方向就决定了当前测量的磁场方向。根据右手螺旋定则，在将大脑视为标准球体的基础上，只有与大脑半径垂直的神经电流，即切向电流，所产生的磁场才能取得理想的测量效果2 12.3无自旋交换弛豫磁力计的由来目前的OPMs是在无自旋交换弛豫状态下实现微弱磁场测量的2 2】，因此OPMs有时也被称为SERF磁力计。当激光以特殊的频率与角动量穿过蒸气室，令内部许多原子达到相同能级拥有相同的状态，共同产生沿激光束轴线排列的强净磁化，从而使得蒸气整体极化，对周围磁场高度敏感。但是这种可对磁场敏感的极化会由于原子的弛豫而被消除,原子之间的相干性下降，原子的自旋排列随之受损，使得原子蒸气不再保持整体高度磁敏感2 3弛豫，是原子从原本的高能激发态回落到之前未被外部能量场激发的平稳状态的过程。极化的原子蒸气的原子弛豫主要来源于自旋交换碰撞弛豫、自旋破坏碰撞弛豫、碰壁弛豫等，其中以自旋交换碰撞弛豫为主要弛豫因子2 4自旋交换碰撞，是指原子蒸气中原子之间发生碰撞时，由于原子本身的自旋性质，相撞原子的自旋态在碰撞之后进行互换（见图6）。自旋交换碰撞的结果是相撞的原子角动量变化，原子的基态能级也随之改变，造成原子的自旋相干性遭到破Collision图6原子自旋交换碰撞示意Fig.6Schematic diagram of atomic spin exchange collision坏，原子蒸气的整体极化状态退极化2 5原子自旋交换碰撞的速率，可以表示为R=nodu(1)式中，n表示原子蒸气的密度，sd表示碰撞横截面积，表示平均热运动速率。其中原子的碰撞横截面积可视为常数，蒸气密度与平均热运动速率皆与温度成正比。一般情况下原子自旋交换碰撞的越快，产生的弛豫就越强。但是当自选交换碰撞速率大到一定程度，远大于原子在磁场中的进动频率时，自旋交换弛豫反而会逐步降低甚至消失【2 6 。此时，自旋交换的弛豫系数可表示为：121(21-1)(2)qse3(21+1)2式中，I为磁场强度。因此，通过加热（增加原子蒸气密度并提高平均热运动速率）来提升自旋交换碰撞速率,并放置在零磁场中来使得弛豫系数1/qs接近为0,从而使得自旋交换弛豫的影响忽略不计，原子蒸气可一直保持磁敏感的极化状态。从该原理出发，OPMs又被称为无自旋交换弛豫磁力计。加热在玻璃蒸气室内完成，经由特殊隔热材料外壳，传感器可安全放置在距离受试者头皮表面几毫米的位置，体现出相对于传统SQUIDs设备的巨大信号强度优势。但同时由于场磁强度随传感器距离磁场源距离的平方而不断衰减，导致这一优势在检测大脑较深的皮层区域时会不再那么明显2 7 3光泵磁力计在脑磁图上的应用现在OPMs已经开始逐步应用到脑磁图科学研究中。2 0 0 6 年，Xia等2 8 使用OPMs进行了第一次脑磁图实验，通过对比听觉诱发反应实验获取的脑磁图信号，发现OPMs的信号灵敏度可以与成熟的SQUIDs系统相媲美。当时OPMs装置的工程技术还不成熟，需要使用大型电池和烤箱加热原子蒸气到SERF状态，这种机制通过增加碰撞速率（蒸气加热）来最小化碰撞粒子对蒸气磁敏感状态的影响2 9 。虽然这个时期还无法自由布置传感器阵列，但是OPMs所具有的巨大潜力已被人们所认识。SERF的工程实现技术进一步成熟令OPMs的小型化成为了可能。到2 0 10 年时，已有研究人员使用小型化OPMs测量到了正中神经和听觉刺激的诱发反应的MEG信号30 。如今，基于OPMs的维护成本低、轻量可移动、室温下测量等优越特性，OPMs-735姬梦岐，等：磁力计-脑磁图的应用研究进展6期MEG系统的研究已经广泛展开。3.1节律信号采集OPMs-MEG系统的巨大优势之一就是其可以用较少的传感器阵列的情况下实现传统超低温SQUID系统多传感器阵列的测量效果，以此来极大降低MEG信号检测成本，扩大研究人群。目前已有研究使用少量的OPMs传感器实现节律信号的精准观测。2 0 19 年，livanainen等31 分别使用8 个OPMs传感器组成的头皮阵列和传统全头SQUIDs阵列组成的头皮阵列,来检测受试者对动态视觉刺激的响应。结果表明仅使用8 个OPMs传感器，就能取得与传统SQUIDs设备相当的高频段波（30 100Hz）活动源估计，而2 0 2 0 年,Zhang等【32 仅利用双通道OPMs传感器成功观察到可被光刺激阻断的波，受试者躺人屏蔽桶后将两个OPMs传感器放置在波较为明显的枕骨区域，通过进行不同的光刺激实验，观察到了无光刺激时安静状态下的明显波,以及施加光刺激时波被明显阻断的现象。以上研究证明少量的OPMs传感器即可进行基本的人脑节律信号观察，对低频段的波和高频段的波都能够高精度观测。OPMs-MEG在高频段的信号功率显示明显优于SQUIDs传感器31,这将进一步推动对高频段脑信号更高灵敏度且高精确度的研究，有助于优化针对高频段脑信号认知研究的实验设计以及各类精神疾病的高频段脑信号异常活动研究。3.2脑机接口目前临床上应用的无创脑机接口主要是基于脑电图设计，其空间精度受限于组织电导率和骨形状。多项研究已经证明神经磁信号对于高精度脑神经信号解码的有效性，使用MEG技术研发脑机接口应用有望提高空间精度。基于传统的SQUIDs设备无法自由设置传感器阵列，而OPMs-MEG系统可以通过确定最佳传感器位置获取特定功能皮层神经磁信号，因而有助于正向选择有用特征，减少传感器数量，从而降低脑机接口设计成本。2 0 2 0年,Dash等33 基于OPMs-MEG系统提出了第一个用于神经语音解码工作的传感器阵列选择方案，相比于传统全脑SQUIDs而言，其仅利用9 个最佳位置的OPMs-MEG梯度计就可以获得更高的神经语音的解码精度，使基于MEG系统的脑机接口设备的轻量化问题取得重要突破。在确定了OPMs-MEG系统应用于脑机接口上的优越性后,将OPMs-MEG正式放人BCI环境中的尝试也已出现。2 0 2 1年，Wittevrongel等34 开发出一套基于OPMs-MEG的BCI系统，通过检测受试者注视指定字符时的MEG信号来完成“思维拼写”任务，准确率达到了99.7%，证明了利用OPMs-MEG设计的BCI应用能快速可靠地捕捉到神经反应。可以预见，随着基于OPMs-MEG系统的BCI设备的发展，具有严重运动障碍的患者有望借助新型BCI设备恢复一定的生活能力。3.3脑磁源重建OPMs-MEG系统无需超低温液氮环境，可直接将测量传感器放置于受试者头部，这表明相比于传统MEG设备可大幅提高获取信号的信噪比，可有效改善脑磁源重建精度。现在已有很多研究为了获取更高的源重建精度，使用OPMs-MEG进行原始信号采集，并开发了新型的源重建算法。2 0 2 1年，DeLange等35 通过附着有45 46 个OPMs的特制头盔，记录受试者在听演讲音频时的MEG信号，用于脑磁源重建任务，最终重建精度值与之前在经典MEG研究中报告的值非常接近。同时主要信源定位到了双侧听觉皮层，证明OPMs-MEG系统对于源重建中的皮层追踪具有优秀的效果。值得注意的是，源重建的精度在不同型号的OPMs传感器中存在着明显的差异。当前商用OPMs传感器中被广泛使用的是双轴传感器，而测量轴为三轴的传感器使用较少。