Une salle légère à blindage magnétique avec blindage actif

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13561 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Les salles à blindage magnétique (MSR) utilisent plusieurs couches de matériaux tels que MuMetal pour filtrer les champs magnétiques externes qui, autrement, interféreraient avec les mesures de champ magnétique de haute précision telles que la magnétoencéphalographie (MEG). Les magnétomètres à pompage optique (OPM) ont permis le développement de systèmes MEG portables qui ont le potentiel de fournir un système d'imagerie cérébrale fonctionnelle tolérant le mouvement avec une résolution spatio-temporelle élevée. Malgré des promesses importantes, les OPM imposent des exigences strictes en matière de blindage magnétique, fonctionnant autour d'une résonance de champ magnétique nulle dans une plage dynamique de ± 5 nT. Les MSR développés pour l'OPM-MEG doivent donc protéger efficacement les sources externes et fournir un faible champ magnétique rémanent à l'intérieur de l'enceinte. Les MSR existants optimisés pour l'OPM-MEG sont chers, lourds et difficiles à implanter. Les bobines électromagnétiques sont utilisées pour annuler davantage le champ résiduel à l'intérieur du MSR permettant les mouvements des participants pendant l'OPM-MEG, mais les systèmes de bobines actuels sont difficiles à concevoir et à occuper de l'espace dans le MSR, limitant les mouvements des participants et ayant un impact négatif sur l'expérience du patient. Nous présentons ici une conception MSR légère (réduction de 30 % du poids et réduction de 40 à 60 % des dimensions externes par rapport à un MSR standard optimisé par OPM) qui prend des mesures importantes pour surmonter ces obstacles. Nous avons également conçu un système de blindage actif de « bobine de fenêtre », comprenant une série de simples bobines rectangulaires placées directement sur les parois du MSR. En cartographiant le champ magnétique résiduel à l'intérieur du MSR et le champ magnétique produit par les bobines, nous pouvons identifier les courants de bobine optimaux et annuler le champ magnétique résiduel sur le mètre cube central à seulement |B|= 670 ± 160 pT. Ces avancées réduisent le coût, le temps d'installation et les restrictions d'implantation des MSR qui seront essentiels pour le déploiement généralisé de l'OPM-MEG.

Des environnements à faible champ magnétique, tels que des salles à blindage magnétique (MSR), avec des perturbations minimales provenant de sources externes, sont nécessaires pour des expériences de précision, y compris la recherche du moment dipolaire électrique des particules fondamentales1, et des enregistrements biomagnétiques, tels que la magnétoencéphalographie (MEG)2. La MEG est une technique d'imagerie cérébrale fonctionnelle non invasive qui mesure les champs magnétiques générés par les courants neuronaux3. La modélisation inverse est appliquée à ces champs mesurés pour reconstruire l'activité neuronale sous-jacente avec une excellente résolution spatiale (~ 3 mm) et temporelle (~ 1 ms)2,4, offrant une fenêtre unique et non invasive sur la fonction du cerveau humain5. Cependant, le champ neuromagnétique est de l'ordre de 100 s de femtotesla (fT) au niveau du cuir chevelu et est donc facilement masqué par des sources interférentes. Un MSR est donc un composant essentiel d'un système MEG2.

Les scanners MEG de pointe utilisent un réseau fixe de dispositifs supraconducteurs d'interférence quantique (SQUID). Comme ces capteurs doivent être refroidis à des températures d'hélium liquide, la géométrie d'un SQUID-MEG MSR est largement régie par l'exigence qu'un dewar cryogénique soit situé à l'intérieur du bouclier. Cependant, les développements récents des technologies quantiques ont conduit à des systèmes MEG basés sur des magnétomètres à pompage optique (OPM)6,7,8. Les OPM disponibles dans le commerce (tels que ceux fournis par QuSpin Inc. (Louisville, Colorado, États-Unis) et FieldLine Inc. (Boulder, Colorado, États-Unis)) sont de petits capteurs de champ magnétique intégrés qui exploitent les propriétés quantiques des métaux alcalins9,10. Ces capteurs peuvent être montés dans un casque portable qui permet aux participants de se déplacer pendant les études MEG11. Pour atteindre le niveau de sensibilité requis pour mesurer les signaux MEG (signaux d'intérêt dans la plage 1–100 Hz, sensibilité < 15 fT/√Hz requise), les OPM fonctionnent autour d'une résonance de champ magnétique nulle, dans une plage dynamique étroite de ± 5 nT12 et une bande passante de 0–130 Hz. Les MSR pour OPM-MEG doivent donc filtrer les interférences magnétiques provenant de sources dans cette gamme de fréquences, tout en fournissant un environnement dans lequel les champs magnétiques sont < 1 nT en amplitude et les gradients dans le champ sont < 1 nT/m. Cette performance est requise sur un volume suffisamment grand pour contenir à la fois la tête et le réseau de capteurs pendant la plage attendue des mouvements des participants, de sorte que tout changement de champ (soit induit par une source externe, soit via la rotation/translation d'un capteur pendant le mouvement des participants) n'envoie aucun OPM en dehors de sa plage dynamique.

Contrairement au SQUID-MEG, l'OPM-MEG portable peut être réalisé en utilisant une large gamme de formes et de tailles MSR. En plus des boucliers cubiques fixes, des boucliers cylindriques qui peuvent être facilement déplacés ont été utilisés là où l'espace est limité (bien que de telles conceptions interdisent en grande partie le mouvement des participants)7. Pour réaliser le plein potentiel de l'OPM-MEG et permettre un déploiement à grande échelle, les MSR doivent être optimisés pour fournir l'environnement magnétique requis pour le fonctionnement de l'OPM tout en répondant aux principales préoccupations telles que le coût, le poids, le confort et l'impact architectural du bouclier.

Le blindage passif des champs magnétiques est obtenu en enfermant des expériences dans plusieurs couches d'un matériau à haute perméabilité magnétique. Un matériau couramment utilisé est le MuMetal, qui est un alliage nickel-fer de très haute perméabilité (\(\mu_{r}\) peut être supérieur à 200 000 suite à un traitement thermique pour agrandir le grain du matériau). Le mécanisme de shunt de flux protège les champs magnétiques à basse fréquence (CC à 10 Hz) en déviant les lignes de flux dans le MuMetal où elles suivent le MuMetal autour de la région blindée et sortent de l'autre côté de l'enceinte13. Pour filtrer les champs magnétiques à haute fréquence (10 Hz à MHz), un matériau à haute conductivité électrique est également utilisé (par exemple du cuivre ou de l'aluminium). Les courants de Foucault dans le matériau induisent un champ magnétique qui dévie le champ imposé13. Les chambres blindées actuellement disponibles dans le commerce et optimisées pour l'OPM-MEG utilisent quatre couches de MuMetal et une couche de cuivre. En conséquence, ces MSR sont lourds (> 10 tonnes), avec des exigences d'implantation strictes et un besoin de travaux de construction importants. Ceci, associé à de longs temps de fabrication et d'installation, rend l'innovation dans la conception MSR hautement souhaitable.

Bien qu'un facteur de blindage élevé (le rapport de l'intensité du champ magnétique de la source interférente mesurée avec et sans le blindage) puisse être atteint lors du filtrage des sources externes, la nature ferromagnétique de MuMetal signifie que les MSR ont souvent un champ magnétique interne résiduel d'environ 10–30 nT14. Des bobines de démagnétisation peuvent être incorporées dans les parois MuMetal du MSR pour réduire le champ rémanent. Ainsi, si un courant sinusoïdal décroissant est appliqué à ces bobines, le métal est entraîné autour de sa courbe \(B {-} H\) vers un point de magnétisation nulle15,16. Le champ magnétique résiduel est alors réduit à un niveau qui dépend des choix de matériaux (par exemple, l'épaisseur des couches, l'espacement des couches et la perméabilité des matériaux) et des imperfections techniques (telles que les trous d'accès, les portes et les joints entre les panneaux MuMetal). Une intensité de champ d'environ 2 à 5 nT est généralement atteinte17.

Pour compenser davantage le champ résiduel (et permettre le mouvement des participants dans l'OPM-MEG), un blindage magnétique actif est utilisé lorsque des bobines électromagnétiques sont utilisées pour générer un champ magnétique d'amplitude égale, mais de direction opposée, au champ résiduel. Des bobines triaxiales de Helmholtz, ou des systèmes similaires, peuvent être utilisées pour générer des champs magnétiques connus dans toutes les orientations et compenser le champ résiduel et les gradients de champ8, mais ces conceptions sont mal adaptées à une utilisation avec des sujets humains car elles enferment les participants dans un cadre inconfortable. Nos travaux précédents ont démontré les premières études OPM-MEG tolérantes au mouvement, utilisant des bobines biplanaires «d'empreintes digitales». Ces bobines sont produites à l'aide de méthodes de conception de bobines à gradient IRM qui limitaient les enroulements de bobine à deux grands plans (plans carrés de 1,6 × 1,6 m2 séparés de 1,5 m). Ceux-ci peuvent être placés de chaque côté d'un participant, permettant un accès facile18. De tels systèmes occupent de l'espace à l'intérieur du MSR et l'annulation de champ est limitée à un petit volume (0,4 × 0,4 × 0,4 m3) au centre de l'espace entre les plans de la bobine. En outre, bien que les bobines de ces systèmes soient généralement conçues pour générer un champ uniforme homogène distinct ou un gradient de champ sur un volume souhaité, les champs produits interagissent avec les parois MuMetal du MSR, entraînant une modification de l'intensité de champ attendue par unité de courant et une distorsion de la variation spatiale du champ magnétique, ce qui rend difficile l'annulation précise si les interactions ne sont pas prises en compte au stade de la conception19,20,21. Il est bien sûr souhaitable de rapprocher les chemins de câbles des bobines des parois du MSR pour maximiser l'espace disponible à l'intérieur, bien que cela augmente la force de l'interaction avec le MuMetal.

Nous décrivons ici la conception, la construction, le fonctionnement et les performances d'une salle à blindage magnétique passif et actif - avec des dimensions internes de 2,4 × 2,4 × 2,4 m3 - qui fait des pas significatifs vers la résolution des défis décrits ci-dessus. Le MSR léger est formé de deux couches de MuMetal et d'une couche de cuivre, avec des espacements de couches réduits par rapport aux conceptions précédentes. Des bobines de démagnétisation sont incorporées dans les couches MuMetal. Pour améliorer l'efficacité du blindage du MSR plus léger, nous avons développé un nouveau système de blindage actif à plusieurs bobines, la «bobine de fenêtre», comprenant une série de 27 bobines rectangulaires. Les dimensions et les positions des bobines ont été optimisées, en tenant compte de l'interaction avec les parois MuMetal du MSR, et les bobines construites placées directement sur les parois du MSR pour maximiser l'espace disponible dans le MSR et améliorer considérablement l'expérience des participants aux expériences MEG. En cartographiant la force et la variation spatiale du champ magnétique produit par chaque bobine, ainsi qu'en cartographiant le champ magnétique résiduel, des courants de bobine appropriés ont été identifiés pour générer une superposition des modèles de champ magnétique des 27 bobines qui annule le champ résiduel sur un grand volume (1 × 1 × 1 m3) à l'intérieur du MSR. Les performances de blindage du MSR ont été validées en mesurant les facteurs de blindage sur une gamme de fréquences à l'aide de champs magnétiques contrôlés. Des données d'exemple de bruit de capteur OPM dans le MSR vide ont également été collectées pour vérifier sa pertinence pour les enregistrements biomagnétiques.

Le MSR décrit ici a été installé chez Young Epilepsy (Lingfield, Surrey, Royaume-Uni), une organisation caritative pour les enfants et les jeunes adultes atteints d'épilepsie. Le MSR a été conçu pour être utilisé par un système OPM-MEG (Cerca Magnetics Limited, Kent, Royaume-Uni) dans la recherche sur l'épilepsie. En plus de garantir les performances magnétiques, les considérations esthétiques étaient importantes pour créer un environnement de numérisation confortable pour les jeunes patients et leurs familles.

Magnetic Shields Limited (MSL, Kent, Royaume-Uni) a conçu et construit le MSR léger (The Light MuRoom) qui comprend deux couches (couches externe et interne) de MuMetal de 1,5 mm d'épaisseur et une couche (couche intermédiaire) de cuivre de 4 mm d'épaisseur. Il s'agit d'une réduction significative de la quantité de matériau de blindage par rapport aux MSR optimisés OPM existants tels que la norme MSL MuRoom22 au centre d'imagerie Sir Peter Mansfield de l'Université de Nottingham (UoN) qui comprend deux couches externes de MuMetal de 1,5 mm d'épaisseur, deux couches internes de MuMetal de 1 mm d'épaisseur et une couche intermédiaire de cuivre de 6 mm. Les modifications apportées à la conception standard de MuRoom entraînent une réduction de 40 % de MuMetal et une réduction de 33 % de cuivre, ce qui réduit le poids total du MSR d'environ 30 % à ~ 7 tonnes. Le coût des matériaux et le temps d'installation requis sont également réduits.

Pour permettre la construction dans des environnements de laboratoire et hors laboratoire où l'espace est limité, la distance totale entre les couches intérieure et extérieure a également été réduite. La MuRoom standard a un volume interne (x,y,z) (y est la direction verticale) de 3 × 2,4 × 3 m3 et un volume externe de 3,7 × 3,4 × 4,0 m3 alors que la Light MuRoom a un volume interne utile de 2,4 × 2,4 × 2,4 m3 et un volume externe d'environ 2,8 × 3 × 2,8 m3 ; une réduction de 40 à 60 % de l'épaisseur totale de la paroi selon les différentes dimensions du MSR. L'espacement entre la couche externe de MuMetal et de cuivre est d'environ 0,1 m, et l'espacement entre le cuivre et la couche interne de MuMetal est d'environ 0,02 m.

Le MSR a été construit à partir de panneaux MuMetal et de cuivre montés sur un cadre en aluminium qui a été placé sur une couche anti-vibrationnelle sur une base en béton coulé. Les plus grands panneaux MuMetal mesuraient 1,11 × 0,55 m2 et les plus grands panneaux en cuivre mesuraient 0,76 × 0,76 m2. Il s'agissait d'une réduction d'environ 20 % de la surface par rapport aux panneaux MuMetal de 1,23 × 0,61 m2 et de 40 % par rapport aux panneaux de cuivre de 1 × 1 m2 utilisés dans l'UoN MuRoom. Une réduction de la taille des panneaux MuMetal améliore l'efficacité de la production, car davantage de panneaux peuvent subir un traitement thermique en une seule passe, ce qui réduit le temps et les coûts de fabrication. Les petits panneaux sont également plus faciles à manipuler lors de l'installation. Les panneaux de blindage MuMetal de la couche externe ont été disposés à 90° en rotation plane par rapport à ceux de la couche interne pour minimiser les fuites de flux. La porte MSR comprend trois charnières et une poignée à levier. Un mécanisme de déverrouillage d'urgence permet d'accéder au MSR en moins de vingt secondes dans le cas improbable d'une défaillance du mécanisme de verrouillage standard, essentiel pour obtenir l'accès du patient en cas de crise. Un éclairage LED a été placé le long des bords du MSR pour garantir des décalages de champ DC minimaux au centre de la pièce.

Des séances de consultation ont eu lieu avec les professionnels de la santé et les groupes de patients qui utiliseraient le MSR pour déterminer comment fournir un environnement de numérisation confortable. Le MSR a été enfoncé dans le sol, de sorte que les participants n'aient pas à monter une marche à l'entrée. Des travaux de construction ont été effectués après l'installation afin que la face avant du MSR soit une continuation de la pièce dans laquelle il se trouve, plutôt qu'une entité séparée. Pour le participant, seul le mur avant du MSR est visible ; une pièce séparée derrière le mur contient l'arrière du MSR et est utilisée pour loger l'équipement. De plus, le sol du hall d'attente était le même que celui du MSR. Ces éléments créent un environnement calme pour un enregistrement. Un modèle annoté généré par ordinateur et des photographies du MSR construit sont illustrés à la Fig. 1.

La chambre à blindage magnétique Light MuRoom. (a) Modèle informatique du Light MuRoom, coupe transversale révélant le cadre et la structure des couches. (b) Photographie de l'extérieur du participant faisant face au côté du MSR. (c) Photographie de l'intérieur du MSR avec système portable OPM-MEG monté sur un mannequin en plastique.

La magnétisation de MuMetal augmente avec le temps en raison des fluctuations du champ externe telles que celles manifestées par le champ magnétique terrestre. Cet effet est exacerbé par l'ouverture et la fermeture de la porte du MSR en raison des domaines magnétiques à l'intérieur du matériau se déplaçant à travers et s'alignant avec le champ terrestre. Pour générer une magnétisation MuMetal reproductible, des bobines de démagnétisation ont été enroulées autour de chaque face des couches intérieure et extérieure de MuMetal, avec des enroulements équilibrés de chaque côté des couches16. Les bobines des deux couches étaient connectées en série les unes avec les autres. Les courants ont été appliqués aux bobines via un convertisseur numérique-analogique (DAC) sur une unité d'acquisition numérique (DAQ) BNC-6212 de National Instruments (NI, Austin, Texas, États-Unis) qui sort vers un amplificateur de puissance AE Techron (Elkhart, Indiana, États-Unis) 7226 qui était connecté à un côté d'un transformateur de signal Bel (Lynbrook, New York, États-Unis) 530-SU-7.5 (pour supprimer tout décalage CC). L'autre côté du transformateur était connecté aux bobines de démagnétisation. Un signal sinusoïdal à décroissance linéaire est généré en interfaçant le DAQ avec un programme LabVIEW (NI). Les paramètres de forme d'onde optimaux (fréquence = 9, 5 Hz, courant de crête ~ 1, 5 A, décroissant pendant 60 s) ont été trouvés empiriquement en mesurant le champ magnétique avant et après la démagnétisation avec un magnétomètre triaxial fluxgate Bartington (Mag-13, Bartington Instruments, Witney, Royaume-Uni). La démagnétisation est effectuée à chaque ouverture de la porte et le circuit amplificateur est éteint avant toute mesure pour éviter les interférences.

La composante verticale de l'amplitude du champ magnétique résiduel après la démagnétisation (mesurée à l'aide du magnétomètre fluxgate au centre du MSR et aux coins d'un volume de 0,4 × 0,4 × 0,4 m3, avant tout blindage magnétique actif) était de 4,84 ± 0,39 nT (moyenne et écart type, valeur max/min de 4,34/5,70 nT, blindage du champ magnétique terrestre par un facteur de ~ 10,0 00). A titre de comparaison, la MuRoom standard atteint un champ résiduel < 2 nT à UoN22. Un blindage magnétique actif supplémentaire a été développé pour compenser davantage le champ résiduel (voir la section "Résultats").

Pour quantifier les performances du MSR, des mesures de facteur de blindage ont été prises en appliquant des champs magnétiques connus sur une plage de fréquences avant et après l'installation, en utilisant le magnétomètre fluxgate interfacé avec un DAQ Bartington Spectramag-6 24 bits pour enregistrer les données. Pré-installation, une bobine électromagnétique carrée à 5 spires (longueur latérale décalée de 3,3 m, à 500 mm de l'emplacement prévu des murs extérieurs, champ produit orienté verticalement du sol au plafond) a été installée autour du périmètre des fondations MuRoom dans le sol. La bobine a été entraînée avec des formes d'onde sinusoïdales à des fréquences de 0,01, 0,1, 1, 10 et 100 Hz à l'aide d'un amplificateur de puissance AE Techron 7226. Les formes d'onde ont été générées à l'aide d'un logiciel Python personnalisé et sorties par un DAQ NI USB-6212. Un courant de bobine d'environ 2 A pk--pk a généré un champ magnétique sinusoïdal d'une amplitude de 20 µT pk--pk au centre de la bobine à chaque fréquence. Les amplitudes de champ ont été mesurées en un point correspondant au point central interne de la post-construction de MuRoom. Une fois l'installation du MSR terminée, la bobine a été reconstruite et les mesures du champ magnétique ont été répétées. Les amplitudes des signaux CA ont été tirées d'une transformée de Fourier rapide des données enregistrées. Les rapports des valeurs de champ mesurées avec et sans le MSR ont été utilisés pour estimer le facteur de blindage du MSR.

Pour renforcer les effets des bobines de blindage passif et de démagnétisation, nous avons développé un système de blindage magnétique actif que nous appelons la « bobine de fenêtre ». L'ensemble de bobines de fenêtre a été paramétré, et une approche adaptée des systèmes de calage multi-bobines IRM23,24 a été utilisée pour optimiser les paramètres de bobine dans les contraintes fixées par la géométrie MSR et l'électronique de commande25.

Le système de bobine de fenêtre comprend six ensembles de quatre bobines unitaires électromagnétiques carrées, chacune formée de vingt tours de fil, disposées avec une symétrie quadruple sur une seule face du MSR. La disposition des bobines sur chaque face MSR est caractérisée par trois paramètres :

\(L_{c}\), la longueur du côté carré de chaque bobine unitaire dans la bobine de fenêtre,

\(O\), le décalage du centre de chaque bobine unitaire carrée par rapport au centre des bobines de fenêtre,

\(H\), le décalage du centre de la bobine de fenêtre par rapport au centre du mur MuMetal dans la direction verticale (\(y\)). Les ensembles de bobines sont centrés dans les dimensions horizontales (\(x\) et \(z\)) de chaque mur, comme indiqué à la Fig. 2a. Pour faciliter la fabrication, les mêmes valeurs des paramètres \(O\) et \(L_{c}\) ont été utilisées pour toutes les parois du MSR. Pour éclairer le choix d'un ensemble optimal de paramètres de bobine, nous avons mené une étude de simulation pour étudier la capacité d'une gamme de conceptions de bobines différentes à produire un champ magnétique souhaité sur une série de «points cibles» dans le MSR.

Le système de blindage magnétique actif de la bobine de fenêtre. (a) Paramétrage de la bobine de fenêtre. Quatre bobines carrées sont disposées avec une symétrie quadruple sur chaque face. La longueur du côté carré de la bobine, le décalage par rapport au centre de la fenêtre et le décalage dans l'axe vertical sont partagés entre toutes les faces. Les paramètres de la bobine sont optimisés pour produire des composantes connues du champ magnétique sur le mètre cube central du MSR. (b) Bobine de fenêtre optimisée finale avec 24 bobines carrées identiques. Cette structure est difficile à concevoir en raison de la nécessité d'intégrer la porte d'accès et les orifices de projection dans 3/6 murs. (c) La conception adaptée tient compte de la géométrie du MSR et comporte 27 bobines. (d) Dessin du coin d'un panneau à une seule bobine. Pour loger 20 spires de fil dans chaque bobine, une série de rainures est disposée en spirale dans laquelle le fil de cuivre est placé. Le chemin de retour du conducteur est également représenté. (e) Modèle final de la bobine de fenêtre avec tous les panneaux. (f) Photographie des panneaux de bobines installés (bobines de plancher cachées sous le plancher et bobines de porte cachées par l'angle de la photographie) prises avant le revêtement.

Le champ magnétique à un point cible \({\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} \left({x,y,z} \right)\) produit par une bobine unitaire carrée \(m\) (à partir d'un ensemble de \(M = 24\) bobines unitaires), lorsqu'il transporte un courant unitaire, est noté \({\varvec{b}}_{{\varvec{m}}} \left( {{\varvec{r}}_ {{\varvec{n}}} \droite)\). Le champ magnétique total, \({\varvec{B}}\left( {{\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\) à ce point cible de toutes les bobines du système, avec la bobine \(m^{th}\) transportant un courant \(i_{m}\) (de \(m = 1\) jusqu'à la bobine \(m = M\)), est la somme vectorielle de toutes les contributions de la bobine, c'est-à-dire

L'extension du calcul sur plusieurs points cibles permet la création d'une équation d'algèbre linéaire qui peut être utilisée pour trouver les courants de bobine optimaux. Sous la forme \({\varvec{Ai}} = {\varvec{b}}_{{\varvec{t}}}\) nous définissons une matrice de 'champ direct' \({\varvec{A}}\), un vecteur 'champ cible' \({\varvec{b}}_{{\varvec{t}}}\) et un vecteur de courant de bobine \({\varvec{i}}\). La matrice de champ direct contient les composants de champ magnétique \(B_{x}\), \(B_{y}\) et \(B_{z}\) générés par un courant unitaire dans chaque bobine évalué à chacun de \(n = 1\) à \(N\) points de champ cible au total, et a donc des dimensions \(3N\) lignes par \(M\) colonnes. Le vecteur de champ cible \({\varvec{b}}_{{\varvec{t}}} \user2{ }\) a des dimensions \(3N\) lignes sur 1 colonne et le vecteur actuel \({\varvec{i}}\) a des dimensions \(M\) lignes sur 1 colonne. La matrice de champ direct est calculée à l'aide des paramètres de la bobine et le vecteur de champ cible est prédéfini. Nous souhaitons donc trouver le vecteur actuel qui mappe de manière appropriée la matrice de champ direct sur le vecteur de champ cible. Pour s'assurer que les courants de bobine pour un ensemble donné de paramètres sont physiquement gérables, nous minimisons la norme \(||{ }{\varvec{Ai}} - {\varvec{b}}_{{{\varvec{t}}}}||^{2}_{2}\) sous réserve des contraintes que les bornes supérieure et inférieure (\(ub\) et \(lb\)) des valeurs autorisées de toute composante \(i_{m}\) du vecteur \({\var vec{i}}\) est \(lb \le i_{m} \le ub\) avec les bornes définies par les spécifications de l'électronique de pilotage de la bobine. Le problème est formé comme

Pour obtenir une solution pour \({\varvec{i}}\) nous utilisons la programmation quadratique contrainte25 en mettant la minimisation sous la forme

où l'exposant \({\varvec{A}}^{T}\) désigne la transposition de la matrice.

La proximité de la bobine avec les parois du MSR signifie que les champs magnétiques produits par l'interaction des bobines avec les parois MuMetal doivent être pris en compte lors de la conception d'un système de blindage actif haute performance. Ces interactions ont été étudiées précédemment et peuvent être évaluées à l'aide d'un ensemble de courants miroirs virtuels produits via la réflexion des chemins de câbles de la bobine dans les parois du MSR19,26,27. Des réflexions récursives des chemins de câbles réfléchis sont appliquées pour s'assurer que les conditions aux limites sont correctement remplies, de sorte que les composantes de champ tangentiel sont nulles sur la surface interne formée par les parois du MSR. Pour garantir que les champs magnétiques produits par les conceptions de bobines simulées reflètent le cas réel, les effets des interactions jusqu'aux réflexions du troisième ordre sont incorporés dans la matrice de champ direct. Nous avons supposé que les bobines sont déplacées de chaque paroi du MSR de 0,02 m lors du calcul de la position des éléments réfléchis. La somme vectorielle du champ magnétique produit par chacun des éléments réfléchis à chaque point cible forme la valeur du champ magnétique \({\varvec{b}}_{{\varvec{m}}} \left( {{\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\) qui est incorporée dans la matrice de champ direct \({\varvec{A}}\).

Pour optimiser les paramètres des bobines dans ce cadre, nous avons d'abord identifié la gamme de fenêtres-bobines qui pourraient être formées, car chaque paramètre caractérisant les bobines a une valeur maximale limitée par les dimensions du MSR. La présence de câbles de démagnétisation, de panneaux de revêtement et de plancher réduit le volume final utilisable sur lequel nous pouvons monter des panneaux de bobines à \(\left( {l_{x} ,l_{y} ,l_{z} } \right) = \left( {2.20 {\text{x}} 2.40 {\text{x}} 2.20} \right) {\text{m}}^{3}\) (système de coordonnées défini à la Fig. 2a, b, y est la direction verticale du sol au plafond). Comme nous souhaitons que toutes les bobines de fenêtre partagent les mêmes paramètres, cela restreint les valeurs autorisées de \(L_{c}\) à \(L_{c} < \frac{{l_{x} }}{2}.\) Pour une valeur donnée de \(L_{c}\) les valeurs de \(O\) sont alors restreintes à \(O < \frac{{l_{x} }}{2} - \frac{{L_{c} }}{2}.\) Nous restreignons ensuite \(H\) pour une valeur donnée de \(L_{c}\) et \(O\) de sorte que seules les bobines de fenêtre sur les parois \(xy\) et \(zy\) du MSR aient un \(H\) non nul, dont les valeurs sont limitées à \(H < \frac{{l_{y} }}{2} - \frac{{L_{c} }}{2} - O.\)

Pour un ensemble donné de paramètres de bobine, nous trouvons les vecteurs de courant qui génèrent le mieux dix vecteurs de champ cibles différents : les trois composantes de champ uniformes et (pour garantir que les gradients de champ magnétique sont bien équilibrés, avec une symétrie résultant de \(\nabla \cdot {\varvec{B}} = 0\) et, dans la région libre de courant délimitée par les points cibles, \(\nabla \times {\varvec{B}} = 0\)) 7 composantes de gradient de champ (linéaires) (quatre gradients longitudinaux et trois transversaux gradients ont été utilisés, voir la liste complète dans l'annexe 1 en ligne). Pour chaque combinaison de paramètres de bobine et chacune des 10 composantes de champ, \(fc\), une valeur de la qualité de la solution \(Q_{fc} = ||{\varvec{Ai}} - {\varvec{b}}_{{{\varvec{t}}}}||^{2}_{2}\) est calculée. Comme les paramètres de bobine optimaux sont susceptibles d'être différents pour différentes composantes de champ, une valeur de qualité combinée finale, \(F\), est calculée à partir des 10 valeurs individuelles, \(F = \mathop \sum \limits_{fc = 1}^{10} \sqrt {Q_{fc}^{2} }\).

Les paramètres de bobine qui minimisent la valeur de \(F\) sont trouvés à l'aide de MATLAB (Mathworks, Natick, MA, USA). La fonction de minimisation contrainte MATLAB fmincon fait varier les valeurs de \(L_{c}\), \(O\) et \(H\) en fonction des contraintes ci-dessus (aucune valeur négative de \(H\) n'a été prise en compte). Le champ magnétique de chaque bobine unitaire a été calculé à l'aide de la loi de Biot-Savart où le champ calculé pour un courant unitaire a été multiplié par 20 pour tenir compte de 20 tours de fil. L'intensité de champ cible pour chaque composant a été fixée à 5 nT et 5 nT/m pour les composants de champ magnétique et de gradient de champ magnétique respectivement. Dans chaque cas, le champ cible est calculé sur une grille cubique régulière de résolution 0,05 m (\(N = 9261\) points cibles au total) qui s'étend sur un volume de 1 × 1 × 1 m3 au centre de la partie utilisable de la pièce. La boîte à outils d'optimisation MATLAB comprend une fonction de programmation quadratique contrainte quadprog qui a été utilisée pour résoudre Eq. (3) et obtenir les vecteurs de courant optimaux pour produire chaque composante de champ pour chaque conception de bobine avec des courants liés à \(- 0,1 {\text{A}} \le i_{m} \le + 0,1 {\text{A}}\). Les paramètres de bobine optimaux se sont avérés être \ (L_{c} = 1 {\text{m}}\), \(O = 0,55 {\text{m}}\) et \(H = 0,08 {\text{m}}\). Cette conception est illustrée à la Fig. 2b.

En pratique, la conception du MSR comporte plusieurs zones « interdites » sur les murs intérieurs, telles que les emplacements des guides d'ondes pour le câblage de l'équipement, des trous pour la projection visuelle et une grande porte d'accès pour les participants et les expérimentateurs. L'emplacement de ces caractéristiques rend la conception optimisée de la bobine (Fig. 2b) difficile à réaliser. Les paramètres optimaux ont donc été utilisés comme guide pour adapter la conception aux zones interdites à la surface de la structure Light MuRoom. La figure 2c montre la conception de bobine adaptée. Aucune modification n'a été apportée au sol et au mur de droite. Des trous pour la projection visuelle étaient présents sur le mur de gauche, le mur arrière et le plafond, ce qui signifie que la conception des bobines sur ces murs a été adaptée pour comporter cinq bobines au lieu de quatre. Deux bobines rectangulaires ont été placées de chaque côté du trou du projecteur et une plus petite bobine rectangulaire a été placée autour du trou du projecteur. Sur la face de la porte, quatre bobines ont été utilisées dont deux étendues jusqu'au bord de la porte tandis que deux bobines plus petites ont été ajoutées à la porte elle-même. Il a été démontré que la conception à 27 bobines augmentait légèrement (indiquant de moins bonnes performances) le facteur de qualité final de 2 %. La figure 3 montre des contours simulés sur les points cibles pour un exemple de champ uniforme (\(B_{z}\), Fig. 3a), un gradient de champ longitudinal (\(dB_{x} /dx = - dB_{y} /dy\), Fig. 3b) et un gradient de champ transversal (\(dB_{x} /dz = dB_{z} /dx\), Fig. 3c). Le champ magnétique à chaque point cible de la carte de champ a été normalisé au champ cible ou à l'intensité du gradient de champ (5 nT ou 5 nT/m) pour montrer l'écart par rapport à l'uniformité du champ ou du gradient sur les points cibles. On note la grande uniformité de la composante de champ uniforme, < 3% d'écart sur le volume 1 × 1 × 1 m3. Cela se dégrade à > 20 % d'écart pour le gradient longitudinal (Fig. 3b) et > 30 % d'écart pour le gradient transversal (Fig. 3c). Les contours des composants de champ et de gradient restants sont présentés dans l'annexe 1 en ligne.

