Magnetomyografie - Magnetomyography

Magnetomyografie (MMG) je technika pro mapování svalové aktivity záznamem magnetické pole produkované elektrickými proudy vyskytujícími se přirozeně v svaly pomocí polí z KAPALINY (supravodivá kvantová interferenční zařízení).[1] Má lepší schopnost než elektromyografie pro detekci pomalých nebo přímých proudů. Velikost signálu MMG je v stupnici od piko (10–12) do femto (10–15) Tesla (T). Miniaturizace MMG nabízí vyhlídku na modernizaci objemných SQUID na nositelné miniaturizované magnetické senzory.[2]

Dva klíčové faktory pro vývoj metody MMG:[3] 1) špatné prostorové rozlišení signálů EMG při neinvazivním záznamu na kůži, kde nejmodernější měření EMG dokonce používají sondy pro záznam jehly, což je možné přesně posoudit svalovou aktivitu, ale bolestivé a omezené na malé oblasti s špatné prostorové vzorkovací body; 2) špatná biokompatibilita implantovatelných EMG senzorů v důsledku rozhraní kov-tkáň. Senzory MMG mají potenciál současně řešit oba nedostatky, protože: 1) velikost magnetického pole se významně zmenšuje se vzdáleností mezi počátkem a senzorem, čímž se prostorové rozlišení MMG zvyšuje; a 2) senzory MMG nepotřebují k záznamu elektrické kontakty, takže pokud jsou plně zabaleny do biokompatibilních materiálů nebo polymerů, mohou zlepšit dlouhodobou biokompatibilitu.

MMG pomocí konvenčních SQUID [1] (nahoře) a miniaturizovaných implantovatelných magnetických senzorů [2] (dole).

Dějiny

Na počátku 18. století byly zkoumány elektrické signály ze živých tkání. Tito vědci prosazovali mnoho inovací ve zdravotnictví, zejména v lékařské diagnostice. Některý příklad je založen na elektrických signálech produkovaných lidskými tkáněmi, včetně elektrokardiogramu (EKG), elektroencefalografie (EEG) a elektromyogramu (EMG). Kromě toho s rozvojem technologií poskytlo biomagnetické měření z lidského těla, skládající se z Magnetocardiogram (MCG), Magnetoencephalography (MEG) a Magnetomyogram (MMG), jasný důkaz, že existence magnetických polí z iontových akčních proudů v elektricky aktivních tkáně lze použít k záznamu aktivit. Na první pokus David Cohen používá supravodivé kvantové interferenční zařízení (SQUID) s bodovým kontaktem magnetometr ve stíněné místnosti k měření MCG. Uváděli, že citlivost zaznamenaného MCG byla řádově vyšší než dříve zaznamenaný MCG. Stejný výzkumník pokračoval v tomto měření MEG pomocí citlivějšího magnetometru SQUID bez průměrování šumu. Porovnal EEG a alfa rytmus MEG zaznamenaný normálními i abnormálními subjekty. Ukazuje se, že MEG vytvořil některé nové a odlišné informace poskytované EEG. Protože srdce může produkovat relativně velké magnetické pole ve srovnání s mozkem a jinými orgány, výzkum raného biomagnetického pole vycházel z matematického modelování MCG. Rané experimentální studie se také zaměřily na MCG. Kromě toho tyto experimentální studie trpí nevyhnutelně nízkým prostorovým rozlišením a nízkou citlivostí kvůli nedostatku sofistikovaných detekčních metod. S pokrokem v technologii se výzkum rozšířil do funkce mozku a předběžné studie vyvolaných MEG začaly v 80. letech. Tyto studie poskytly některé podrobnosti o tom, které populace neuronů přispívají k magnetickým signálům generovaným z mozku. Signály z jednotlivých neuronů však byly příliš slabé, než aby byly detekovány. Skupina více než 10 000 dendritů je nutná jako skupina pro generování detekovatelného signálu MEG. V té době hojnost fyzických, technických a matematických omezení zabránila kvantitativnímu srovnání teorií a experimentů zahrnujících lidské elektrokardiogramy a další biomagnetické záznamy. Vzhledem k nedostatku přesného modelu mikro zdroje je obtížnější určit, které specifické fyziologické faktory ovlivňují sílu MEG a dalších biomagnetických signálů a které faktory dominují v dosažitelném prostorovém rozlišení. V posledních třech desetiletích bylo provedeno velké množství výzkumu byla provedena k měření a analýze magnetického pole generovaného tokem ex vivo proudů v izolovaných axonech a svalových vláknech. Tato měření byla podpořena některými složitými teoretickými studiemi a vývojem ultracitlivých zesilovačů pokojové teploty a neuromagnetických proudových sond. V dnešní době se technologie magnetického záznamu na úrovni buněk stala technikou kvantitativního měření provozních proudů.

