[論文レビュー] SQUID-based multichannel system for Magnetoencephalography

S. Rombetto, C. Granata+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ナポリのシビネチカ研究所で開発された163チャネルのSQUIDベースのマグネトエンセファログラフィー（MEG）システムを提示している。このシステムは、ヘリメット型アレイに154本の軸対称グラディエンターSQUIDと9本のリファレンスベクトル磁力計を備え、磁気遮蔽室内で安定した高感度性能を示し、磁界の白色ノイズレベルは約5 fT/Hz¹²に達している。これは臨床的および日常的な神経科学的応用に適した性能である。

ABSTRACT

Here we present a multichannel system based on superconducting quantum interference devices (SQUIDs) for magnetoencephalography (MEG) measurements, developed and installed at Istituto di Cibernetica (ICIB) in Naples. This MEG system, consists of 163 full integrated SQUID magnetometers, 154 channels and 9 references, and has been designed to meet specifications concerning noise, dynamic range, slew rate and linearity through optimized design. The control electronics is located at room temperature and all the operations are performed inside a Magnetically Shielded Room (MSR). The system exhibits a magnetic white noise level of approximatively 5 fT/Hz1=2. This MEG system will be employed for both clinical and routine use. PACS numbers: 74.81.Fa, 85.25.Hv, 07.20.Mc, 85.25.Dq, 87.19.le, 87.85.Ng

研究の動機と目的

• 臨床的および日常的な神経科学的研究用途に適した、高感度かつ安定した多チャネルSQUIDベースのMEGシステムの開発。
• 最適化されたSQUID設計、統合フィードバック回路、およびコンactなデュアール幾何学を用いて、センサーノイズおよびクロストークを最小限に抑える。
• 熱的・磁気的・機械的ノイズ源への対処を通じて、実臨床環境下でも信頼性の高い性能を確保する。
• 脳からの微弱な生体磁界信号を検出可能な、約5 fT/Hz¹²の磁界ノイズフロアを達成する。
• 磁気遮蔽室（MSR）の特性評価、熱画像測定、地震ノイズ解析を通じて、システム性能を検証する。

提案手法

• 本システムは、154本の軸対称グラディエンターと9本のベクトル磁力計（3つの直交する三重対）を含む163本のフル統合SQUID磁力計をヘリメット型アレイに配置している。
• SQUIDセンサは三層超伝導技術を用いて製造され、統合フラックス変圧器およびチップ上に配置された追加正帰還（APF）およびフラックスロックドループ（FLL）回路を備え、感度と安定性を向上させている。
• デュアールは磁気干渉を最小限に抑えるためにガラス繊維で作られ、センサと頭皮との距離を2 cmにまで短縮している。内部にはミラー層とフォーム型金型が配置され、熱損失を低減している。
• すべての制御エレクトロニクスは室温で動作し、磁気遮蔽室（MSR）内に設置されている。MSRは、20 Hzにおけるy方向で最大-107 dBの減衰率を示す被動的遮蔽を提供している。
• 熱画像測定と地震ノイズ解析を用いて、それぞれ熱勾配と機械的振動をモニタリングし、環境ノイズ源を特定・低減する。
• スペクトル密度測定、MSR伝達関数解析、および4.2 Kでのノイズフロア特性評価を通じて、システム性能を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨床用途を想定した多チャネルSQUIDベースのMEGシステムが達成可能な磁界ノイズフロアはどの程度か？
• RQ2 チップ上に統合されたAPFおよびFLL回路は、高密度アレイにおけるSQUIDの安定性とSNRにどのように影響するか？
• RQ3 磁気遮蔽室（MSR）は、0.01–20 Hzの周波数範囲で外部磁界をどの程度減衰させるか？
• RQ4 実験室環境における熱勾配と機械的振動はSQUID性能にどのような影響を及ぼし、効果的な低減戦略は何か？
• RQ5 最適化された熱絶縁を施したファイバーガラス製デュアールは、日常的な臨床運用に耐える十分な冷却性能を維持できるか？

主な発見

• MEGシステムは、約5 fT/Hz¹²の磁界白色ノイズレベルを達成しており、高精度な生体磁界信号検出に適した安定した性能を示している。
• MSRは被動的遮蔽を提供し、0.1 Hz（x方向）で-35.26 dB、1 Hzで-34.56 dBの減衰率を示し、20 Hzにおけるy方向では-107.51 dBまで増加する。
• 熱画像測定により、デュアール全体で1 °C以内の温度変動が確認され、主にジョイント部およびヘリメット領域に局在化していた。これは効果的な熱絶縁を示している。
• 地震ノイズ解析により、1 Hz未満の低周波数機械的ノイズが顕著に検出され、これに対応するためのアンチビブレーションパッドおよびアクティブノイズ補償の導入が計画されている。
• SQUIDセンサは、フラックスキャプチャ領域が3 mm²、フラックス-磁界変換係数が0.7 nT/Φ₀であり、感度が向上している。
• 74リットルのデュアールは、補充間隔約7日間で液体ヘリウムを維持でき、臨床現場での連続運用が可能である。