Efficacy of optically pumped magnetometers in detecting activity from the cerebellar cortex
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-09-30
Department
Major/Subject
Biosensing and Bioelectronics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
50
Series
Abstract
Magnetoencephalography (MEG) measures brain activity by detecting the weak magnetic fields generated by neuronal currents. Traditionally, superconducting quantum interference device (SQUID) sensors have been used in MEG because of their high sensitivity. However, their need for cryogenic cooling introduces limitations, such as the need for vacuum insulation which results in a gap of 2 cm between sensors and scalp. Optically pumped magnetometers (OPMs) offer an alternative to SQUIDs by operating at near room temperature. This allows the sensors to be placed closer to the scalp. This not only increases the signal amplitude but also makes it easier to adapt the sensors to different head shapes and sizes. While most of the neuroimaging research has been focused on the cerebral cortex, the cerebellum, home to over 70 % of the brain's neurons, has been largely understudied. The intricately folded structure of the cerebellum and its deep position in the brain make it challenging to measure accurately with MEG. Recent advances have made high-resolution individual models of the cerebellum possible facilitating the analysis and interpretation of the MEG data. Combining individual cerebellum models with high-resolution MEG using OPMs would potentially enable new research avenues. Motivated by these advances, this study compares the performance of SQUID-based MEG systems and OPM-based on-scalp systems for detecting cerebellar activity. Simulations were conducted to evaluate key metrics, including MEG sensitivity maps, total information capacity, and the conservation factor for different sensor types. The results show that OPMs and triaxial OPMs (tOPMs) clearly outperform SQUIDs in terms of sensitivity. OPMs deliver at least twice the signal strength of SQUIDs, while tOPMs produce signals up to four times stronger. In terms of total information capacity, OPMs achieve a maximum of 3451 bits in the cortex and 631 bits in the cerebellum, surpassing the corresponding SQUID results of 693 bits and 261 bits. The conservation factor analysis reveals similar performance across all sensor types, with more signal cancellation observed in the cerebellum compared to the cortex.Magnetoenkefalografia (MEG) mittaa aivojen toimintaa havaitsemalla hermosolujen virtojen tuottamat heikot magneettikentät. Perinteisesti MEG:ssä on käytetty suprajohtavia kvantti-interferenssilaitteita (SQUID) niiden korkean herkkyyden vuoksi. Kuitenkin niiden tarve kryogeeniselle jäähdytykselle tuo mukanaan rajoituksia, kuten lämpöeristyksen tarpeen, mikä johtaa noin 2 cm:n väliin antureiden ja päänahan välillä. Tämä heikentää signaalia erityisesti pienipäisillä yksilöillä. Optisesti pumpatut magnetometrit (OPM) tarjoavat vaihtoehdon SQUID:lle toimimalla lähes huoneenlämmössä. Tämä mahdollistaa antureiden sijoittamisen lähemmäksi päänahkaa. Tämä sekä parantaa signaalin laatua, että helpottaa antureiden sijaintien mukauttamista eri pään muotoihin ja kokoihin. Vaikka suurin osa neurokuvantamistutkimuksesta on keskittynyt isoaivokuoreen, pikkuaivot, joissa on yli 70 % aivojen neuroneista, ovat jääneet suurelta osin taka-alalle. Pikkuaivojen korkea poimuttuneisuus, syvä sijainti aivoissa ja yksilöllisten geometristen mallien puute ovat tehneet niiden tarkasta mittaamisesta MEG:llä haasteellista. Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat mahdollistaneet korkearesoluutioisten yksilöllisten mallien saavuttamisen pikkuaivoista. Yhdistämällä yksilölliset pikkuaivomallit korkearesoluutioiseen MEG:hen OPM:ien avulla voidaan mahdollisesti avata uusia tutkimussuuntia. Näiden uusien edistysaskelten innoittamana tämä tutkimus vertaa SQUID- ja OPM-pohjaisten MEG-järjestelmien suorituskykyä pikkuaivojen aktiivisuuden havaitsemisessa. Simulaatioita suoritettiin eri metriikoilla, mukaan lukien MEG-herkkyyskartat, kanavan informaatiokapasiteetti ja signaalin säilyvyyskerroin. Tulokset osoittavat, että yksi- ja kolmiakseliset OPM:t (tOPM:t) ylittävät SQUID:it herkkyydessä. OPM:t havaitsevat vähintään kaksinkertaisen signaalin SQUID:hin verrattuna, kun taas tOPM:t havaitsevat jopa nelinkertaisesti voimakkaampia signaaleja. Informaatiokapasiteetissa OPM:t saavuttavat maksimissaan 3451 bittiä isoaivokuoresta ja 631 bittiä pikkuaivoista, ylittäen vastaavat SQUID-tulokset, jotka ovat 693 bittiä ja 261 bittiä. Signaalin säilyvyyskertoimen analyysi ei paljastanut eroja eri anturityyppien välillä, mutta signaalin kumoutumista havaittiin enemmän pikkuaivoissa isoaivokuoreen verrattuna.Description
Supervisor
Hämäläinen, MattiThesis advisor
Iivanainen, JoonasKeywords
MEG, OPM, SQUID, magnetoencephalography, optical magnetometry, cerebellum