V dnešní době se signály MMG mohou stát důležitým indikátorem v lékařské diagnostice, rehabilitaci, monitorování zdraví a řízení robotiky. Nedávný pokrok v technologii připravil cestu k dálkovému a nepřetržitému záznamu a diagnostice onemocnění svalů a periferních nervů u jednotlivců.[4][5] Motivováno zkoumáním elektrofyziologického chování dělohy před porodem bylo MMG používáno hlavně k monitorování zdraví během těhotenství.[6][7][8] Kromě toho má MMG potenciál pro použití při rehabilitaci, jako je traumatické poranění nervů, poškození míchy a syndrom zachycení.[9][10][11][12]

Miniaturizované MMG

Velikost signálů MMG je nižší než velikost srdce a mozku.[10] Minimální spektrální hustota by mohla dosáhnout hranice detekce (LOD) stovek fT / √Hz při nízkých frekvencích, zejména mezi 10 Hz a 100 Hz. V klíčové práci Cohena a Gilvera v roce 1972 objevili a zaznamenali signály MMG pomocí Supdruktivní QUAntum Járušení Dzařízení (SQUID). Vedli vývoj MMG až dosud, protože je to v současné době nejcitlivější zařízení s mezí detekce femto-Tesla (LOD), a možná dosáhli LTO s průměrováním.[13] Na nejmodernějším měření MMG dominují SQUIDy.[14] Jejich ultra-vysoké náklady a těžkopádná hmotnost nicméně omezují šíření této techniky magnetického snímání. V posledních několika letech byly rychle vyvinuty opticky čerpané magnetometry (OPM), které studují inervaci ručních nervů a svalů jako zkoumání důkazu koncepce.[11][15][16] OPM s malou fyzickou velikostí během posledních let významně vylepšily své LOD, zejména od konkurenčních výrobců, např. QuSpin Inc., FieldLine Inc. a Twinleaf. S OPM byla dosažena citlivost pod 100 fT / √Hz.[17][18] MMG dosud nebyla běžnou metodou, hlavně kvůli své malé velikosti, kterou lze snadno ovlivnit magnetickým šumem v okolí. Například amplituda magnetického pole Země je asi pět milionůkrát větší a hluk prostředí z elektrických vedení může dosáhnout úrovně nano-Tesly. Současné experimenty založené na SQUIDech a OPM pro snímání MMG se navíc provádějí v silně stíněných místnostech, které jsou drahé a objemné pro osobní každodenní použití. V důsledku toho by vývoj miniaturizovaných, nízkonákladových a biomagnetických snímacích metod při pokojové teplotě představoval důležitý krok k širšímu zhodnocení biomagnetismu.

Vysoce výkonný snímač Hall byl úspěšně proveden s integrovaným odečítacím obvodem v technologii CMOS.[2] Hallovy senzory však vyžadují vysoce stabilní stejnosměrný napájecí zdroj pro excitaci Hallova efektu a složitý obvod rozhraní pro zpracování shromážděných slabých Hallových napětí pod okolním hlukem.[19] Nedávno miniaturizované magnetorezistivní senzory tunelování [20][21] stejně jako magnetoelektrické senzory [22] byly navrženy pro budoucnost MMG v podobě nositelných zařízení. Jsou kompatibilní s CMOS a jejich výstup ze snímače lze odečítat pomocí analogového rozhraní.[23] Miniaturizovaný snímač TMR by mohl být efektivní alternativou pro budoucí měření MMG s relativně nízkými provozními náklady.

