Localizing optically pumped magnetometers in a person-sized magnetic shield using electromagnetic coils

Thumbnail Image

Files

master_Luostarinen_Eemeli_2026.pdf (22.08 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | 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

2025-12-30

Department

Major/Subject

Biomedical Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies
Master's Programme in Life Science Technologies
Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

59

Series

Abstract

Magnetoencephalography (MEG) measures weak biomagnetic fields produced by neuronal activity with extremely sensitive sensors. Conventional MEG systems utilize Superconductive Quantum Interference Device (SQUID) sensors, while novel MEG systems use optically pumped magnetometers (OPMs). Source imaging methods are used to estimate the location of the neuronal activity detected by MEG solving the electromagnetic inverse problem. Finding an accurate and physiologically meaningful estimate requires precise co-registration of the sensors to the brain. In SQUID-MEG, the sensors have fixed positions and orientations. Co-registration to the head is obtained by localizing small digitized coils attached to the head. Digitized anatomical markers and head shape are used to estimate the transformation from the head to a magnetic resonance (MR) image of the brain. With OPM-MEG, a typical method to obtain the co-registration is to perform an optical scan. Using surface matching, a 3D model of the sensor helmet is aligned with the optical scan. The optical scan is then aligned to the brain by matching the segmented scalp surface of the MR image. We implemented an automatic co-registration process for OPM-MEG. The position, orientation, and gain of OPM sensors were estimated from measurements of large electromagnetic coils, which were transformed to the coordinate system of the sensor helmet using measurements of small coils attached to the helmet. Transformation to the brain was estimated from the optical scan featuring the subject and the sensor helmet. We validated the co-registration process by localizing phantom dipoles with known locations. The mean errors of the localized dipoles were 1.8 mm, 1.2°, and 11% for the location, orientation and amplitude, respectively. The performance of the method is adequate and it can be used with OPM-MEG to obtain the co-registration.

Magnetoenkefalografia (MEG) mitattaa aivojen aktiivisuudesta syntyviä heikkoja magneettikenttiä, joiden mittaamiseen tarvitaan erittäin herkkiä antureita. Tavallisesti näiden mittaamiseen käytetään SQUID-antureita (engl. Superconductive Quantum Interference Device). Uuden sukupolven MEG systeemit käyttävät optisesti pumpattuja magnetometreja (OPM). Aktiivisuuden paikantamiseen aivoissa käytetään lähdemallinnusta ratkaisemalla sähkömagneettinen käänteisongelma. Tarkan ja fysiologisesti merkityksellisen tuloksen saavuttamiseksi vaaditaan tarkka yhteisrekisteröinti (engl. co-registration) antureiden ja aivojen välillä. SQUID-MEG:ssä antureiden paikat ja orientaatiot ovat tunnettuja ja yhteisrekisteröinti koehenkilön päähän suoritetaan paikantamalla päähän kiinnitettyjä HPI (engl. head position indicator) keloja. HPI kelojen lisäksi digitoidaan pään muoto sekä anatomiset vertailupisteet, joiden avulla lasketaan muunnos päästä magneettiresonassi (MR) kuvan koordinaatistoon. Tavanomainen tapa suorittaa yhteisrekisteröinti OPM-MEG:ssä on käyttää optista skannausta. Pintojen yhteensovitusta (engl. surface matching) hyödyntäen kohdistetaan anturikypärän 3D-malli ja optinen skannaus. Tämän jälkeen skannaus kohdistetaan MR-kuvasta segmentoituun kasvojen pintaan, mikä antaa muunnoksen, jonka avulla anturit ja MR-kuva kohdistetaan. Tässä työssä toteutimme yhteisrekisteröintimenetelmän OPM-MEG:lle hyödyntämällä jo olemassa olevia mentelmiä. OPM-anturin paikka, suunta ja vahvistus arvioitiin sähkämagneettisien kelojen mittauksista. Nämä muunnettiin anturikypärän koordinaatistoon käyttämällä muunnosta, joka arvioitiin kypärään kiinnitettyjen HPI kelojen mittauksista. Yhteisrekisteröinti antureiden ja MR-kuvan kooridnaatistojen välillä arvioitiin anturikypärän ja koehenkilön optisesta skannaukseta. Yhteisrekisteröinti menetelmä validoitiin paikantamalla dipoleita, joiden paikka on tunnettu. Paikannettujen dipoleiden keskivirheet paikalle, suunnalle ja voimakkuudelle olivat 1.8 mm, 1.2° ja 11%. Yhteisrekisteröintimentelmän tarkkuus on riittävä sen hyödyntämiseen OPM-MEG:ssä.

Description

Supervisor

Parkkonen, Lauri

Thesis advisor

Grön, Mikael

Keywords

magnetoencephalography, optically pumped magnetometer, OPM-MEG, on-scalp, co-registration, sensor localization, magnetic co-registration, lightweight magnetic shield

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202601191539

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI