Магнитомиография - Magnetomyography

Магнитомиография (MMG) - это метод картирования мышечной активности путем записи магнитные поля производятся электрическими токами, возникающими естественным образом в мышцы, используя массивы Кальмары (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства).[1] Он имеет лучшие возможности, чем электромиография для обнаружения медленных или постоянных токов. Величина сигнала MMG измеряется по шкале от пико (10-12) до фемто (10-15) Тесла (Тл). Миниатюризация MMG предлагает перспективу модернизации громоздкого SQUID до носимых миниатюрных магнитных датчиков.[2]

Два ключевых фактора развития метода MMG:[3] 1) низкое пространственное разрешение сигналов ЭМГ при неинвазивной регистрации на коже, где современные измерения ЭМГ даже с использованием игольчатых датчиков записи, которые позволяют точно оценить мышечную активность, но болезненны и ограничены крошечными областями с плохие точки пространственного отбора проб; 2) плохая биосовместимость имплантируемых датчиков ЭМГ из-за границы раздела металл-ткань. Датчики MMG обладают потенциалом для устранения обоих недостатков одновременно, потому что: 1) размер магнитного поля значительно уменьшается с увеличением расстояния между источником и датчиком, тем самым повышая пространственное разрешение MMG; и 2) датчики MMG не нуждаются в электрических контактах для записи, поэтому, если они полностью упакованы из биосовместимых материалов или полимеров, они могут улучшить долгосрочную биосовместимость.

ММГ с использованием обычных СКВИДов [1] (вверху) и миниатюрных имплантируемых магнитных датчиков [2] (внизу).

История

В начале 18 века были исследованы электрические сигналы от живых тканей. Эти исследователи продвинули множество инноваций в здравоохранении, особенно в медицинской диагностике. Некоторые примеры основаны на электрических сигналах, производимых тканями человека, включая электрокардиограмму (ЭКГ), электроэнцефалографию (ЭЭГ) и электромиограмму (ЭМГ). Кроме того, с развитием технологий биомагнитные измерения человеческого тела, состоящие из магнитокардиограммы (MCG), магнитоэнцефалографии (MEG) и магнитомиограммы (MMG), предоставили четкие доказательства того, что существование магнитных полей от токов ионного действия в электрически активных ткани могут использоваться для записи активности. С первой попытки Дэвид Коэн использовали точечное сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (СКВИД) магнитометр в экранированном помещении для измерения MCG. Они сообщили, что чувствительность записанной МКГ была на несколько порядков выше, чем ранее записанной МКГ. Тот же исследователь продолжил это измерение МЭГ, используя более чувствительный СКВИД-магнитометр без усреднения шума. Он сравнил ЭЭГ и МЭГ альфа-ритма, записанные как у нормальных, так и у ненормальных субъектов. Показано, что МЭГ произвела некоторую новую и отличающуюся информацию, предоставленную ЭЭГ. Поскольку сердце может создавать относительно большое магнитное поле по сравнению с мозгом и другими органами, ранние исследования биомагнитного поля возникли на основе математического моделирования MCG. Ранние экспериментальные исследования также были сосредоточены на MCG. Кроме того, эти экспериментальные исследования страдают неизбежно низким пространственным разрешением и низкой чувствительностью из-за отсутствия сложных методов обнаружения. С развитием технологий исследования функции мозга расширились, и предварительные исследования вызванных МЭГ начались в 1980-х годах. Эти исследования предоставили некоторые подробности о том, какие популяции нейронов вносят вклад в магнитные сигналы, генерируемые мозгом. Однако сигналы от отдельных нейронов были слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить. Для генерации детектируемого сигнала МЭГ требуется группа из более чем 10 000 дендритов. В то время обилие физических, технических и математических ограничений мешало количественному сравнению теорий и экспериментов с участием электрокардиограмм человека и других биомагнитных записей. Из-за отсутствия точной модели микроисточников труднее определить, какие конкретные физиологические факторы влияют на силу МЭГ и других биомагнитных сигналов и какие факторы влияют на достижимое пространственное разрешение. За последние три десятилетия было проведено большое количество исследований. был проведен для измерения и анализа магнитного поля, создаваемого потоком ex vivo токов в изолированных аксонах и мышечных волокнах. Эти измерения были подтверждены рядом сложных теоретических исследований и разработкой сверхчувствительных усилителей комнатной температуры и нейромагнитных токовых пробников. В настоящее время технология магнитной записи на уровне ячейки стала методом количественного измерения рабочих токов.

В настоящее время сигналы MMG могут стать важным индикатором в медицинской диагностике, реабилитации, мониторинге здоровья и управлении робототехникой. Последние достижения в области технологий проложили путь к дистанционной и непрерывной регистрации и диагностике заболеваний мышц и периферических нервов у людей.[4][5] Мотивированный изучением электрофизиологического поведения матки до родов, MMG использовался в основном для наблюдения за здоровьем во время беременности.[6][7][8] Кроме того, MMG имеет потенциал для использования в реабилитации, такой как травматическое повреждение нерва, поражение спинного мозга и синдром защемления.[9][10][11][12]

Миниатюрный ММГ

Величина сигналов MMG ниже, чем у сердца и мозга.[10] Минимальная спектральная плотность может достигать предела обнаружения (LOD) в сотни fT / √Hz на низких частотах, особенно между 10 Гц и 100 Гц. В основополагающей работе Коэна и Гилвера в 1972 году они обнаружили и записали сигналы MMG, используя Sсверхпроводящий QUAntum явмешательство Dприборы (СКВИДы). Они руководили разработкой MMG до сих пор, так как на данный момент это наиболее чувствительное устройство с пределом обнаружения фемто-Тесла (LOD) и, возможно, достигает LOD атто-Тесла с усреднением.[13] В современных измерениях MMG преобладают SQUID.[14] Тем не менее их сверхвысокая стоимость и громоздкий вес ограничивают распространение этого метода магнитного зондирования. В последние несколько лет магнитометры с оптической накачкой (OPM) были быстро разработаны для изучения иннервации нервов и мускулов кисти в качестве исследований, подтверждающих правильность концепции.[11][15][16] У OPM с небольшим физическим размером за последние годы значительно улучшены свои LOD, особенно у конкурирующих производителей, например. QuSpin Inc., FieldLine Inc. и Twinleaf. Чувствительность ниже 100 фТ / √Гц достигается с помощью OPM.[17][18] MMG пока еще не был распространенным методом, в основном из-за его небольшой величины, на которую легко могут повлиять магнитные шумы в окружающей среде. Например, амплитуда магнитного поля Земли примерно в пять миллионов раз больше, а шум окружающей среды от линий электропередач может достигать уровня нанотесла. Кроме того, текущие эксперименты, основанные на SQUIDs и OPM для обнаружения MMG, проводятся в сильно экранированных помещениях, которые дороги и громоздки для личного повседневного использования. Следовательно, разработка миниатюрных, недорогих методов биомагнитного зондирования при комнатной температуре станет важным шагом на пути к более широкому пониманию биомагнетизма.

Высокопроизводительный датчик Холла был успешно выполнен с его интегральной схемой считывания в КМОП-технологии.[2] Однако датчики Холла требуют очень стабильного источника постоянного тока для возбуждения эффекта Холла и сложной интерфейсной схемы для обработки собранных слабых напряжений Холла в условиях окружающего шума.[19] Недавно миниатюрные туннельные магниторезистивные датчики [20][21] а также магнитоэлектрические датчики [22] были предложены для будущего MMG в виде носимых устройств. Они совместимы с CMOS, и их выходной сигнал датчика может считываться аналоговым интерфейсом.[23] Миниатюрный датчик TMR может стать эффективной альтернативой для будущих измерений MMG с относительно низкими эксплуатационными расходами.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Коэн, Дэвид; Гивлер, Эдвард (1972). «Магнитомиография: магнитные поля вокруг человеческого тела, создаваемые скелетными мышцами». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 21 (3): 114–116. Bibcode:1972АпФЛ..21..114С. Дои:10.1063/1.1654294. ISSN  0003-6951.
  2. ^ а б Хейдари, Хади; Цзо, Симинг; Красулис, Агамемнон; Назарпур, Киануш (2018). КМОП-магнитные датчики для носимой магнитомиографии. 40-я Международная конференция общества инженеров IEEE в медицине и биологии. Гонолулу, Гавайи, США: IEEE. Дои:10.1109 / наб.2018.8512723. ISBN  978-1-5386-3646-6.
  3. ^ Цзо, Симинг; Хейдари, Хади; Фарина, Дарио; Назарпур, Киануш (2020). «Миниатюрные магнитные датчики для имплантируемой магнитомиографии». Передовые технологии материалов. Вайли. 5 (6). Дои:10.1002 / admt.202000185.
  4. ^ Филлер, Аарон Дж. Маравилла, Кеннет Р.; Цуруда, Джей С. (2004-08-01). «МР-нейрография и МРТ мышц для визуальной диагностики нарушений, влияющих на периферические нервы и мускулатуру». Неврологические клиники. Диагностические тесты при нервно-мышечных заболеваниях. 22 (3): 643–682. Дои:10.1016 / j.ncl.2004.03.005. ISSN  0733-8619. PMID  15207879.
  5. ^ Ямабе, Эйко; Накамура, Тошиясу; Осио, Коичи; Кикучи, Ёсито; Икегами, Хироясу; Тояма, Ёсиаки (01.05.2008). «Повреждение периферического нерва: диагностика с помощью МРТ денервированных скелетных мышц - экспериментальное исследование на крысах». Радиология. 247 (2): 409–417. Дои:10.1148 / радиол.2472070403. ISSN  0033-8419. PMID  18372449.
  6. ^ Эсваран, Хари; Preissl, Hubert; Уилсон, Джеймс Д.; Мерфи, Пэм; Лоури, Кертис Л. (2004-06-01). «Прогнозирование родов при доношенных и преждевременных беременностях с использованием неинвазивных магнитомиографических записей сокращений матки». Американский журнал акушерства и гинекологии. 190 (6): 1598–1602. Дои:10.1016 / j.ajog.2004.03.063. ISSN  0002-9378. PMID  15284746.
  7. ^ Eswaran, H .; Preissl, H .; Murphy, P .; Wilson, J.D .; Лоури, К. (2005). «Пространственно-временной анализ активности гладкой мускулатуры матки, зарегистрированной во время беременности». 2005 IEEE Engineering в медицине и биологии, 27-я ежегодная конференция. 2005: 6665–6667. Дои:10.1109 / IEMBS.2005.1616031. ISBN  0-7803-8741-4. PMID  17281801. S2CID  12228365.
  8. ^ Эсваран, Хари; Govindan, Rathinaswamy B .; Фурдеа, Адриан; Мерфи, Пэм; Лоури, Кертис Л .; Прейссл, Хуберт Т. (2009-05-01). «Выделение, количественная оценка и характеристика магнитомиографической активности матки - практическое подтверждение концепции». Европейский журнал акушерства, гинекологии и репродуктивной биологии. 144: S96 – S100. Дои:10.1016 / j.ejogrb.2009.02.023. ISSN  0301-2115. ЧВК  2669489. PMID  19303190.
  9. ^ Маккерт, Бруно-Марсель; Маккерт, Ян; Вюббелер, Герд; Армбраст, Фрэнк; Вольф, Клаус-Дитер; Бургхофф, Мартин; Трамс, Лутц; Курион, Габриэль (1999-03-12). «Магнитометрия травмирующих токов от образцов нервов и мышц человека с использованием сверхпроводящих устройств квантовых помех». Письма о неврологии. 262 (3): 163–166. Дои:10.1016 / S0304-3940 (99) 00067-1. ISSN  0304-3940. PMID  10218881. S2CID  39692956.
  10. ^ а б Гарсия, Марко Антонио Кавальканти; Баффа, Освальдо (2015). «Магнитные поля скелетных мышц: ценное физиологическое измерение?». Границы физиологии. 6: 228. Дои:10.3389 / fphys.2015.00228. ISSN  1664-042X. ЧВК  4530668. PMID  26321960.
  11. ^ а б Broser, Филип Дж .; Кнаппе, Свенья; Каджал, Дилджит-Сингх; Нури, Нима; Alem, Orang; Шах, Вишал; Браун, Кристоф (2018). «Магнитометры с оптической накачкой для магнитомиографии для изучения иннервации руки». IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии. 26 (11): 2226–2230. Дои:10.1109 / TNSRE.2018.2871947. ISSN  1534-4320. PMID  30273154. S2CID  52899894.
  12. ^ Эскалона ‐ Варгас, Диана; Олифант, Салли; Сигел, Эрик Р .; Эсваран, Хари (2019). «Характеристика активности мышц тазового дна с помощью магнитомиографии». Невроурология и уродинамика. 38 (1): 151–157. Дои:10.1002 / нау.23870. ISSN  1520-6777. PMID  30387530.
  13. ^ Фагали, Р. Л. (01.10.2006). «Приборы и приложения сверхпроводящих устройств квантовой интерференции». Обзор научных инструментов. 77 (10): 101101–101101–45. Bibcode:2006RScI ... 77j1101F. Дои:10.1063/1.2354545. ISSN  0034-6748.
  14. ^ Устинин, М.Н .; Рыкунов, С.Д .; Поликарпов, М.А .; Юреня, А.Ю .; Наурзаков, С.П .; Гребенкин, А.П .; Панченко, В. (2018-12-09). «Реконструкция функциональной структуры руки человека на основе магнитомиограммы». Математическая биология и биоинформатика. 13 (2): 480–489. Дои:10.17537/2018.13.480. ISSN  1994-6538.
  15. ^ Ивата, Джеффри З .; Ху, Инань; Сандер, Тилманн; Мутураман, Мутураман; Чирумамилла, Венката Чайтанья; Гроппа, Серджиу; Будкер Дмитрий; Викенброк, Арне (25 сентября 2019 г.). «Биомагнитные сигналы, зарегистрированные во время транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), вызывающей периферическую мышечную активность». arXiv:1909.11451 [q-bio.NC ].
  16. ^ Эльценхаймер, Эрик; Лауфс, Гельмут; Шульте-Маттлер, Вильгельм; Шмидт, Герхард (2020). «Магнитное измерение электрически вызванных мышечных реакций с помощью магнитометров с оптической накачкой». IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии. 28 (3): 756–765. Дои:10.1109 / TNSRE.2020.2968148. ISSN  1534-4320. PMID  31976901. S2CID  210880585.
  17. ^ Alem, Orang; Sander, Tilmann H; Мхаскар, Рахул; ЛеБлан, Джон; Эсваран, Хари; Стейнхофф, Уве; Окада, Йошио; Китчинг, Джон; Трамс, Лутц; Кнаппе, Свенья (04.06.2015). «Измерения магнитокардиографии плода с помощью набора микроизготовленных магнитометров с оптической накачкой». Физика в медицине и биологии. 60 (12): 4797–4811. Bibcode:2015ПМБ .... 60.4797А. Дои:10.1088/0031-9155/60/12/4797. ISSN  0031-9155. PMID  26041047.
  18. ^ Бото, Елена; Мейер, Софи С .; Шах, Вишал; Alem, Orang; Кнаппе, Свенья; Крюгер, Питер; Фромхолд, Т. Марк; Лим, Марк; Гловер, Пол М .; Моррис, Питер Дж .; Боутелл, Ричард (2017-04-01). «Новое поколение магнитоэнцефалографии: измерение комнатной температуры с помощью магнитометров с оптической накачкой». NeuroImage. 149: 404–414. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2017.01.034. ISSN  1053-8119. ЧВК  5562927. PMID  28131890.
  19. ^ Хейдари, Хади; Бониццони, Эдоардо; Гатти, Умберто; Малоберти, Франко (2015). «Магнитный датчик Холла токового режима CMOS со встроенным интерфейсом». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 62 (5): 1270–1278. CiteSeerX  10.1.1.724.1683. Дои:10.1109 / TCSI.2015.2415173. ISSN  1549-8328. S2CID  9755802.
  20. ^ Цзо, Симинг; Назарпур, Киануш; Хейдари, Хади (2018). «Устройство моделирования туннельных магниторезисторов с MgO-барьером для гибридной спинтроники-КМОП» (PDF). Письма об электронных устройствах IEEE. 39 (11): 1784–1787. Bibcode:2018IEDL ... 39.1784Z. Дои:10.1109 / LED.2018.2870731. ISSN  0741-3106. S2CID  53082091.
  21. ^ Хейдари, Хади (2018). «Электронные скины мирового масштаба» (PDF). Природа Электроника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 1 (11): 578–579. Дои:10.1038 / s41928-018-0165-2. ISSN  2520-1131. S2CID  125149476.
  22. ^ Zuo, S .; Schmalz, J .; Озден, М .; Gerken, M .; Su, J .; Niekiel, F .; Лофинк, Ф .; Назарпур, К .; Хейдари, Х. (2020). «Сверхчувствительная магнитоэлектрическая сенсорная система для пико-Тесла-магнитомиографии» (PDF). IEEE Transactions по биомедицинским схемам и системам. PP: 1. Дои:10.1109 / TBCAS.2020.2998290. PMID  32746340.
  23. ^ Цзо, Симинг; Фань, Хуа; Назарпур, Киануш; Хейдари, Хади (2019). Аналоговый интерфейсный модуль CMOS для туннельных магниторезистивных систем спинтроники. Международный симпозиум IEEE по схемам и системам. IEEE. С. 1–5. Дои:10.1109 / iscas.2019.8702219. ISBN  978-1-7281-0397-6.