Active magnetic shielding for magnetoencephalography in a person-sized shield

Thumbnail Image

Files

master_Eklund_Eelis_2025.pdf (35.9 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

2025-08-25

Department

Major/Subject

Biomedical Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

58

Series

Abstract

Magnetoencephalography (MEG) measures the weak magnetic fields generated by electrically active neuron populations using ultra-sensitive sensors, such as the superconducting quantum interference devices (SQUIDs) or optically-pumped magnetometers (OPMs). To reduce interference, MEG measurements are typically conducted in magnetically shielded rooms (MSRs). While SQUIDs measure changes in the magnetic field, OPMs measure the absolute field, requiring a near-zero field within the sensor array. We are developing an OPM-MEG system employing a person-sized magnetic shield (PSS). The PSS does not remove all external interference and therefore active shielding is needed. In this thesis, an active coil compensation system for the PSS was designed and validated through simulations and measurements. The coils were designed and simulated using bfieldtools Python package to produce three homogeneous magnetic fields and five first-degree gradient fields according to the eight first components of the spherical harmonics. The designs were validated using COMSOL Multiphysics and converted to PCBs using KiCad. The magnetic fields from the PCB coils were measured using a fluxgate magnetometer and the measured fields were compared to the first-order approximation of vector spherical harmonic (VSH) fields. Mean relative errors between the VSH approximations and the measured fields were 1.68–3.11% for homogeneous fields and 3.75–9.90% for the gradient fields. Coil efficiencies aligned with the design, generating 5 nT/mA for homogeneous components and 10–20 nT/m/mA for gradients. Since the coils work as intended, they can be used to achieve the near-zero magnetic field within the sensor array allowing OPM-MEG measurements with the person-sized shield.

Magnetoenkefalografialla (MEG) mitataan hermosolujen aiheuttamia heikkoja magneettikenttiä herkillä antureilla, kuten SQUID-antureilla (engl. superconducting quantum interference device) tai optisesti pumpatuilla magnetometreilla (OPM). Häiriökenttien minimoimiseksi MEG-mittaukset tehdään usein magneettisuojatussa huoneessa. SQUID-anturit mittaavat magneettikentän muutosta, kun taas OPM-sensorit mittaavat absoluuttista kenttää edellyttäen nollakentän sensoreiden ympärille. Kehitämme OPM-MEG järjestelmää, joka hyödyntää pientä magneettisuojahuonetta (engl. person-sized shield, PSS). Tavallisen magneettisuojahuoneen tapaan PSS ei suojaa kaikilta häiriökentiltä, vaan aktiivisuojausta hyödynnetään häiriökenttien minimointiin. Tässä diplomityössä suunniteltiin, toteutettiin sekä varmennettiin sähkömagneettisiin keloihin perustuva aktiivisuojausjärjestelmä. Kelat suunniteltiin käyttäen bfieldtools-pakettia Pythonille hyödyntäen kahdeksaa ensimmäistä palloharmonista funktiota. Kelojen tuottamat kentät simuloitiin COMSOL Multiphysics-simulointiohjelmistolla ja kelat jäljennettiin piirilevylle KiCad-ohjelmistolla. Piirilevykelojen tuottamat magneettikentät mitattiin fluxgate-magnetometrilla, ja niitä verrattiin ensimmäisen asteen aproksimaatioon vektoripalloharmonisista (engl. vector spherical harmonic, VSH) funktioista. Keskimääräinen suhteellinen virhe VSH approksimaation ja mitatun kentän välillä oli 1,68--3,11\% homogeenisille kentille ja 3,75--9,90\% gradienttikentille. Kelojen kenttäkertoimet (engl. gain) olivat linjassa simulaatioiden kanssa. Homogeeniset kelat tuottivat noin 5 nT/mA ja gradienttikelat tuottivat noin 10--20 nT/m/mA, jotka olivat lähes samat simulaatioissa ja mittauksissa. Tulokset osoittavat, että kelat mahdollistavat sensoreiden ympärille tarvittavan nollakentän ja siten OPM-MEG-mittaukset pienessä magneettisuojahuoneessa.

Description

Supervisor

Parkkonen, Lauri

Thesis advisor

Hietala, Paavo

Keywords

magnetoencephalography, optically pumped magnetometer, electromagnetic coils, person-sized shield, magnetic shielding, active compensation, optisesti pumpattu magnetometri, sähkömagneettiset kelat, henkilön kokoinen suojahuone, magneettisuojaus, aktiivikompensaatio

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510208373

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI