On-scalp magnetoencephalography: Theory, implementation and measurements

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorParkkonen, Lauri, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
dc.contributor.authorIivanainen, Joonas
dc.contributor.departmentNeurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Neuroscience and Biomedical Engineeringen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorParkkonen, Lauri, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Finland
dc.date.accessioned2020-02-26T10:00:05Z
dc.date.available2020-02-26T10:00:05Z
dc.date.defence2020-03-13
dc.date.issued2020
dc.description.abstractMagnetoencephalography (MEG) is a noninvasive neuroimaging technique in which the magnetic fields of electrically active neuron populations in the brain are measured outside the head. The neuromagnetic field contains temporal and spatial information about the underlying neuronal sources. Measurements of this field can be used to make inference about brain function. The temporal resolution of MEG is excellent as the magnetic field gives an instantaneous measure of the neuronal activity at the physiologically relevant frequency range. However, the spatial resolution, or the amount of spatial information, is limited in the state-of-the-art MEG systems as the current superconducting sensor technology does not allow the field measurement as close to the neural sources as noninvasively possible but limits the measurement distance to a couple of centimeters from the subject's scalp. At that distance, the field amplitude as well as the number of spatial degrees of freedom in the field have decayed considerably. Recent developments in quantum optics have enabled sensors suitable for measuring the neuromagnetic field within millimetres from the scalp. With these optically-pumped magnetometers (OPMs), on-scalp sensor arrays can be constructed increasing the spatial resolution of MEG. In this Thesis, improvement in signal amplitude as well as in spatial resolution due to on-scalp field sensing is quantified both with simulations and measurements. Requirements for spatial sampling of the neuromagnetic field to achieve those improvements are theoretically investigated. To sense the neuromagnetic field on scalp, an OPM-based MEG system is constructed. The system uses active magnetic shielding with external coils to reduce interference in the measurements. Neuromagnetic responses to visual stimulation are measured using the OPM system and are compared to those obtained with a state-of-the-art cryogenic MEG system. The Thesis shows the potential of on-scalp sensor arrays implemented with OPMs to increase the spatial resolution and applicability of MEG.en
dc.description.abstractMagnetoenkefalografia (MEG) on kajoamaton aivokuvantamismenetelmä, jossa aivojen sähköisestä toiminnasta syntyvä magneettikenttä mitataan pään ulkopuolella. Tämä neuromagneettinen kenttä sisältää ajallista ja paikallista informaatiota sen synnyttävistä aivolähteistä. Tätä informaatiota voidaan käyttää tulkitsemaan aivoja ja niiden toimintaa. MEG:n ajallinen tarkkuus on erinomainen, sillä magneettikenttä tarjoaa välitöntä informaatiota hermostollisesta aktivaatiosta fysiologisesti merkityksellisellä taajuuskaistalla. MEG:n paikkatarkkuus, tai paikkainformaation määrä, taas on rajoittunut tämänhetkisissä MEG-laitteissa, sillä nykyinen suprajohtava anturitekniikka ei salli magneettikentän mittaamista niin läheltä aivoja kuin vain kajoamattomasti mahdollista: nykyisissä laitteissa magneettikenttä mitataan ainakin kahden senttimetrin päästä pään pinnasta. Tällä etäisyydellä sekä magneettikentän voimakkuus että kentän vapausasteiden lukumäärä ovat kuitenkin jo laskeneet merkittävästi. Kvanttioptiikan kehitys on mahdollistanut magnetoenkefalografiaan soveltuvan anturityypin, jolla pystytään mittaamaan magneettikenttä millimetrien päästä pään pinnasta. Optisesti pumpattujen magnetometrien (OPM) avulla voidaan siis rakentaa pään pinnalla sijaitsevia anturistoja, joiden avulla MEG:n paikkatarkkuutta voidaan parantaa. Väitöskirjassa tutkitaan sekä laskennallisesti että kokeellisesti parannuksia signaalien voimakkuuksissa sekä mittauksen paikkatarkkuudessa, kun magneettikenttä mitataan pään pinnalla. Työssä tutkitaan teoreettisesti vaatimuksia magneettikentän näytteistämiselle paikan suhteen näiden parannusten saavuttamiseksi. Väitöskirjassa rakennetaan MEG-laitteisto, jossa OPM-antureita käytetään mittaamaan aivojen magneettikenttä suoraan pään pinnalta. Laitteisto käyttää aktiivista suojausta magneettisten häiriöiden vähentämiseksi. Systeemillä mitataan näköaivokuoren neuromagneettisia vasteita ja näitä vasteita verrataan suprajohtavilla antureilla mitattuihin. Väitöskirja näyttää OPM:iin pohjautuvien anturistojen potentiaalin magnetoenkefalografiassa sekä yleisesti että sen paikkatarkkuuden parantamisessa.fi
dc.format.extent76 + app. 69
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-8991-1 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-8990-4 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/43234
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-8991-1
dc.language.isoenen
dc.opnBarnes, Gareth, Prof., University College London, UK
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Joonas Iivanainen, Matti Stenroos, Lauri Parkkonen. Measuring MEG closer to the brain: Performance of on-scalp sensor arrays. NeuroImage, 147, 542–553, February 2017. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201705114168. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2016.12.048
dc.relation.haspart[Publication 2]: Joonas Iivanainen, Antti Mäkinen, Rasmus Zetter, Matti Stenroos, Risto J. Ilmoniemi, Lauri Parkkonen. Sampling theory for spatial field sensing: Application to electro- and magnetoencephalography. Submitted, December 2019.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Joonas Iivanainen, Rasmus Zetter, Mikael Grön, Karoliina Hakkarainen, Lauri Parkkonen. On-scalp MEG system utilizing an actively shielded array of optically-pumped magnetometers. NeuroImage, 194, 244–258, July 2019. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2019.03.022
dc.relation.haspart[Publication 4]: Joonas Iivanainen, Rasmus Zetter, Lauri Parkkonen. Potential of on-scalp MEG: Robust detection of human visual gamma-band responses. Human Brain Mapping, 41,150–161, January 2020. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076157. DOI: 10.1002/hbm.24795
dc.relation.haspart[Errata file]: Errata of P1
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries38/2020
dc.revAhlfors, Seppo, Prof., Harvard Medical School, USA
dc.revBudker, Dmitry, Dr., Johannes Gutenberg University Mainz, Germany, and University of California at Berkeley, USA
dc.subject.keywordmagnetoencephalographyen
dc.subject.keywordoptically-pumped magnetometeren
dc.subject.keywordon scalpen
dc.subject.keywordmagnetic shieldingen
dc.subject.keywordneuroimagingen
dc.subject.keywordsamplingen
dc.subject.keywordmagnetoenkefalografiafi
dc.subject.keywordoptisesti pumpattu magnetometrifi
dc.subject.keywordmagneettinen suojausfi
dc.subject.keywordaivokuvantaminenfi
dc.subject.keywordnäytteistysfi
dc.subject.otherMedical sciencesen
dc.titleOn-scalp magnetoencephalography: Theory, implementation and measurementsen
dc.titleMagnetoenkefalografian mittaaminen lähempää aivoja: Teoria ja toteutusfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2020-03-23_0959
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2020_02_25_klo_14_23
local.aalto.infraScience-IT
local.aalto.infraAalto NeuroImaging
Files
Original bundle
Now showing 1 - 2 of 2
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526089911.pdf
Size:
2.7 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
Errata_iivanainen_joonas_DD_38_2020_publication_P1.pdf
Size:
20.39 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
Errata Joonas Iivanainen DD-38/2020 publication P1