关于如何选择传感器变体来实现MEG最优测量也引起了研究者的重视。2 0 2 1年，Brookes等36 通过模拟实验，发现三轴OPMs-MEG系统能采集更多方向的场矢量，可显著改善使用自适应波束形成器重建脑磁源的过程。2 0 2 2 年,Boto 等37 从儿童脑磁图问题出发，设计了用于5岁儿童的传感器头盔，使用三轴OPMs传感器来测试三轴传感器对大脑磁场的高度敏感性，并使用模型实验进行了准确性验证，结果表明三轴OPMs传感器可更好地去除运动伪影，增加捕获的信号总量，提供更均匀的覆盖范围。在源重建方面，三轴OPMs传感器可以获取更多的场矢量信息以及具有更好的头部伪影消除能力，均优于双轴OPMs传感器3.4功能神经成像在脑神经信号的处理分析中，完成源重建之后，往往需要计算功能连接矩阵来观察不同脑区之间的联系,并在此基础上进一步计算全局和局部脑网络参数，实现对脑神经信号更为全面的解码。2021年，Boto等38 使用OPMs-MEG和工作在低温液氮环境下的2 7 5通道的传统MEG设备，来获取在736中生42卷医国报程学物学静息状态和视觉运动任务中两个设备的功能连接网络。实验结果表明，来自OPMs和低温系统的静息态连接组矩阵表现出高度的相似性，相关系数大于7 0%。此外，在视觉运动任务中,对基于0 PMs和低温系统的数据分别分析，也观察到了相似的个体间连接差异（多次扫描），再次证明了OPMs-MEG装置的保真度。因此证实OPMs-MEG系统所获数据精准有效，再利用其鲁棒性好、造价低等优点，有望在功能神经成像领域发挥重要作用。3.5辅助临床诊断和评估目前OPMs-MEG系统在临床应用中尝试除了脑机接口以外，也已逐步开始参与具体病症的诊断,并发挥了相关作用。其中临床应用最为广泛的领域就是癫痫相关病症的诊断,可以通过检测癫痫棘波判断患者是否为癫痫病人，或者利用脑磁图的高空间分辨率寻找病灶精确位置。2 0 2 0 年，Vivekananda等39 将OPMs-MEG系统首次应用于医学难治性癫痫病例中。通过将OPMs-MEG系统的传感器放置在患者头部进行MEG信号采集与分析，此时患者的头部活动不受任何限制。OPMs-MEG检测到了在临床脑电图上同步出现的患者癫痫发作期间的信号异常活动形式（棘波、尖波、慢波和多棘波等）,并表现出与EEG相似的形态，且产生了一致的棘波活动定位，进一步确定了病灶区域在右后象限上。而后，根据EEG、M RI、O PM s-M EG 的综合判断,对该患者成功进行了手术。OPMs-MEG不仅在成人癫痫患者疾病诊治中取得理想效果,在患病儿童的诊治中同样有较好应用。2 0 2 2 年，Feys等40 使用OPM-MEG系统采集了5名患有癫痫的学龄儿童的MEG信号，处理分析后观察到癫痫发作期间的异常放电现象，而这在传统SQUIDs设备上难以实现，因为传统低温传感器无法像新型脑磁图传感器那样紧贴头皮，因而难以对患儿进行脑磁图信号采集。因此在癫痫病灶所在皮层位置确定上，OPMs-MEG可以与EEG、M RI 相结合，对临床诊断作出更有利的帮助目前,OPMs-MEG系统在其他脑神经疾病的辅助诊断上也有了较多应用。2 0 2 2 年，Allen等41 利用OPMs-MEG系统对轻度创伤性脑损伤进行辅助评估和诊断。将超高场7 T-MRI与OPMs-MEG相结合，寻找急性轻度创伤性脑损伤的结构和功能异常，有助于将该类疾病与非头部受伤的骨科创伤区别开。最终13名受试者中有10 名出现了频段功率的显著增加，证明OPMs-MEG系统可有效检测到轻度创伤性脑损伤的脑信号异常，并可作为临床评估和诊断的辅助方式。