Viz také

Reference

  1. ^ Cohen, David; Givler, Edward (1972). „Magnetomyografie: magnetické pole kolem lidského těla produkované kosterními svaly“. Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 21 (3): 114–116. Bibcode:1972ApPhL..21..114C. doi:10.1063/1.1654294. ISSN  0003-6951.
  2. ^ A b Heidari, Hadi; Zuo, Siming; Krasoulis, Agamemnon; Nazarpour, Kianoush (2018). CMOS magnetické senzory pro nositelnou magnetomyografii. 40. Int konference IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Honolulu, HI, USA: IEEE. doi:10.1109 / embc.2018.8512723. ISBN  978-1-5386-3646-6.
  3. ^ Zuo, Siming; Heidari, Hadi; Farina, Dario; Nazarpour, Kianoush (2020). "Miniaturizované magnetické senzory pro implantovatelnou magnetomyografii". Pokročilé materiálové technologie. Wiley. 5 (6). doi:10.1002 / admt.202000185.
  4. ^ Filler, Aaron G; Maravilla, Kenneth R; Tsuruda, Jay S (01.08.2004). „MR neurografie a MR zobrazení svalů pro diagnostiku obrazu poruch ovlivňujících periferní nervy a svalstvo“. Neurologické kliniky. Diagnostické testy na neuromuskulární onemocnění. 22 (3): 643–682. doi:10.1016 / j.ncl.2004.03.005. ISSN  0733-8619. PMID  15207879.
  5. ^ Yamabe, Eiko; Nakamura, Toshiyasu; Oshio, Koichi; Kikuchi, Yoshito; Ikegami, Hiroyasu; Toyama, Yoshiaki (01.05.2008). „Poranění periferního nervu: Diagnóza pomocí MR zobrazení denervovaného kosterního svalu - experimentální studie na potkanech“. Radiologie. 247 (2): 409–417. doi:10,1148 / radiol.2472070403. ISSN  0033-8419. PMID  18372449.
  6. ^ Eswaran, Hari; Preissl, Hubert; Wilson, James D .; Murphy, Pam; Lowery, Curtis L. (01.06.2004). „Predikce porodu v termínu a předčasném těhotenství pomocí neinvazivních magnetomyografických záznamů kontrakcí dělohy“. American Journal of Obstetrics & Gynecology. 190 (6): 1598–1602. doi:10.1016 / j.ajog.2004.03.063. ISSN  0002-9378. PMID  15284746.
  7. ^ Eswaran, H .; Preissl, H .; Murphy, P .; Wilson, J.D .; Lowery, C.L. (2005). „Časoprostorová analýza aktivity hladkého svalstva dělohy zaznamenané během těhotenství“. 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27. výroční konference. 2005: 6665–6667. doi:10.1109 / IEMBS.2005.1616031. ISBN  0-7803-8741-4. PMID  17281801. S2CID  12228365.
  8. ^ Eswaran, Hari; Govindan, Rathinaswamy B .; Furdea, Adrian; Murphy, Pam; Lowery, Curtis L .; Preissl, Hubert T. (2009-05-01). „Extrakce, kvantifikace a charakterizace magnetomyografické aktivity dělohy - důkaz konceptu případová studie“. Evropský žurnál porodnictví a gynekologie a reprodukční biologie. 144: S96 – S100. doi:10.1016 / j.ejogrb.2009.02.023. ISSN  0301-2115. PMC  2669489. PMID  19303190.
  9. ^ Mackert, Bruno-Marcel; Mackert, Jan; Wübbeler, Gerd; Armbrust, Frank; Wolff, Klaus-Dieter; Burghoff, Martin; Trahms, Lutz; Curio, Gabriel (12. 3. 1999). „Magnetometrie úrazových proudů z lidských nervových a svalových vzorků pomocí supravodivých kvantových interferenčních zařízení“. Neurovědy Dopisy. 262 (3): 163–166. doi:10.1016 / S0304-3940 (99) 00067-1. ISSN  0304-3940. PMID  10218881. S2CID  39692956.
  10. ^ A b Garcia, Marco Antonio Cavalcanti; Baffa, Oswaldo (2015). „Magnetická pole z kosterních svalů: cenné fyziologické měření?“. Hranice ve fyziologii. 6: 228. doi:10.3389 / fphys.2015.00228. ISSN  1664-042X. PMC  4530668. PMID  26321960.
  11. ^ A b Broser, Philip J .; Knappe, Svenja; Kajal, Diljit-Singh; Noury, Nima; Alem, Orang; Shah, Vishal; Braun, Christoph (2018). „Opticky čerpané magnetometry pro magneto-myografii ke studiu inervace ruky“. Transakce IEEE na neuronových systémech a rehabilitační inženýrství. 26 (11): 2226–2230. doi:10.1109 / TNSRE.2018.2871947. ISSN  1534-4320. PMID  30273154. S2CID  52899894.
  12. ^ Escalona-Vargas, Diana; Oliphant, Sallie; Siegel, Eric R .; Eswaran, Hari (2019). "Charakterizace aktivit svalů pánevního dna pomocí magnetomyografie". Neurourologie a urodynamika. 38 (1): 151–157. doi:10,1002 / nau.23870. ISSN  1520-6777. PMID  30387530.
  13. ^ Fagaly, R. L. (01.10.2006). "Supravodivé kvantové interferenční přístroje a aplikace". Recenze vědeckých přístrojů. 77 (10): 101101–101101–45. Bibcode:2006RScI ... 77j1101F. doi:10.1063/1.2354545. ISSN  0034-6748.
  14. ^ Ustinin, M.N .; Rykunov, S.D .; Polikarpov, M. A.; Yurenya, A.Y .; Naurzakov, S.P .; Grebenkin, A.P .; Panchenko, V.Y. (09.12.2018). „Rekonstrukce funkční struktury lidské ruky na základě magnetomyogramu“. Matematická biologie a bioinformatika. 13 (2): 480–489. doi:10.17537/2018.13.480. ISSN  1994-6538.
  15. ^ Iwata, Geoffrey Z .; Hu, Yinan; Sander, Tilmann; Muthuraman, Muthuraman; Chirumamilla, Venkata Chaitanya; Groppa, Sergiu; Budker, Dmitry; Wickenbrock, Arne (2019-09-25). "Biomagnetické signály zaznamenávané během transkraniální magnetické stimulace (TMS) vyvolané periferní svalové aktivity". arXiv:1909.11451 [q-bio.NC ].
  16. ^ Elzenheimer, Eric; Laufs, Helmut; Schulte-Mattler, Wilhelm; Schmidt, Gerhard (2020). "Magnetické měření elektricky vyvolaných svalových odpovědí pomocí opticky čerpaných magnetometrů". Transakce IEEE na neuronových systémech a rehabilitační inženýrství. 28 (3): 756–765. doi:10.1109 / TNSRE.2020.2968148. ISSN  1534-4320. PMID  31976901. S2CID  210880585.
  17. ^ Alem, Orang; Sander, Tilmann H; Mhaskar, Rahul; LeBlanc, John; Eswaran, Hari; Steinhoff, Uwe; Okada, Yoshio; Kitching, John; Trahms, Lutz; Knappe, Svenja (04.06.2015). "Měření fetální magnetokardiografie s řadou mikrofabrikovaných opticky čerpaných magnetometrů". Fyzika v medicíně a biologii. 60 (12): 4797–4811. Bibcode:2015PMB .... 60.4797A. doi:10.1088/0031-9155/60/12/4797. ISSN  0031-9155. PMID  26041047.
  18. ^ Boto, Elena; Meyer, Sofie S .; Shah, Vishal; Alem, Orang; Knappe, Svenja; Kruger, Peter; Fromhold, T. Mark; Lim, Mark; Glover, Paul M .; Morris, Peter G .; Bowtell, Richard (01.04.2017). „Nová generace magnetoencefalografie: Měření pokojové teploty pomocí opticky čerpaných magnetometrů“. NeuroImage. 149: 404–414. doi:10.1016 / j.neuroimage.2017.01.034. ISSN  1053-8119. PMC  5562927. PMID  28131890.
  19. ^ Heidari, Hadi; Bonizzoni, Edoardo; Gatti, Umberto; Maloberti, Franco (2015). „Proudový magnetický Hallův snímač CMOS s integrovaným front-endem“. Transakce IEEE na obvodech a systémech I: Pravidelné práce. 62 (5): 1270–1278. CiteSeerX  10.1.1.724.1683. doi:10.1109 / TCSI.2015.2415173. ISSN  1549-8328. S2CID  9755802.
  20. ^ Zuo, Siming; Nazarpour, Kianoush; Heidari, Hadi (2018). „Modelování zařízení magnetorezistorů tunelování MgO-bariéry pro hybridní Spintronic-CMOS“ (PDF). IEEE Electron Device Dopisy. 39 (11): 1784–1787. Bibcode:2018 IEDL ... 39.1784Z. doi:10.1109 / LED.2018.2870731. ISSN  0741-3106. S2CID  53082091.
  21. ^ Heidari, Hadi (2018). „Elektronické skiny s celosvětovou přitažlivostí“ (PDF). Přírodní elektronika. Springer Science and Business Media LLC. 1 (11): 578–579. doi:10.1038 / s41928-018-0165-2. ISSN  2520-1131. S2CID  125149476.
  22. ^ Zuo, S .; Schmalz, J .; Ozden, M .; Gerken, M .; Su, J .; Niekiel, F .; Lofink, F .; Nazarpour, K .; Heidari, H. (2020). „Ultrasensitivní magnetoelektrický snímací systém pro pico-Tesla MagnetoMyoGraphy“ (PDF). Transakce IEEE na biomedicínských obvodech a systémech. PP: 1. doi:10.1109 / TBCAS.2020.2998290. PMID  32746340.
  23. ^ Zuo, Siming; Fan, Hua; Nazarpour, Kianoush; Heidari, Hadi (2019). Analogový front-end CMOS pro tunelování magnetorezistivních spintronických snímacích systémů. IEEE International Symposium on Circuits and Systems. IEEE. s. 1–5. doi:10.1109 / iscas.2019.8702219. ISBN  978-1-7281-0397-6.