Una habitación liviana protegida magnéticamente con blindaje activo

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 13561 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Las salas protegidas magnéticamente (MSR) utilizan varias capas de materiales, como MuMetal, para detectar campos magnéticos externos que, de lo contrario, interferirían con las mediciones de campos magnéticos de alta precisión, como la magnetoencefalografía (MEG). Los magnetómetros de bombeo óptico (OPM) han permitido el desarrollo de sistemas MEG portátiles que tienen el potencial de proporcionar un sistema funcional de imágenes cerebrales tolerante al movimiento con alta resolución espaciotemporal. A pesar de la gran promesa, los OPM imponen estrictos requisitos de blindaje magnético, operando alrededor de una resonancia de campo magnético cero dentro de un rango dinámico de ± 5 nT. Por lo tanto, los MSR desarrollados para OPM-MEG deben proteger eficazmente las fuentes externas y proporcionar un campo magnético remanente bajo dentro del gabinete. Los MSR existentes optimizados para OPM-MEG son costosos, pesados y difíciles de ubicar. Las bobinas electromagnéticas se utilizan para cancelar aún más el campo remanente dentro del MSR que permite los movimientos de los participantes durante la OPM-MEG, pero los sistemas de bobinas actuales son difíciles de diseñar y ocupan espacio en el MSR, lo que limita los movimientos de los participantes y tiene un impacto negativo en la experiencia del paciente. Aquí presentamos un diseño MSR liviano (reducción del 30 % en el peso y una reducción del 40 % al 60 % en las dimensiones externas en comparación con un MSR estándar optimizado para OPM) que da pasos significativos para abordar estas barreras. También diseñamos un sistema de blindaje activo de "bobina de ventana", que presenta una serie de bobinas rectangulares simples colocadas directamente en las paredes del MSR. Al mapear el campo magnético remanente dentro del MSR y el campo magnético producido por las bobinas, podemos identificar las corrientes de bobina óptimas y cancelar el campo magnético remanente sobre el metro cúbico central a solo |B|= 670 ± 160 pT. Estos avances reducen el costo, el tiempo de instalación y las restricciones de ubicación de los MSR, que serán esenciales para el despliegue generalizado de OPM-MEG.

Se necesitan entornos de campo magnético bajo, como salas protegidas magnéticamente (MSR), con perturbaciones mínimas de fuentes externas para experimentos de precisión, incluida la búsqueda del momento dipolar eléctrico de partículas fundamentales1 y registros biomagnéticos, como la magnetoencefalografía (MEG)2. MEG es una técnica de imagen cerebral funcional no invasiva que mide los campos magnéticos generados por las corrientes neuronales3. El modelado inverso se aplica a estos campos medidos para reconstruir la actividad neuronal subyacente con una excelente resolución espacial (~ 3 mm) y temporal (~ 1 ms)2,4, lo que ofrece una ventana única y no invasiva de la función del cerebro humano5. Sin embargo, el campo neuromagnético es del orden de 100 s de femtotesla (fT) en el cuero cabelludo, por lo que las fuentes de interferencia lo enmascaran fácilmente. Por lo tanto, un MSR es un componente crítico de un sistema MEG2.

Los escáneres MEG de última generación utilizan una matriz fija de dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID). Como estos sensores deben enfriarse a temperaturas de helio líquido, la geometría de un SQUID-MEG MSR se rige en gran medida por el requisito de que se coloque un recipiente criogénico dentro del escudo. Sin embargo, los desarrollos recientes en tecnologías cuánticas han dado lugar a sistemas MEG basados en magnetómetros de bombeo óptico (OPM)6,7,8. Los OPM disponibles comercialmente (como los proporcionados por QuSpin Inc. (Louisville, Colorado, EE. UU.) y FieldLine Inc. (Boulder, Colorado, EE. UU.)) son pequeños sensores de campo magnético integrados que aprovechan las propiedades cuánticas de los metales alcalinos9,10. Estos sensores se pueden montar en un casco portátil que permite que los participantes se muevan durante los estudios MEG11. Para alcanzar el nivel de sensibilidad requerido para medir señales MEG (señales de interés en el rango de 1 a 100 Hz, se requiere una sensibilidad de < 15 fT/√Hz), los OPM se operan alrededor de una resonancia de campo magnético cero, dentro de un rango dinámico estrecho de ± 5 nT12 y un ancho de banda de 0 a 130 Hz. Por lo tanto, los MSR para OPM-MEG deben filtrar la interferencia magnética de las fuentes dentro de este rango de frecuencia, al mismo tiempo que proporcionan un entorno en el que los campos magnéticos tienen una magnitud < 1 nT y los gradientes en el campo son < 1 nT/m. Esta actuación se requiere en un volumen lo suficientemente grande como para contener tanto la cabeza como el conjunto de sensores durante el rango esperado de movimientos del participante, de modo que cualquier cambio en el campo (ya sea inducido por una fuente externa o mediante la rotación/traslación de un sensor durante el movimiento del participante) movimiento) no envía ningún OPM fuera de su rango dinámico.

A diferencia de SQUID-MEG, el OPM-MEG portátil se puede realizar utilizando una amplia gama de formas y tamaños de MSR. Además de los escudos cúbicos fijos, se han utilizado escudos cilíndricos que se pueden reubicar fácilmente cuando el espacio es limitado (aunque tales diseños prohíben en gran medida el movimiento de los participantes)7. Para aprovechar todo el potencial de OPM-MEG y permitir un despliegue generalizado, los MSR deben optimizarse para proporcionar el entorno magnético necesario para el funcionamiento de OPM y, al mismo tiempo, abordar cuestiones clave como el coste, el peso, la comodidad y el impacto arquitectónico del escudo.

El blindaje pasivo de los campos magnéticos se logra encerrando los experimentos dentro de múltiples capas de un material con una alta permeabilidad magnética. Un material de uso común es MuMetal, que es una aleación de níquel-hierro de muy alta permeabilidad (\(\mu_{r}\) puede ser superior a 200 000 después de un tratamiento térmico para agrandar el grano del material). El mecanismo de derivación de flujo protege los campos magnéticos de baja frecuencia (CC a 10 Hz) al desviar las líneas de flujo hacia el MuMetal, donde siguen al MuMetal alrededor de la región protegida y salen por el otro lado del gabinete13. Para apantallar campos magnéticos de alta frecuencia (10 Hz a MHz), también se utiliza un material con una alta conductividad eléctrica (p. ej., cobre o aluminio). Las corrientes de Foucault en el material inducen un campo magnético que desvía el campo impuesto13. Las salas blindadas disponibles en el mercado actuales que están optimizadas para OPM-MEG emplean cuatro capas de MuMetal y una capa de cobre. Como resultado, estos MSR son pesados (> 10 toneladas), con estrictos requisitos de ubicación y una necesidad de trabajo de construcción sustancial. Esto, junto con los largos tiempos de fabricación e instalación, hace que sea muy deseable una mayor innovación en el diseño de MSR.

