医疗行业的革命！第一个适用于脑磁图的室温固态量子传感器

光子盒研究院出品

脑磁图(magnetoencephalography，MEG)是一种应用脑功能图像检测技术对人体实施完全无侵袭、无损伤的大脑研究和临床应用设备。

传统的脑磁图采用超导量子干涉仪(SQUID)实时地测量大脑磁场信号的变化，将获得的电磁信号转换成等磁线图，并与MRI解剖影像信息叠加整合，形成具有功能信息的解剖学定位图像，具有极高的时间和空间分辨率。

虽然SQUID-MEG已成功应用于实验和临床神经病学，但这种MEG系统有明显缺陷，由于SQUID必须配备低温冷却设备，这就导致了系统体积庞大，价格昂贵，持续补充用于冷却的液氮也导致其维护成本较高。

此外，SQUID-MEG在应用上也有局限性，特别是对于头部较小的群体(婴儿、儿童)。研究表明，对于成年人来说，传感器和人体头部之间的距离约为2-3厘米，对于儿童来说，这种距离明显增加，严重限制了设备的灵敏度。

传统的脑磁图系统

因此，能在室温下运行的便携式MEG系统成为了最近几年的研究热点。近日，在国际期刊Human Brain Mapping发表的论文中，来自俄罗斯量子中心、斯科尔科沃科学技术研究院和高等经济学院的研究人员介绍了第一个适用于脑磁图的室温固态传感器。

人类对MEG的首次演示可以追溯到1972年，当时D. Cohen使用SQUID记录人类的α活动。从那时起，MEG在医学和神经科学中的应用越来越广泛。

尽管SQUID-MEG在时间和空间分辨率方面具有独特优势，但前文所述的技术缺陷阻碍了MEG的广泛应用。目前，这种系统仅在全球几百个地方可用。

高温SQUID技术的最新进展可以解除一些传统MEG系统的限制，因为高温SQUID在液氮温度下(-196℃，相比液氦要高得多)运行，这大大降低了运行成本，并降低了对含有冷却剂的杜瓦瓶的要求。与传统的低温传感器相比，这种氮冷却的SQUID可以放在更靠近头皮的位置，并以更高的信噪比记录皮层源的活动。

尽管取得了一些进展，但这些传感器仍然体积庞大，因为它们仍然需要通过体积为1–1.5 L的低温恒温器冷却到液氮温度。

为了摆脱低温，人们还提出了其他方法，例如光泵磁力计(OPM)。2010年，P. D. Schwindt和C. N. Johnson首次演示了一种具有SQUID系统级灵敏度(<5 fT/√Hz)的非制冷传感器，他们使用光泵磁力计(OPM)记录大脑活动。这是一种紧凑型设备，主要由激光器、光电二极管和气室组成。气室是OPM的传感元件，含有碱金属钾、铯、铷或氦中的一种的蒸气。

1973年，科学家发现OPM的无自旋交换弛豫(SERF)运行模式降低了自旋交换强度，并允许读出细胞的集体磁矩。

在SERF模式下，磁力计在高碱金属蒸汽密度和接近零的背景磁场下工作，这使得OPM能够实现与SQUID系统相当的灵敏度。

OPM无需冷却至低温即可运行，可以在头部周围组装成灵活的阵列，适应任何头部尺寸和形状。这样一来，原子磁力计的敏感元件均匀地位于更靠近脑源的位置，因为气室和传感器外壳之间的距离只有6.5毫米。

目前，SERF OPM已经实现了几个多通道的实验室OPM-MEG系统，并运行稳健。2020年Borna等人研制的20通道系统能够通过标准峰值识别实现高质量的响应记录，同时显示出与SQUID记录的半定量相似性。英国诺丁汉大学在2020年研制的OPM-MEG系统则多达49个通道。而在最近的一份开发报告中，提到了一个432通道系统，该系统使用48个定制单元构建，每个单元包含9个气室。

诺丁汉大学OPM-MEG系统

这些OPM-MEG系统的发展有望彻底改变整个功能神经成像领域。OPM的商业应用开启了MEG的新时代，MEG扩展到传统上由EEG(脑电图)占据的领域，例如记录自由活动的人的脑电图和实验室外的大脑活动测量。

然而，非固体的性质、微加工的复杂性和高昂的价格被视为这一令人兴奋的技术更广泛应用的限制因素。为此，俄罗斯的研究人员介绍了第一个适用于MEG的固态传感器，该传感器根据磁通门原理在室温下工作，并使用形状合适的钇铁石榴石薄膜作为敏感元件。

在MEG应用中，本文介绍的钇铁石榴石磁力计(YIGM)中采用的高灵敏度磁通门技术可能提供一系列相比OPM和SQUID的优势。

首先，YIGM是固态的，具有宽动态范围，在室温下运行，与目前市售的基于SERF的OPM不同，每次使用前不需要校准。此外，YIGM的理论灵敏度小于1 fT/√Hz(越小越好)，结合其紧凑的尺寸和其他特性，使其成为多通道MEG应用的完美候选。在本次实验中，观察到灵敏度约为35 fT/√Hz，研究人员表示，在不久的将来可能会提高10倍。

研究人员使用YIGM传感器记录人类α节律的初步MEG可行性研究。具体方法是对OPM和YIGM传感器记录的人类α节律进行比较分析。人的脑电波有四大类(α波、β波、Q波和δ波)，由α波(频率在8-13Hz之间)描绘的脑电图就叫α节律。

上图为OPM-MEG(其中OPM由QuSpin公司生产)；下图为YIGM-MEG

研究人员使用OPM和YIGM系统分别进行了实验，然后对各自获得的α节律测量进行定量比较。结果表明，YIGM记录的α节律振幅与OPM基本一致。

左边为OPM-MEG记录的α波，右边为YIGM-MEG记录的α波

此外，研究表明，OPM的功耗为4.5 W，其中700 mW来自传感头本身。按这个数值计算，包含例如50个光电模块的头盔将具有大约35–40w的功耗。整个人体的功耗将大约为100 W。OPM还可能导致被检查者不适，以及仍有一些冷却需求。相比之下，YIGM在室温下工作，消耗约100mW，这解决了过热和被检测者不适的任何问题。最后，由于结构简单，与OPM和SQUID相比，YIGM可能更便宜。YIGM不包含寿命有限的零件，这使得它经久耐用，并保证性能不会下降。

另外需要强调的是，本次实验使用的YIGM传感器是第一个具有极低噪声水平的固态磁场传感器。原则上，固态传感器更容易集成和维护。该设备在室温下运行，首先，它比SQUID维护成本更低，其次，它可以进一步缩短传感器和脑源之间的距离。

根据理论估计，基于该技术的设备可以提供约1 fT/√Hz的灵敏度。这一事实和报道的观测结果证明，有必要进一步探索YIGM技术，并将其推向基于全固态磁场传感器的多通道MEG系统。这种设备的研制将是MEG硬件开发的重要一步，并将有助于彻底改变整个无创功能神经成像领域。

俄罗斯高等经济学院生物电气接口中心主任Alexey Osadchiy表示：“有了新的传感器，考虑到它们潜在的低成本和可靠性，我们可以希望在不久的将来，脑磁图技术将为更广泛的患者、医生和研究人员所用。这将提高医疗质量和包括癫痫在内的多种神经疾病的诊断准确性，并将进一步推动在健康和疾病中研究大脑的功能机制。”

论文链接；

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hbm.25582

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