4应用前景目前，光泵磁力计已显示出其独特优势及其在脑磁图研究中已取得许多成果，表明未来OPM-MEG系统有望取代传统的低温MEG设备，并在许多依靠传统低温MEG设备难以实现的应用中释放潜力。4.1帮助特殊人群脑信号测量目前，常用的脑科学测量设备，不论是核磁共振成像还是传统的脑磁图，即SQUIDs-MEG系统，都需要庞大的测试仪器与巨大的测试场地，同时由于事先配置的传感器阵列实际上是为满足一般成年男性头部模型所建立的，且无法做到随时调整，所以在测试的普适性上难以令人满意。如今，幽闭恐惧症仍然是困扰很多人的重大问题，而与幽闭恐惧密切相关的脑磁图信号分析有可能成为相关诊断和治疗的关键。然而，传统脑磁图采集系统需要受试者将头部深人大型的测试仪器中，这将会进一步诱发患者本身的不安，更不利于病情的控制。如果采用可室温下进行测量的OPMs传感器，摆脱由于超导条件而建立的液氨装置，在宽的磁屏蔽室中令幽闭恐惧症患者带上小型的传感器，就可实现对人友好的观察和分析。同时针对于儿童这个特殊人群，OPMs也显现出非凡的潜力。目前，针对儿童期高发的神经类疾病如多动症、孤独症等已越来越受到学界与社会的热切关注，但关于儿童脑磁图研究进展却相比于成年人群体而言总体较为滞后，其重要因素是儿童对于实验配合程度往往不尽如人意。一些诊断性的脑磁图实验经常需要受试者长时间保持一种状态，亦或要求受试者在大脑中进行某种想象，诸如运动想象之类。但儿童的认知能力还不够成熟，对于实验的耐受程度较差，很难满足严苟的实验设计要求。而在实验过程中，一旦发生儿童头部偏移或晃动，都会导致脑磁源相对于传感器位置的巨大变化，信噪比（SNR）的恶化以及后续空间配准等信号分析重建任务的困难。OPMs允许传感器紧贴头皮放置，可以极大缓解受试儿童的测试空间局限性，在外部磁屏蔽条件满足要求的情况下，可以同时保证采集脑磁图信号的质量与儿童的实验耐受度，对于儿童这一特殊测试群体也能实现更自由的实验范式的设计。737姬梦岐，等：玄力计-脑磁图的应用研究进展6期4.2OPMs-MEG可与EEG互补前文提到，由于“右手螺旋定则”，导致MEG信号对大脑中切向电流更敏感，其测量的脑磁源定位位置一般都在脑沟回中41，而同时EEG信号对切向与径向的神经电流都敏感。同时EEG信号对低频更加敏感，MEG更擅长观察高频信号（波）。这都表明EEG信号与MEG信号有着巨大的互补空间。在源重构领域，已经有许多研究证明EEG与MEG信号的联合分析对在重构的空间特异性方面有着比单独使用某一信号的巨大优势。脑电图信号的采集自由度远高于传统的脑磁图采集设备，其设置好参考点位后可获取头皮任意一点的电位，能对不同受试者进行测试头盔的自由订制。传统的脑磁图设备由于固定的传感器阵列，导致无法完美契合不同实验范式的EEG数据，针对侧重于不同脑区电位的EEG数据不能取得良好的互补匹配效果。OPMs-MEG系统同样允许针对不同受试者定制不同测试头盔，自由采集头皮任意一点附近的脑磁场，完全可以实现与EEG1：1采集位点的适配，从而达到最理想的信号互补，甚至可以尝试将OPMs传感器与EEG的电极放置在一个脑信号采集头盔中，实现相同时域的混合采集。4.3OPMs-MEG帮助开发可穿戴式脑磁图系统目前传统的脑磁图采集设备固定的传感器阵列使得即使是拥有完全行为能力的成年人，在面对更高实验设计要求时，也会受到客观空间限制上的阻碍。在传统SQUIDs-MEG的仪器内部，成年人即使是只移动了几厘米都有可能会直接让头部碰到坚硬的传感器外壳，这令过去的脑磁图实验往往只能局限在认知刺激实验上，诸如施加听觉、视觉的外部刺激，亦或令受试者自行进行运动想象这些不需要大幅度移动就可完成实验流程的范式，大幅度运动状态下人脑的脑磁图信号检测则难以推进。这是MEG/fMRI与EEG或功能性近红外光谱（f NI RS）相比的主要局限性之一，两者都涉及可穿戴设备，不受静态头盔的限制（fMRI则使用封闭式扫描仪）【42 。而OPMs-MEG轻量化体型以及非超低温的测量条件都使得可穿戴的MEG设备成为可能。5总结及展望光泵磁力计作为一种新型的室温下高精度场磁测量设备，具备造价成本低、无需超导环境、轻量可移动等特性，越来越广泛地应用在前沿的脑科学认知实验与脑神经疾病的临床辅助诊断中。无论是实现高信噪比的信号采集、精确的脑磁源重建和功能神经成像等科研目标，还是结合EEG、M RI 等其他手段进行临床辅助，都可以看出OPMs-MEG系统已经成为脑磁图研究领域不可或缺的重要助力。本文在阐述OPMs工作原理的基础上，从脑科学研究的多个领域介绍了OPMs-MEG的应用研究进展，并结合临床实际，着重说明了这一新型脑磁图系统在癫痫诊断中所能起到的重要作用。5.1现存问题虽然OPMs传感器有着种种非凡的潜力，但是它的推广普及与进一步深度研究仍然受到很多因素的制约。1)OPMs-MEG实际测量到的是在人头皮几毫米处各方向空间磁场的叠加，存在着不可避免的噪声干扰。实际上目前广泛使用的OPMs-MEG系统也都是在磁屏蔽与零场补偿的环境下,在较小的噪音底上对信号的变化进行时频分析以获取理想的脑磁信号观察方式。所以要想在人体大幅度运动的同时保证人脑的脑磁信号不被淹没在更大尺度的噪声中难以观察，就必须对磁屏蔽条件提出更严苛的要求，诸如研发更高屏蔽能力更大空间的磁屏蔽室，使用大规模的电磁线圈进行整体空间的磁场补偿等，使得传感器周围一直处在理想的低噪音底。同时,OPMs-MEG也对信号处理流程提出了高要求，需要强大的去噪算法才能保证MEG信号的准确性。2）即使目前商用的OPMs设备的成本已经远低于传统的SQUIDs设备，但是在电生理学的研究领域，OPMs设备每搭建一条通道所需要的价格仍是常规EEG设备的数倍，而且磁屏蔽室或磁屏蔽桶的造价同样高昂，难以帮助MEG研究下沉到广大脑研究科室。5.2展望针对目前OPMs-MEG系统对测量环境的严苛要求，目前研究人员采用了多种方法进行应对，如将实验在磁屏蔽室或磁屏蔽桶中进行，或者在外部施加磁补偿线圈。综合来看，可以尝试把多种抗干扰方式整合使用，来解决这一问题，如在磁屏蔽桶内部额外搭建小型磁补偿线圈，进一步降低测量位置的局部场强，或者在OPMs传感器中内置磁补偿算法，结合针对信号处理的去噪算法，提高信噪比。而MEG设备的成本问题可以利用OPMs可以自由设置传感器阵列的优势，面向不同科学问题研究专738中生42卷医国报学程学物门阵列，在保证测量精度的同时降低所需传感器数量，减少硬件开销。相信随着科技发展，这一新型传感器进一步小型化、精密化和造价进一步降低，会广泛应用于脑科学各个领域。参考文献1FaleyMI,KostyurinaEA,KalashnikovKV,etal.Superconducting quantum interferometers for nondestructiveevaluationJ.Sensors,2017,17(12):2798.2livanainen J,Zetter R,Parkkonen L.Potential of on-scalpMEG:Robust detecti