Uporaba optičnih magnetometrov v magnetoencefalografiji : doktorska disertacija

slovenski

doktorska dela

2023

biomagnetizem   disertacije   funkcionalno nevroslikanje   magnetoencefalografija   Magnetometri   optični magnetometri   Univerzitetna in visokošolska dela

Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in matematiko

Magnetoencefalografija (MEG) je neinvazivna tehnika v nevroznanosti, ki na podlagi merjenja magnetnega polja v bližini glave določa aktivnost v možganih. Glavna pomanjkljivost standardnega sistema MEG je uporaba tekočega helija za hlajenje superprevodnih magnetometrov SQUID. V zadnjem desetletju so se na trgu pojavili komercialni optični magnetometri (OPM), ki imajo nekoliko manjšo občutljivost kot magnetometri SQUID, vendar ne potrebujejo hlajenja in so prav tako primerni za meritve magnetnega polja v MEG. Ker ta nova generacija senzorjev deluje pri temperaturah bližje sobni temperaturi, jih lahko postavimo bližje glavi. Dosedanje teoretične raziskave kažejo, da ta premik znatno poveča razmerje signal-šum (SNR), zaradi česar pričakujemo večjo prostorsko ločljivost določanja aktivnosti v možganih. Trenutni sistemi MEG s senzorji OPM še niso tako razviti kot standardni sistemi SQUID. Pri meritvah smo pogosto omejeni z manjšim številom senzorjev, senzorji potrebujejo boljšo magnetno zaščito ter imajo malenkost slabši SNR kot senzorji SQUID. V našem delu smo preverili zmogljivost in uporabnost novejšega sistema OPM-MEG v primerjavi s sistemom SQUID-MEG. Z obema smo izvedli meritve zvočne stimulacije na osmih osebah. Pokazali smo, da je dvoslojna magnetno zaščitena soba z aktivno zaščito primerna za meritve z novimi senzorji OPM. Za značilni slušni odziv M100 smo rešili inverzni problem, tako da smo prilagodili tokovni dipol. Lokaciji in amplitudi prilagojenih tokovnih dipolov sta podobni za oba sistema. Primerjava dveh različnih sistemov ni preprosta. V našem delu predstavimo metodo, s katero lahko transformiramo in primerjamo podatke med različnimi sistemi MEG. Metoda najprej rekonstruira izvor za en sistem MEG in nato z uporabo direktnega modela izračuna magnetna polja na drugem sistemu MEG. Na primeru meritev zvočne stimulacije in računalniških simulacij smo preverili, kako različne metode rekonstrukcije ter različne komponente senzorjev OPM vplivajo na rezultate transformacije. Ugotovili smo, da so napake transformacij primerljive med sistemoma, kljub temu da imamo v sistemu OPM-MEG na voljo manj senzorjev kot v sistemu SQUID-MEG. Nekateri komercialni senzorji OPM omogočajo, da lahko hkrati merimo z več ortogonalnimi komponentami. Naredili smo numerično simulacijo za realne geometrije osmih oseb, kjer smo simulirali naključne izvore znotraj korteksa. Simuliranim magnetnim poljem smo dodali dve vrsti šuma: šum spontane možganske aktivnosti ter šum okolice. Preverili smo uspešnost različnih komponent sistemov OPM-MEG in SQUID-MEG, tako da smo za šumeče podatke rešili inverzni problem (prilagajanje tokovnega dipola). Pokazali smo, da ima normalna komponenta pri obeh sistemih MEG največjo vrednost magnetnega polja in posledično tudi najmanjšo lokalizacijsko napako. Uporaba več ortogonalnih komponent senzorjev OPM je smiselna le, kadar imamo majhno število senzorjev. Trenutne cene komercialnih senzorjev OPM znašajo približno nekaj tisoč evrov na senzor. Če želimo podobno kot pri sistemih SQUID-MEG pokriti celotno območje lasišča, potrebujemo vsaj 50 merilnikov OPM, kar zahteva precejšnji finančni vložek. Sistemi OPM-MEG zato v večini laboratorijev ne dosežejo popolne pokritosti. V tej nalogi uporabimo metodo, ki na podlagi velike baze meritev s statistično primerjavo določi optimalno postavitev senzorjev. Pokažemo, da lahko z optimalno postavitvijo omejenega števila (15) merilnikov OPM bolje rekonstruiramo možgansko aktivnost v primerjavi z naključno postavitvijo.

08.08.2023