Aunque se puede lograr un alto factor de blindaje (la relación de la fuerza del campo magnético de la fuente de interferencia medida con y sin el blindaje) cuando se filtran fuentes externas, la naturaleza ferromagnética de MuMetal significa que los MSR a menudo tienen un campo magnético interno remanente de alrededor de 10 –30 nt14. Se pueden incorporar bobinas de desmagnetización en las paredes de MuMetal del MSR para reducir el campo remanente, de modo que, si se aplica una corriente sinusoidal decreciente a estas bobinas, el metal es conducido alrededor de su curva \(B {-} H\) hacia un punto de magnetización cero15,16. Luego, el campo magnético remanente se reduce a un nivel que depende de las elecciones de materiales (por ejemplo, el grosor de la capa, el espaciado de la capa y la permeabilidad del material) y las imperfecciones de ingeniería (como los orificios de acceso, las puertas y las juntas entre los paneles MuMetal). Por lo general, se logra una intensidad de campo de alrededor de 2 a 5 nT17.

Para compensar aún más el campo remanente (y permitir el movimiento de los participantes en OPM-MEG), se emplea un blindaje magnético activo donde se utilizan bobinas electromagnéticas para generar un campo magnético que es igual en magnitud, pero de dirección opuesta, al campo remanente. Las bobinas triaxiales de Helmholtz, o sistemas similares, se pueden usar para generar campos magnéticos conocidos en todas las orientaciones y compensar el campo remanente y los gradientes de campo8, pero estos diseños no son adecuados para su uso con sujetos humanos, ya que encierran a los participantes en un entorno incómodo. . Nuestro trabajo anterior demostró los primeros estudios OPM-MEG tolerantes al movimiento, utilizando bobinas biplanares de "huella digital". Estas bobinas se fabrican utilizando métodos de diseño de bobinas de gradiente MRI que restringen los devanados de la bobina a dos planos grandes (planos cuadrados de 1,6 × 1,6 m2 separados por 1,5 m). Estos se pueden colocar a ambos lados de un participante, lo que permite un fácil acceso18. Dichos sistemas ocupan espacio dentro del MSR y la cancelación de campo se limita a un volumen pequeño (0,4 × 0,4 × 0,4 m3) en el centro del espacio entre los planos de bobina. Además, aunque las bobinas de estos sistemas suelen estar diseñadas para generar un campo uniforme homogéneo distinto o un gradiente de campo sobre un volumen deseado, los campos producidos interactúan con las paredes de MuMetal del MSR, lo que provoca un cambio en la fuerza de campo esperada por unidad de corriente y una distorsión de la variación espacial del campo magnético, lo que dificulta la cancelación precisa si no se tienen en cuenta las interacciones en la etapa de diseño19,20,21. Por supuesto, es deseable acercar las trayectorias de los cables de la bobina a las paredes del MSR para maximizar el espacio disponible en el interior, aunque esto aumenta la fuerza de la interacción con el MuMetal.

Aquí describimos el diseño, la construcción, el funcionamiento y el rendimiento de una sala con blindaje magnético pasivo y activo, con dimensiones internas de 2,4 × 2,4 × 2,4 m3, que da pasos significativos para superar los desafíos descritos anteriormente. El MSR liviano está formado por dos capas de MuMetal y una capa de cobre, con espacios entre capas reducidos en comparación con los diseños anteriores. Las bobinas de desmagnetización están incorporadas en las capas de MuMetal. Para mejorar la eficiencia de blindaje del MSR más liviano, desarrollamos un nuevo sistema de blindaje activo de múltiples bobinas, la 'bobina de ventana', que presenta una serie de 27 bobinas rectangulares. Las dimensiones y posiciones de la bobina se optimizaron, teniendo en cuenta la interacción con las paredes MuMetal del MSR, y las bobinas construidas se colocaron directamente en las paredes del MSR para maximizar el espacio disponible en el MSR y mejorar significativamente la experiencia de los participantes en los experimentos MEG. Al mapear la fuerza y la variación espacial del campo magnético producido por cada bobina, y también mapear el campo magnético remanente, se identificaron las corrientes de bobina apropiadas para generar una superposición de patrones de campo magnético de las 27 bobinas que cancela el campo remanente en un gran ( 1 × 1 × 1 m3) volumen dentro del MSR. El rendimiento de blindaje del MSR se validó midiendo los factores de blindaje en un rango de frecuencias usando campos magnéticos controlados. También se recopilaron datos de ejemplo de ruido del sensor OPM en el MSR vacío para verificar su idoneidad para las grabaciones biomagnéticas.

El MSR descrito aquí se instaló en Young Epilepsy (Lingfield, Surrey, Reino Unido), una organización benéfica para niños y adultos jóvenes con epilepsia. El MSR fue diseñado para ser utilizado por un sistema OPM-MEG (Cerca Magnetics Limited, Kent, Reino Unido) en la investigación de la epilepsia. Además de garantizar el rendimiento magnético, las consideraciones estéticas fueron importantes para crear un entorno de escaneo cómodo para los pacientes jóvenes y sus familias.

Magnetic Shields Limited (MSL, Kent, Reino Unido) diseñó y construyó el ligero MSR (The Light MuRoom) que consta de dos capas (capas exterior e interior) de MuMetal de 1,5 mm de espesor y una capa (capa intermedia) de cobre de 4 mm de espesor. . Esta es una reducción significativa en la cantidad de material de blindaje en comparación con los MSR optimizados para OPM existentes, como el estándar MSL MuRoom22 en el Centro de imágenes Sir Peter Mansfield de la Universidad de Nottingham (UoN), que cuenta con dos capas exteriores de MuMetal de 1,5 mm de espesor, dos capas internas de MuMetal de 1 mm de espesor y una capa intermedia de cobre de 6 mm. Las modificaciones al diseño MuRoom estándar dan como resultado una reducción del 40 % en MuMetal y una reducción del 33 % en cobre reduce el peso total del MSR en alrededor de un 30 % a ~ 7 toneladas. El costo del material y el tiempo de instalación requerido también se reducen.

Para permitir la construcción en entornos de laboratorio y no laboratorios donde el espacio es limitado, también se redujo la distancia total entre las capas interna y externa. El MuRoom estándar tiene un volumen interno (x,y,z) (y es la dirección vertical) de 3 × 2,4 × 3 m3 y un volumen externo de 3,7 × 3,4 × 4,0 m3, mientras que Light MuRoom tiene un volumen interno utilizable de 2,4 × 2,4 × 2,4 m3 y un volumen exterior de aproximadamente 2,8 × 3 × 2,8 m3; una reducción de entre un 40 y un 60% en el espesor total de la pared a lo largo de las diferentes dimensiones del MSR. El espacio entre el MuMetal exterior y la capa de cobre es de ~ 0,1 m, y el espacio entre el cobre y la capa interior de MuMetal es de ~ 0,02 m.

El MSR se construyó con MuMetal y paneles de cobre montados en una estructura de aluminio que se colocó sobre una capa antivibratoria sobre una base de hormigón vertido. Los paneles de MuMetal más grandes tenían 1,11 × 0,55 m2 y los paneles de cobre más grandes tenían 0,76 × 0,76 m2. Esta fue una reducción de aproximadamente el 20 % en el área en comparación con los paneles MuMetal de 1,23 × 0,61 m2 y una reducción del 40 % en comparación con los paneles de cobre de 1 × 1 m2 utilizados en UoN MuRoom. Una reducción en el tamaño del panel MuMetal mejora la eficiencia de la producción, ya que más paneles pueden someterse a un tratamiento térmico en una sola ejecución, lo que reduce el tiempo y los costos de fabricación. Los paneles más pequeños también son más fáciles de manejar durante la instalación. Los paneles de blindaje de MuMetal en la capa exterior se colocaron a 90° en rotación plana con respecto a los de la capa interior para minimizar la fuga de flujo. La puerta MSR consta de tres bisagras y cuenta con una manija tipo palanca. Un mecanismo de liberación de emergencia permite el acceso al MSR en menos de veinte segundos en el improbable caso de que falle el mecanismo de bloqueo estándar, fundamental para obtener el acceso del paciente en caso de convulsiones. Se colocó iluminación LED a lo largo de los bordes del MSR para garantizar cambios mínimos de campo de CC en el centro de la habitación.

Se llevaron a cabo sesiones de consulta con los profesionales de la salud y los grupos de pacientes que utilizarían el MSR para determinar cómo proporcionar un entorno de exploración cómodo. El MSR se hundió en el suelo para que los participantes no tuvieran que subir un escalón al entrar. Los trabajos de construcción se llevaron a cabo después de la instalación para que la parte frontal del MSR sea una continuación de la sala en la que está situado, en lugar de una entidad separada. Para el participante, solo es visible la pared frontal del MSR; una habitación separada detrás de la pared contiene la parte trasera del MSR y se usa para alojar el equipo. Además, el piso del vestíbulo de espera era el mismo piso que en el MSR. Estos elementos crean un ambiente tranquilo para una grabación. En la Fig. 1 se muestran un modelo anotado generado por computadora y fotografías del MSR construido.

La habitación con blindaje magnético Light MuRoom. (a) Modelo informático del Light MuRoom, sección transversal que revela el marco y la estructura de las capas. (b) Fotografía del exterior del participante mirando hacia el lado del MSR. (c) Fotografía del interior del MSR con sistema portátil OPM-MEG montado en un maniquí de plástico.

La magnetización de MuMetal aumenta con el tiempo debido a las fluctuaciones del campo externo, como las que se manifiestan en el campo magnético de la Tierra. Este efecto se ve exacerbado al abrir y cerrar la puerta del MSR debido a los dominios magnéticos dentro del material que se mueven y se alinean con el campo de la Tierra. Para generar una magnetización repetible de MuMetal, se enrollaron bobinas de desmagnetización alrededor de cada cara de las capas interna y externa de MuMetal, con devanados equilibrados a ambos lados de las capas16. Las bobinas de las dos capas estaban conectadas en serie entre sí. Las corrientes se aplicaron a las bobinas a través de un convertidor digital a analógico (DAC) en una unidad de adquisición digital (DAQ) BNC-6212 de National Instruments (NI, Austin, Texas, EE. UU.) que emite a un AE Techron (Elkhart, Indiana, EE. UU.) Amplificador de potencia 7226 que se conectó a un lado de un transformador de señal 530-SU-7.5 de Bel (Lynbrook, Nueva York, EE. UU.) (para eliminar cualquier compensación de CC). El otro lado del transformador estaba conectado a las bobinas de desmagnetización. Se genera una señal sinusoidal que decae linealmente al interconectar el DAQ con un programa LabVIEW (NI). Los parámetros de forma de onda óptimos (frecuencia = 9,5 Hz, corriente máxima ~ 1,5 A, decaimiento durante 60 s) se encontraron empíricamente midiendo el campo magnético antes y después de la desmagnetización con un fluxgate triaxial Bartington (Mag-13, Bartington Instruments, Witney, Reino Unido). magnetómetro. La desmagnetización se realiza cada vez que se abre la puerta y el circuito amplificador se apaga antes de cualquier medición para evitar interferencias.

El componente vertical de la magnitud del campo magnético remanente posterior a la desmagnetización (medido con el magnetómetro fluxgate en el centro del MSR y en las esquinas de un volumen de 0,4 × 0,4 × 0,4 m3, antes de cualquier protección magnética activa) fue de 4,84 ± 0,39 nT ( media y desviación estándar, valor máx./mín. de 4,34/5,70 nT, blindaje del campo magnético terrestre por un factor de ~ 10.000). A modo de comparación, el MuRoom estándar logra un campo remanente < 2 nT en UoN22. Se desarrolló un blindaje magnético activo adicional para compensar aún más el campo remanente (consulte la sección "Resultados").

Para cuantificar el rendimiento del MSR, se tomaron medidas del factor de blindaje aplicando campos magnéticos conocidos en un rango de frecuencias antes y después de la instalación, utilizando el magnetómetro fluxgate interconectado con un DAQ Bartington Spectramag-6 de 24 bits para registrar datos. Preinstalación: una bobina electromagnética cuadrada de 5 vueltas (longitud lateral de 3,3 m desplazada, 500 mm desde la ubicación prevista de las paredes exteriores, campo producido orientado verticalmente desde el suelo hasta el techo) se instaló alrededor del perímetro de los cimientos de MuRoom en el piso. La bobina se accionó con formas de onda sinusoidales a frecuencias de 0,01, 0,1, 1, 10 y 100 Hz utilizando un amplificador de potencia AE Techron 7226. Las formas de onda se generaron utilizando el software Python personalizado y se generaron mediante un DAQ NI USB-6212. Una corriente de bobina de aproximadamente 2 A pk--pk generó un campo magnético sinusoidal con una amplitud de 20 µT pk--pk en el centro de la bobina en cada frecuencia. Las amplitudes de campo se midieron en un punto correspondiente al punto central interno de la construcción posterior de MuRoom. Una vez que se completó la instalación del MSR, se reconstruyó la bobina y se repitieron las mediciones del campo magnético. Las amplitudes de las señales de CA se tomaron de una transformada rápida de Fourier de los datos registrados. Las proporciones de los valores de campo medidos con y sin el MSR se usaron para estimar el factor de blindaje del MSR.

Para reforzar los efectos del blindaje pasivo y las bobinas de desmagnetización, desarrollamos un sistema de blindaje magnético activo al que nos referimos como "bobina de ventana". Se parametrizó el conjunto de bobinas de la ventana y se utilizó un enfoque adaptado de los sistemas de calce de múltiples bobinas de MRI23,24 para optimizar los parámetros de la bobina dentro de las restricciones establecidas por la geometría MSR y la electrónica de control25.

El sistema de bobina de ventana comprende seis conjuntos de cuatro bobinas unitarias electromagnéticas cuadradas, cada una formada por veinte vueltas de cable, dispuestas con simetría cuádruple en una sola cara del MSR. La disposición de la bobina en cada cara del MSR se caracteriza por tres parámetros:

\(L_{c}\), la longitud del lado cuadrado de cada bobina unitaria en la bobina de la ventana,

\(O\), el desplazamiento del centro de cada bobina unitaria cuadrada desde el centro de las bobinas de la ventana,

\(H\), el desplazamiento del centro de la bobina de la ventana desde el centro de la pared de MuMetal en la dirección vertical (\(y\)). Los conjuntos de bobinas están centrados en las dimensiones horizontales (\(x\) y \(z\)) de cada pared, como se describe en la Fig. 2a. Para facilitar la fabricación, se usaron los mismos valores de los parámetros \(O\) y \(L_{c}\) para todas las paredes del MSR. Para informar la elección de un conjunto óptimo de parámetros de bobina, llevamos a cabo un estudio de simulación para investigar la capacidad de una gama de diferentes diseños de bobina para producir un campo magnético deseado en una serie de "puntos objetivo" dentro del MSR.

El sistema de blindaje magnético activo de bobina de ventana. (a) Parametrización de la bobina de ventana. Cuatro bobinas cuadradas están dispuestas con simetría cuádruple en cada cara. La longitud del lado cuadrado de la bobina, el desplazamiento desde el centro de la ventana y el desplazamiento en el eje vertical se comparten entre todas las caras. Los parámetros de la bobina están optimizados para producir componentes conocidos de campo magnético sobre el metro cúbico central del MSR. (b) Bobina de ventana optimizada final con 24 bobinas cuadradas idénticas. Esta estructura es difícil de diseñar debido a la necesidad de incorporar la puerta de acceso y los puertos de proyección en paredes de 3/6. (c) El diseño adaptado tiene en cuenta la geometría del MSR y cuenta con 27 bobinas. (d) Dibujo de la esquina de un panel de bobina simple. Para acomodar 20 vueltas de cable en cada bobina, se dispone una serie de ranuras en forma de espiral en las que se coloca el cable de cobre. También se muestra la ruta de retorno del conductor. (e) Modelo final de la bobina de la ventana con todos los paneles. (f) Fotografía de los paneles de bobina instalados (bobinas de piso ocultas debajo del piso y bobinas de puerta ocultas por el ángulo de la fotografía) tomadas antes del revestimiento.

El campo magnético en un punto objetivo \({\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} \left( {x,y,z} \right)\) producido por una bobina unitaria cuadrada \(m \) (de un conjunto de \(M = 24\) bobinas unitarias), cuando lleva una unidad de corriente, se denota por \({\varvec{b}}_{{\varvec{m}}} \left( { {\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\). El campo magnético total, \({\varvec{B}}\left( {{\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\) en este punto objetivo de todas las bobinas en el sistema, con la bobina \(m^{th}\) transportando una corriente \(i_{m}\) (desde \(m = 1\) hasta la bobina \(m = M\)), es la suma vectorial de todas las contribuciones de la bobina, es decir

Expandir el cálculo sobre múltiples puntos objetivo permite la creación de una ecuación de álgebra lineal que se puede usar para encontrar las corrientes de bobina óptimas. En la forma \({\varvec{Ai}} = {\varvec{b}}_{{\varvec{t}}}\) definimos una matriz de 'campo directo' \({\varvec{A}}\ ), un vector de 'campo objetivo' \({\varvec{b}}_{{\varvec{t}}}\) y un vector de corriente de bobina \({\varvec{i}}\). La matriz de campo directo contiene los componentes del campo magnético \(B_{x}\), \(B_{y}\) y \(B_{z}\) generados por una unidad de corriente en cada bobina evaluada en cada uno de \(n = 1\) a \(N\) puntos de campo objetivo totales, por lo que tiene dimensiones \(3N\) filas por \(M\) columnas. El vector de campo objetivo \({\varvec{b}}_{{\varvec{t}}} \user2{ }\) tiene dimensiones \(3N\) filas por 1 columna y el vector actual \({\varvec{ i}}\) tiene dimensiones \(M\) filas por 1 columna. La matriz de campo directo se calcula utilizando los parámetros de la bobina, y el vector de campo objetivo está predefinido, por lo que deseamos encontrar el vector actual que mapea adecuadamente la matriz de campo directo al vector de campo objetivo. Para garantizar que las corrientes de bobina para un conjunto dado de parámetros sean físicamente manejables, minimizamos la norma \(||{ }{\varvec{Ai}} - {\varvec{b}}_{{{\varvec{t} }}}||^{2}_{2}\) sujeto a las restricciones de que el límite superior e inferior (\(ub\) y \(lb\)) de los valores permitidos de cualquier componente \(i_{m }\) del vector \({\varvec{i}}\) es \(lb \le i_{m} \le ub\) con los límites definidos por las especificaciones de la electrónica de control de la bobina. El problema se forma como

Para obtener una solución para \({\varvec{i}}\) usamos la programación cuadrática restringida25 convirtiendo la minimización en la forma

donde el superíndice \({\varvec{A}}^{T}\) denota la matriz transpuesta.

La proximidad de la bobina a las paredes del MSR significa que los campos magnéticos producidos por la interacción de las bobinas con las paredes de MuMetal deben tenerse en cuenta al diseñar un sistema de blindaje activo de alto rendimiento. Estas interacciones se han investigado previamente y se pueden evaluar utilizando un conjunto de corrientes de espejo virtual producidas a través del reflejo de las trayectorias de los cables de la bobina en las paredes del MSR19,26,27. Se aplican reflexiones recursivas de las trayectorias de los cables reflejados para garantizar que las condiciones de contorno se cumplan correctamente, de modo que los componentes del campo tangencial sean cero en la superficie interna formada por las paredes del MSR. Para garantizar que los campos magnéticos producidos por los diseños de bobina simulados reflejen el caso del mundo real, los efectos de las interacciones hasta los reflejos de tercer orden se incorporan a la matriz de campo directo. Asumimos que las bobinas están desplazadas de cada pared del MSR por 0,02 m al calcular la posición de los elementos reflejados. La suma vectorial del campo magnético producido por cada uno de los elementos reflejados en cada punto objetivo forma el valor del campo magnético \({\varvec{b}}_{{\varvec{m}}} \left( {{\varvec{ r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\) que se incorpora a la matriz de campo directo \({\varvec{A}}\).

Para optimizar los parámetros de las bobinas dentro de este marco, primero identificamos el rango de bobinas de ventana que podrían formarse, ya que cada parámetro que caracteriza a las bobinas tiene un valor máximo limitado por las dimensiones del MSR. La presencia de cableado de desmagnetización, paneles de revestimiento y pisos reduce el volumen utilizable final sobre el cual podemos montar paneles de bobina a \(\left( {l_{x} ,l_{y} ,l_{z} } \right) = \left ( {2,20 {\text{x}} 2,40 {\text{x}} 2,20} \right) {\text{m}}^{3}\) (sistema de coordenadas definido en la Fig. 2a,b, y es el dirección vertical desde el suelo hasta el techo). Como deseamos que todas las bobinas de ventana compartan los mismos parámetros, esto restringe los valores permitidos de \(L_{c}\) a \(L_{c} < \frac{{l_{x} }}{2}.\ ) Para un valor dado de \(L_{c}\) los valores de \(O\) se restringen a \(O < \frac{{l_{x} }}{2} - \frac{{L_{ c} }}{2}.\) Luego restringimos \(H\) para un valor dado de \(L_{c}\) y \(O\) tal que solo la ventana se enrolle en \(xy\) y las paredes \(zy\) del MSR tienen un \(H\) distinto de cero, cuyos valores están restringidos a \(H < \frac{{l_{y} }}{2} - \frac{{L_{ c} }}{2} - O.\)

Para un conjunto dado de parámetros de bobina, encontramos los vectores de corriente que mejor generan diez vectores de campo objetivo diferentes: los tres componentes de campo uniformes y (para garantizar que los gradientes de campo magnético estén bien equilibrados, con simetría que surge de \(\nabla \cdot { \varvec{B}} = 0\) y, en la región libre actual encerrada por los puntos objetivo, \(\nabla \times {\varvec{B}} = 0\)) 7 (lineales) componentes de gradiente de campo (cuatro se usaron gradientes longitudinales y tres gradientes transversales, ver la lista completa en el Apéndice 1 en línea). Para cada combinación de parámetros de bobina y cada uno de los 10 componentes de campo, \(fc\), un valor de la calidad de la solución \(Q_{fc} = ||{\varvec{Ai}} - {\varvec{ b}}_{{{\varvec{t}}}}||^{2}_{2}\) se calcula. Como es probable que los parámetros óptimos de la bobina sean diferentes para diferentes componentes de campo, se calcula un valor de calidad combinado final, \(F\), a partir de los 10 valores individuales, \(F = \mathop \sum \limits_{fc = 1}^ {10} \sqrt {Q_{fc}^{2} }\).

Los parámetros de la bobina que minimizan el valor de \(F\) se encuentran utilizando MATLAB (Mathworks, Natick, MA, EE. UU.). La función de minimización restringida de MATLAB fmincon varía los valores de \(L_{c}\), \(O\) y \(H\) de acuerdo con las restricciones anteriores (no se consideraron valores negativos de \(H\)). El campo magnético de cada bobina unitaria se calculó utilizando la ley de Biot-Savart, donde el campo calculado para una unidad de corriente se multiplicó por 20 para dar cuenta de 20 vueltas de cable. La intensidad del campo objetivo para cada componente se fijó en 5 nT y 5 nT/m para los componentes de campo magnético y gradiente de campo magnético, respectivamente. En cada caso, el campo objetivo se calcula sobre una cuadrícula cúbica de resolución regular de 0,05 m (\(N = 9261\) puntos objetivo en total) que abarca un volumen de 1 × 1 × 1 m3 en el centro de la parte utilizable del campo. habitación. La caja de herramientas de optimización de MATLAB presenta una función de programación cuadrática restringida quadprog que se utilizó para resolver la ecuación. (3) y obtenga los vectores de corriente óptimos para producir cada componente de campo para cada diseño de bobina con corrientes ligadas a \(- 0,1 {\text{A}} \le i_{m} \le + 0,1 {\text{A}} \). Se encontró que los parámetros óptimos de la bobina eran \(L_{c} = 1 {\text{m}}\), \(O = 0,55 {\text{m}}\) y \(H = 0,08 {\text{ metro}}\). Este diseño se muestra en la Fig. 2b.

En la práctica, el diseño de MSR presenta varias áreas 'prohibidas' en las paredes internas, como los sitios de guías de ondas para cableado de equipos, orificios para proyección visual y una gran puerta de acceso para participantes y experimentadores. La ubicación de estas características hace que el diseño optimizado de la bobina (Fig. 2b) sea difícil de realizar. Por lo tanto, los parámetros óptimos se usaron como guía para adaptar el diseño para acomodar las regiones prohibidas en la superficie de la estructura Light MuRoom. La Figura 2c muestra el diseño de la bobina adaptada. No se realizaron cambios en el piso y la pared de la derecha. Había agujeros para la proyección visual en la pared izquierda, la pared trasera y el techo, lo que significa que el diseño de la bobina en estas paredes se adaptó para presentar cinco bobinas en lugar de cuatro. Se colocaron dos bobinas rectangulares a ambos lados del orificio del proyector y se colocó una bobina rectangular más pequeña alrededor del orificio del proyector. En el frente de la puerta, se usaron cuatro bobinas con dos extendidas hasta el borde de la puerta, mientras que se agregaron dos bobinas más pequeñas a la puerta misma. Se demostró que el diseño de 27 bobinas aumenta ligeramente (lo que indica un rendimiento más bajo) el factor de calidad final en un 2 %. La Figura 3 muestra contornos simulados sobre los puntos objetivo para un ejemplo de campo uniforme (\(B_{z}\), Fig. 3a), un gradiente de campo longitudinal (\(dB_{x} /dx = - dB_{y} /dy \), Fig. 3b) y un gradiente de campo transversal (\(dB_{x} /dz = dB_{z} /dx\), Fig. 3c). El campo magnético en cada punto de destino en el mapa de campo se normalizó al campo de destino o intensidad de gradiente de campo (5 nT o 5 nT/m) para mostrar la desviación de la uniformidad de campo o gradiente sobre los puntos de destino. Notamos la alta uniformidad del componente de campo uniforme, < 3% de desviación sobre el volumen de 1 × 1 × 1 m3. Esto se degrada a > 20 % de desviación para el gradiente longitudinal (Fig. 3b) y > 30 % de desviación para el gradiente transversal (Fig. 3c). Los contornos del campo restante y los componentes de gradiente se muestran en el Apéndice 1 en línea.

Componentes de campo magnético simulado producidos por el sistema de blindaje magnético activo de bobina de ventana. Contornos de la variación del campo magnético para (a) un campo magnético uniforme \(B_{z}\), (b) un gradiente de campo longitudinal \(dB_{x} /dx = - dB_{y} /dy\) y ( c) un gradiente de campo transversal \(dB_{x} /dz = dB_{z} /dx\). Todos los contornos se muestran en tres planos (dispuestos de izquierda a derecha): z = 0 m |x|, |y|< 0,5 m, y = 0 m |x|, |z|< 0,5 m y x = 0 m | z|, |y|< 0,5 m respectivamente. Los valores de campo en cada punto objetivo se normalizan al campo objetivo o la intensidad del gradiente de campo (de 5 nT o 5 nT/m) para mostrar la desviación de la uniformidad. Los contornos de los componentes restantes del campo magnético se muestran en el Apéndice 1 en línea.

Cada panel de bobina se construyó colocando alambre de cobre aislado de 0,65 mm de diámetro en ranuras de 3 mm mecanizadas en paneles de plástico de 10 mm de espesor. Las ranuras se dispusieron en un patrón en espiral para facilitar la construcción que acomodaba 20 vueltas con la longitud lateral promedio de la bobina a través de las vueltas correspondientes a los parámetros óptimos de la bobina, como se muestra en la Fig. 2d. La Figura 2e-f muestra el diseño del panel. El patrón en espiral tiene un efecto mínimo en el campo producido en el centro del MSR en comparación con las trayectorias de cables rectangulares utilizadas en la simulación. La resistencia e inductancia de la bobina varían según el tamaño del panel, pero los valores máximos fueron 4,99 Ω y 1,25 mH respectivamente. Los paneles se montaron en las paredes del MSR y se conectaron a una caja de conexiones que, a su vez, está conectada a un gabinete electrónico. El gabinete de la electrónica contiene nueve controladores de voltaje de bajo ruido de QuSpin Inc. (http://quspin.com/low-noise-coil-driver/). Cada controlador controla tres bobinas y cada canal se configuró para proporcionar hasta ± 68 mA de corriente a partir de un voltaje de entrada de ± 10 V. Los voltajes de entrada a los controladores de bobina son suministrados por una serie de DAC NI-9264 de 16 bits de National Instruments que son controlados por un NI-cDAQ-9174 DAQ y LabVIEW.

Para anular el campo magnético remanente, empleamos el método descrito por Rea et al.28 que utiliza el seguimiento óptico de una matriz móvil de sensores de campo magnético para generar un modelo armónico esférico del campo magnético en el MSR29. Montamos dos magnetómetros de flujo triaxial (Bartington Mag-13MSL100, variante de bajo ruido con rango dinámico de ± 100 µT, precisión < 1 nT, ruido < 6 pTrms/√Hz a 1 Hz) junto con un conjunto de cinco marcadores reflectantes infrarrojos, en un soporte de plástico unido a un palo de plástico, como se muestra en la Fig. 4a. Se colocaron cuatro cámaras de seguimiento óptico (OptiTrack Flex 13, NaturalPoint Inc., Corvallis, Oregón, EE. UU.) en las esquinas superiores de la habitación, como se muestra en la Fig. 4b. Las cámaras rastrean la posición de los marcadores reflectantes y usan las coordenadas combinadas de una serie de marcadores (Fig. 4a) que están fijos entre sí (formando un cuerpo rígido) para inferir un seguimiento de seis grados de libertad (traslación y movimiento). rotación) del cuerpo rígido con precisión submilimétrica y sub-1 grado.

Compensación activa del campo magnético remanente utilizando un método de mapeo de campo. (a) Dos magnetómetros de compuerta de flujo triaxial unidos a una barra de plástico. Una serie de cinco marcadores reflectantes infrarrojos también se adjuntan a la barra que permite el seguimiento óptico de la posición y orientación de los sensores dentro del MSR. (b) Esquema de la configuración del mapeo de campo. Las cámaras de rastreo están montadas en las esquinas del MSR y resaltadas en azul. El volumen negro discontinuo muestra el volumen central en metros cúbicos dentro del cual se movió el palo. Las marcas resaltadas en verde muestran el camino que siguieron los magnetómetros fluxgate durante el proceso de mapeo de campo, cubriendo la mayor parte del metro cúbico central del MSR. (c) Datos del magnetómetro de un solo componente de un sensor triaxial medidos cuando se activó una sola bobina. Al combinar los datos de todos los magnetómetros con los datos de seguimiento óptico, se puede usar un modelo armónico esférico para aproximar la fuerza y la variación espacial del campo producido por cada bobina. (d) El trazo rojo muestra el campo magnético medido por un magnetómetro en el MSR con todas las bobinas apagadas. El modelo de campo magnético de cada bobina se usó para calcular los voltajes de bobina que producen el campo de anulación requerido. Una vez aplicados los voltajes, se volvió a realizar el mapeo. El trazo azul muestra los datos del magnetómetro después de la anulación donde las traslaciones y rotaciones similares del sensor producen poco o ningún cambio en el campo medido. (e) El mapeo de campo y la anulación se repitieron 8 veces. El gráfico de barras muestra un campo remanente constante después de la desmagnetización y una reducción constante en la magnitud RMS de los tres componentes de campo uniformes encontrados por el modelo cuando se aplica la compensación. (f) Se observa una reducción similar en la magnitud RMS de los cinco componentes del gradiente de campo.

Se midieron las posiciones fijas de los volúmenes sensibles de los sensores fluxgate con respecto al centro de masa del cuerpo rígido, lo que permitió combinar los datos de seguimiento óptico con los datos del magnetómetro para producir un ajuste preciso a un modelo del campo magnético. Los datos de Fluxgate se recolectaron a 1200 Hz utilizando un convertidor analógico a digital (ADC) NI-9205 de 16 bits interconectado con LabVIEW. Los datos de seguimiento óptico se recopilaron a 120 Hz utilizando la plataforma de software OptiTrack Motive interconectada con MATLAB a través de Motive NatNet SDK (V3.1). Los datos del magnetómetro se filtraron en paso bajo a 10 Hz y se muestrearon a 120 Hz para que coincidieran con la frecuencia de muestreo del sistema de seguimiento óptico. Los datos de seguimiento óptico también se filtraron en paso bajo a 10 Hz. Se utilizó una señal de activación para sincronizar las dos grabaciones. Ambos flujos de datos se corrigieron para reflejar los cambios en el campo magnético y en la posición y orientación del sensor en relación con el primer punto de tiempo. Elegimos un modelo de campo magnético armónico esférico de tercer orden con tres campos uniformes, cinco gradientes de campo y siete términos de curvatura (que varían con el cuadrado de la distancia) (todos los términos enumerados en la Tabla 2), de modo que el método arroja un total de quince ajustes. coeficientes que describen la fuerza relativa de cada componente armónico esférico en el modelo.

Para usar los coeficientes de mapeo de campo para seleccionar corrientes de bobina de ventana para la anulación de campo, primero mapeamos el campo magnético remanente (después de la desmagnetización de la habitación) sobre el metro cúbico central del MSR, realizando una serie de rotaciones y traslaciones de los magnetómetros fluxgate. . Este proceso dura aproximadamente 2 min. Se realizó el mismo conjunto de rotaciones y traslaciones para producir todos los mapas de campo. En la Fig. 4b se muestra un ejemplo del volumen mapeado. Luego aplicamos 5 V a una sola bobina usando los DAC y volvimos a mapear el campo. En la Fig. 4c se muestra un ejemplo de ajuste al campo magnético generado por una bobina. Al restar los coeficientes encontrados para el campo remanente de los encontrados cuando se encendió la bobina y dividirlos por 5, obtenemos el cambio en cada componente de nuestro modelo de campo magnético que se genera por una unidad de voltaje aplicado. Al repetir para las 27 bobinas, podríamos construir una matriz de calibración de bobina, que describe el cambio en cada componente de campo generado por una unidad de voltaje aplicada a cada bobina. La pseudo-inversa de esta matriz se puede usar para identificar los voltajes de bobina que mejor producen el campo requerido para cancelar el campo remanente. El coeficiente de correlación entre el ajuste de nuestro modelo y los datos medidos fue > 0,98 para cada bobina, lo que sugiere un buen modelo y valores de calibración de bobina precisos. La etapa de calibración tarda ~ 1 h en completarse, pero solo se realiza una vez.

Investigamos el rendimiento del método de anulación y mapeo de campo desmagnetizando primero el MSR, luego mapeando el campo magnético remanente y calculando los voltajes de bobina necesarios para cancelar este campo magnético. Una vez que se aplicaron estos voltajes de anulación, volvimos a mapear el campo magnético dentro del MSR, esperando ver una disminución en los cambios en el campo magnético experimentado por los fluxgates a medida que se mueven por el mismo camino. La anulación se repitió ocho veces para evaluar la repetibilidad tanto del proceso de desmagnetización como del nivel de cancelación de campo que se podía lograr.

La Tabla 1 muestra los factores de blindaje medidos del MSR en un rango de frecuencias dentro del ancho de banda OPM.

