The magnetostatic multipole expansion in biomagnetism: applications and implications

Abstract

Magnetoencephalography (MEG) is a noninvasive functional imaging method, based on measuring neuronally generated magnetic fields outside the head. MEG has a very high temporal resolution, making it possible to track brain events on the millisecond level. Its main advantage over electroencephalography (EEG) is the simplicity of inverse modelling, enabling more accurate source localization with fewer assumptions. Previous research has shown that the extracranial magnetic fields can be completely described in terms of a magnetostatic multipole expansion derived from Laplace's equation. In recent years, the multipole expansion has found several applications in MEG, including efficient interference suppression and movement compensation; however, this approach places rather high requirements on the MEG device, demanding comprehensive spatial sampling and accurate calibration. In this thesis, we clarify the requirements the multipole-based approach places on the MEG device, in terms of calibration accuracy and other parameters. We propose novel sensor array geometries that would significantly enhance the performance of the method. We also demonstrate the effectiveness of this model by building a prototype device with diverse sensor orientations. Our results indicate improved efficiency in interference suppression as well as enhanced signal-to-noise ratio. The new developments also increase the robustness of MEG, which is particularly significant for clinical applications. The results are directly applicable to other biomagnetic measurements, such as magnetocardiography.

Magnetoenkefalografia (MEG) on ei-invasiivinen funktionaalinen kuvantamismenetelmä, jossa mitataan aivojen synnyttämiä magneettikenttiä pään ulkopuolelta. MEG:n etuja ovat korkea aikaresoluutio esim. funktionaaliseen magneettiresonanssikuvaukseen verrattuna, ja toisaalta yksinkertaisempi ja tarkempi lähdemallinnus EEG:hen verrattuna. Aiemmin on osoitettu, että pään ulkoinen magneettikenttä voidaan täysin kuvata magnetostaattisen multipolikehitelmän avulla. Nykyaikaiset MEG-laitteet mittaavat kentän riittävän yksityiskohtaisesti, jotta kehitelmä voidaan määrittää luotettavasti. Multipolikehitelmää on viime vuosina sovellettu MEG:n häiriönpoistoon ja liikekorjaukseen. Tämä lähestymistapa asettaa kuitenkin korkeat vaatimukset käytettävälle MEG-laitteelle. Tässä työssä keskityttiin tutkimaan MEG-anturiston vaikutusta multipolimenetelmän käyttöön. Selvensimme vaatimuksia, joita menetelmä asettaa MEG-anturistolle kalibraation ja muiden parametrien suhteen. Etsimme myös uusia anturistogeometrioita, jotka parantavat menetelmän suorituskykyä. Lisäksi rakensimme prototyyppilaitteen, jolla testattiin työssä esitettyjä ideoita. Tulosten käytännöllinen merkitys on tehokkaampi ulkoisten häiriöiden vaimennus ja parempi signaali-kohinasuhde. Lisäksi uudet tulokset auttavat parantamaan MEG-mittausten luotettavuutta, millä on merkitystä etenkin kliinisessä käytössä. Tulokset ovat suoraan sovellettavissa myös muissa biomagneettisissa mittauksissa, esim. magnetokardiografiassa.