La traslación máxima del centro de masa de los marcadores de seguimiento óptico desde el centro del volumen cartografiado fue (x,y,z) (0,32 ± 0,08 m, 0,50 ± 0,06 m, 0,44 ± 0,06 m) y (0,30 ± 0,04 m , 0,48 ± 0,04 m, 0,41 ± 0,06 m) antes y después de la anulación respectivamente (media ± desviación estándar de las 8 repeticiones). La rotación máxima del centro de masa de los marcadores de seguimiento óptico sobre el origen en los ejes x,y,z fue (50 ± 10°, 28 ± 3°, 40 ± 10°) y (50 ± 10°, 28 ± 5°, 40 ± 10°). La consistencia del movimiento sugiere que los cambios en el modelo de campo magnético se deben a un cambio en el campo magnético del MSR. Los cursos de tiempo de la variación del campo medidos por uno de los magnetómetros antes y después de la anulación del campo se muestran en la Fig. 4d. Se muestra una clara reducción en el tamaño de los artefactos durante el movimiento del sensor cuando las bobinas están activas. La Figura 4e muestra una disminución en la magnitud de las tres componentes uniformes del modelo armónico esférico de \(\left| {\varvec{B}} \right| = 6.13 \pm 0.15\) nT a \(\left| {\ varvec{B}} \right| = 0.67 \pm 0.16\) nT (media ± desviación estándar de las 8 repeticiones) antes y después de aplicar los voltajes de bobina. La Figura 4f muestra una disminución en la magnitud de los cinco componentes del gradiente de campo desde \(\left| {\varvec{G}} \right| = 2,67 \pm 0,30\) nT/m hasta \(\left| {\varvec{ G}} \right| = 1,02 \pm 0,46\) nT/m. La Tabla 2 resume el cambio en cada uno de los quince componentes en el modelo armónico esférico, se observa reducción en todos los componentes de campo y gradiente uniformes. Aunque se observa un aumento en algunos componentes de curvatura, su fuerza es de ~ 1 nT/m2, y la variación con el cuadrado de la distancia significa que estos términos tienen un impacto mínimo en el campo al nivel de ruido de los sensores fluxgate. La desviación estándar promedio (\(\sigma\)) de los seis cursos de tiempo individuales de los datos fluxgate utilizados para generar los ajustes del modelo se redujo de \(\sigma = 0.84 \pm 0.15\) a \(\sigma = 0.24 \pm 0.02\ ) nT antes y después de la anulación del campo respectivamente. El coeficiente de correlación promedio (\(r\)) en los 6 canales del magnetómetro se redujo de \(r = 0,96 \pm 0,02\) a \(r = 0,45 \pm 0,09\) antes y después de la anulación del campo. La reducción del coeficiente de correlación sugiere que el campo magnético se compensa con el nivel de ruido de las compuertas de flujo; es decir, quedan pocos artefactos en los datos que se correlacionan con las traslaciones y rotaciones del sensor. Estos resultados muestran que la bobina de ventana y el método de mapeo de campo permiten una compensación efectiva del campo magnético remanente dentro del MSR.

Se colocaron ocho magnetómetros de campo cero QuSpin (QZFM, 3.ª generación, variante de doble eje, sensibilidad < 15 fT/√Hz en una banda de 3–100 Hz) en el centro de la sala. El MSR fue desmagnetizado antes de las grabaciones. Cada uno de los QZFM se configuró para medir dos componentes del campo magnético. Los datos se registraron durante 10 min a 1200 Hz usando un NI-9205 ADC. Como los voltajes de bobina encontrados en los experimentos anteriores usaban < 1 % del rango dinámico de los DAC, se agregó una resistencia de 2 kΩ en serie a cada bobina para que se pudiera usar el 30 % del rango dinámico. Esta resistencia adicional también reduce el ruido de corriente que se traduce en ruido de campo magnético dentro del MSR. Se tomaron dos grabaciones: con y sin el sistema de bobina de ventana encendido. La Figura 5a muestra los datos del transcurso del tiempo registrados por estos sensores durante el experimento con la bobina de la ventana encendida. La Figura 5b muestra la densidad espectral de potencia de los datos para ambos casos, analizada mediante una ventana plana y segmentando los datos en fragmentos de 10 s, antes de calcular la densidad espectral de potencia utilizando la función de periodograma de MATLAB y luego promediando los resultados. La PSD media se traza como una línea sólida (azul/rojo para las bobinas encendidas/apagadas) y el rango en todos los canales se indica en las áreas sombreadas. Los datos muestran desviaciones de campo de baja frecuencia de ~ 300 pT en 10 min. El nivel medio de ruido dentro de las bandas de frecuencia de interés para las oscilaciones neuronales (con/sin la bobina de ventana encendida respectivamente) fue: delta (0,5–4 Hz) 43/38 fT/√Hz, theta (4–8 Hz) 16 /13 ft/√Hz, alfa (8–12 Hz) 14/13 fT/√Hz, beta (13–30 Hz) 14/12 fT/√Hz y gamma (30–100 Hz) 12/11 fT/√ Hz. El rango entre los sensores es comparable para las dos condiciones. Es probable que este rendimiento proporcione un entorno adecuado para las grabaciones OPM-MEG.

Datos OPM tomados en el Light MuRoom. ( a ) Cursos temporales del cambio en el campo magnético experimentado por ocho OPM de doble eje (16 canales en total) que se colocaron en el centro del MSR vacío con el sistema de bobina de ventana encendido. Cada OPM se configuró para medir dos componentes del campo magnético. Durante 10 minutos, el cambio en el campo es de ~ 300 pT, lo que indica un buen rendimiento de blindaje y un entorno magnético silencioso. (b) Media y rango (sombreado) de la densidad espectral de potencia de los datos recopilados de los OPM con y sin el sistema de bobina de ventana activo. La línea discontinua negra indica 15 fT/√Hz. Los datos sugieren que el MSR es un entorno adecuado para OPM-MEG y que el sistema de bobina no agrega ruido de campo magnético adicional.

Los MSR livianos, que se pueden ubicar fácilmente, son cruciales para el despliegue generalizado de los sistemas OPM-MEG. El proceso de diseño implicó reducir a la mitad el número de capas de MuMetal, reducir el espaciado de las capas y reducir el grosor del cobre en comparación con un MSR optimizado para OPM existente. Cada cambio tendrá un impacto negativo en el factor de blindaje del MSR, pero la Tabla 1 demuestra que, a pesar de estos cambios, se logran factores de blindaje altos que brindan un rendimiento suficiente para obtener datos de OPM utilizables (Fig. 5). Notamos que el MSR estaba ubicado en un sitio con perturbaciones magnéticas mínimas, queda por ver si este rendimiento sería adecuado para un entorno más desafiante, como el centro de una ciudad o un hospital, sin técnicas adicionales, como operar las bobinas en un circuito de retroalimentación constante con sensores de referencia fijos para cancelar los cambios de campo de baja frecuencia. La tasa de cambio de campo que se puede generar accionando una bobina de inductancia \(L\) y eficiencia \(\eta\) con tensión de excitación \(V\) está dada por \(dB/dt = \eta V/ L\). Ajustando \(\eta\) al campo máximo por unidad de corriente requerido por cualquiera de las 27 bobinas para generar un campo \(B_{x}\) uniforme en el centro de la MSR de 4.6 nT/mA, encontramos que se puede lograr una tasa de cambio de campo de 3,5 nT/ms con \(V = 1\) V. Dado que \(\left| {\frac{{d{\varvec{B}}}}{dt}} \right | \propto \omega \left| {\varvec{B}} \right|\) para una forma de onda sinusoidal, esto permite la generación de un campo de más de 5 nT de amplitud incluso a 100 Hz, que es más que adecuado para cancelación de campo en el rango de frecuencia que es relevante para MEG. A frecuencias más altas (> 1 kHz) el acoplamiento entre el campo magnético generado por las bobinas y el MuMetal muestra una importante dependencia de la frecuencia, produciendo variaciones en la fuerza, fase y variación espacial de los campos. Aunque la operación dinámica de las bobinas se centraría en los efectos de baja frecuencia, la operación a una frecuencia más alta podría ser posible mediante un modelado preciso de la interacción MuMetal para diferentes regímenes de frecuencia o se podrían emplear algoritmos adaptativos durante los procesos de retroalimentación constante. La optimización de la capa de cobre para mejorar el blindaje a frecuencias más altas también podría usarse para mejorar aún más las mediciones del factor de blindaje y permitir el despliegue del MSR en entornos más ruidosos.

Los sistemas de bobina electromagnética para la compensación del campo magnético remanente de un MSR han formado un área clave de desarrollo para MEG basado en OPM. El trabajo anterior ha implicado el diseño y la construcción de sistemas biplanares14,19 y de bobina de Helmholtz8, cada uno con una serie de bobinas distintas que generan componentes conocidos de campo magnético o gradiente de campo. La compensación de los campos magnéticos y las derivas de los campos de baja frecuencia a los niveles inferiores a nT necesarios para el funcionamiento del sensor se ha logrado en pequeños volúmenes que abarcan conjuntos de OPM montados en la cabeza que experimentan movimientos limitados. Se ha demostrado que la incorporación de las interacciones de los campos producidos con las paredes de MuMetal del MSR mejora la calidad de los patrones de campo producidos por tales bobinas21, lo que podría proporcionar una anulación de campo más precisa. Se han desarrollado técnicas de diseño de bobinas y paquetes de código abierto para una variedad de geometrías de pantallas y bobinas20,30. Sin embargo, las rutas de cableado elaboradas y las múltiples capas de bobina requeridas por estos sistemas conducen a un proceso complejo de fabricación e instalación. La extensión espacial limitada de la región abarcada por las soluciones de bobina anteriores (por ejemplo, dos planos de 1,6 × 1,6 m2 separados por 1,5 m) ha tenido un impacto significativo en la región utilizable del MSR, lo que limita la medida en que se puede lograr un entorno de escaneo cómodo.

El sistema de bobina de ventana y los métodos de compensación de campo que hemos descrito tienen tres ventajas clave sobre las técnicas existentes: (1) La fabricación se simplifica, con bobinas cuadradas/rectangulares que se pueden colocar de manera flexible en la superficie interna del MSR. (2) La calibración y el funcionamiento de la bobina se basan en datos, lo que tiene en cuenta cualquier imperfección de campo que no se pueda modelar con precisión. (3) Las bobinas se pueden configurar para producir campos magnéticos dentro de un volumen definido por el usuario, 'rediseñándose' efectivamente para adaptarse a su entorno. Esta flexibilidad presenta oportunidades únicas. El gran volumen de compensación que se describe aquí permite una amplia gama de movimientos de los participantes, pero las bobinas también se pueden ajustar para compensar volúmenes más pequeños, como el casco OPM-MEG. Al monitorear continuamente la posición de la cabeza con cámaras de seguimiento óptico y combinar el modelado de campo con los datos recopilados por los sensores OPM en el casco MEG, las bobinas podrían operarse de manera factible en un modo de retroalimentación constante para actualizar continuamente la ubicación del volumen protegido, un mayor ventaja de un sistema de múltiples bobinas. Los OPM también serían sensibles al campo residual que las compuertas de flujo no pueden detectar, mejorando así el rendimiento de la anulación del campo. La estabilización dinámica de esta manera eliminaría las 'desviaciones' de baja frecuencia presentes en los datos de OPM que se muestran en la Fig. 5a. Estos avances podrían permitir experimentos que requirieran movimiento ambulatorio, un paso clave para aprovechar todo el potencial de OPM-MEG.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

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Este trabajo fue apoyado por una subvención de I+D colaborativa de Innovate UK (Light MuRoom, Ref: 104604), el Quantum Technology Hub in Sensing and Timing del Reino Unido, financiado por el Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) (EP/T001046/1) y un Premio Colaborativo Wellcome en Ciencias (203257/Z/16/Z y 203257/B/16/Z).

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Epilepsia joven, St. Piers Lane, Lingfield, Surrey, RH7 6PW, Reino Unido

romero pardington

Departamento de Física, Universidad Técnica de Múnich, 85748, Garching, Alemania

Pedro Fierlinger

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El estudio fue diseñado y concebido por NH, DW, TMT, RP, GRB, MJB y RB Los experimentos fueron realizados y analizados por NH, MR, JC, LJE, JL, PP, JW y NM Todos los autores contribuyeron al diseño, construcción e instalación de la instalación, interpretación de resultados y redacción del manuscrito.

Correspondencia a Niall Holmes.

DW es el director general de Magnetic Shields Limited, la empresa que diseñó y construyó la sala protegida magnéticamente descrita en este trabajo. JC, PN, SP, PP, JW y NM son empleados de Magnetic Shields Limited. PF recibe compensación como asesor científico de Magnetic Shields Limited. EBDW y MJB son directores de Cerca Magnetics Limited, una empresa spin-out cuyo objetivo es comercializar aspectos de la tecnología OPM-MEG. Los productos Cerca incluyen salas protegidas magnéticamente para mediciones biomagnéticas de Magnetic Shields Limited. EB, MJB, RB, NH y RH son accionistas fundadores de Cerca Magnetics Limited y RB, NH y RH forman parte del consejo asesor científico. ED y CM son empleados de Cerca Magnetics Limited. VS es el director fundador de QuSpin Inc., una entidad comercial que vende los magnetómetros OPM utilizados en este trabajo. JO es un empleado de QuSpin Inc. RP es el Director de Atención Integrada en Young Epilepsy, la organización benéfica donde se instaló la sala protegida magnéticamente descrita en este trabajo. NH, JC, DW, PG, MJB y RB declaran que tienen una patente pendiente ante la Oficina de Propiedad Intelectual del Gobierno del Reino Unido (Solicitud No. GB2109459.4) con respecto a los sistemas de blindaje magnético activo descritos en este trabajo. Los autores restantes, MR, JL, LJE, TMT, SM, GCO y GRB, declaran no tener intereses en conflicto.

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Reimpresiones y permisos

Holmes, N., Rea, M., Chalmers, J. et al. Una habitación liviana protegida magnéticamente con blindaje activo. Informe científico 12, 13561 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17346-1

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Recibido: 31 enero 2022

Aceptado: 25 julio 2022

Publicado: 09 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17346-1

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