Composants de champ magnétique simulés produits par le système de blindage magnétique actif de la bobine de fenêtre. Contours de la variation du champ magnétique pour (a) un champ magnétique uniforme \(B_{z}\), (b) un gradient de champ longitudinal \(dB_{x} /dx = - dB_{y} /dy\) et (c) un gradient de champ transversal \(dB_{x} /dz = dB_{z} /dx\). Tous les contours sont représentés dans trois plans (disposés de gauche à droite) : z = 0 m |x|, |y|< 0,5 m, y = 0 m |x|, |z|< 0,5 m et x = 0 m |z|, |y|< 0,5 m respectivement. Les valeurs de champ à chaque point cible sont normalisées au champ cible ou à l'intensité du gradient de champ (de 5 nT ou 5 nT/m) pour montrer l'écart par rapport à l'uniformité. Les contours des composantes restantes du champ magnétique sont présentés dans l'annexe en ligne 1.

Chaque panneau de bobine a été construit en posant un fil de cuivre isolé de 0,65 mm de diamètre dans des rainures de 3 mm usinées dans des panneaux en plastique de 10 mm d'épaisseur. Les rainures ont été disposées en spirale pour faciliter la construction et accueillir 20 spires avec la longueur moyenne du côté de la bobine sur les spires correspondant aux paramètres optimaux de la bobine, comme illustré à la Fig. 2d. La figure 2e-f montre la disposition du panneau. Le motif en spirale a un effet minimal sur le champ produit au centre du MSR par rapport aux chemins de câbles rectangulaires utilisés dans la simulation. La résistance et l'inductance de la bobine varient en fonction de la taille du panneau, mais les valeurs maximales étaient respectivement de 4,99 Ω et 1,25 mH. Les panneaux ont été montés sur les murs du MSR et connectés à une boîte de jonction qui est à son tour connectée à une armoire électronique. L'armoire électronique contient neuf pilotes de tension à faible bruit QuSpin Inc. (http://quspin.com/low-noise-coil-driver/). Chaque pilote contrôle trois bobines et chaque voie a été configurée pour fournir jusqu'à ± 68 mA de courant à partir d'une tension d'entrée de ± 10 V. Les tensions d'entrée des pilotes de bobine sont fournies par une série de CNA 16 bits NI-9264 de National Instruments qui sont contrôlés par un DAQ NI-cDAQ-9174 et LabVIEW.

Pour annuler le champ magnétique résiduel, nous avons utilisé la méthode décrite par Rea et al.28 qui utilise le suivi optique d'un réseau mobile de capteurs de champ magnétique pour générer un modèle harmonique sphérique du champ magnétique dans le MSR29. Nous avons monté deux magnétomètres triaxiaux fluxgate (Bartington Mag-13MSL100 - variante à faible bruit avec une plage dynamique de ± 100 µT, précision < 1 nT, bruit < 6 pTrms/√Hz à 1 Hz) ainsi qu'un ensemble de cinq marqueurs réfléchissants infrarouges, sur un support en plastique fixé à un bâton en plastique, comme illustré à la Fig. 4a. Quatre caméras de suivi optique (OptiTrack Flex 13, NaturalPoint Inc., Corvallis, Oregon, États-Unis) ont été placées dans les coins supérieurs de la pièce, comme illustré à la Fig. 4b. Les caméras suivent la position des marqueurs réfléchissants et utilisent les coordonnées combinées d'une série de marqueurs (Fig. 4a) qui sont fixes les uns par rapport aux autres (formant un corps rigide) pour déduire un suivi à six degrés de liberté (translation et rotation) du corps rigide avec une précision inférieure au millimètre et inférieure à 1 degré.

Compensation active du champ magnétique résiduel à l'aide d'une méthode de cartographie de champ. (a) Deux magnétomètres fluxgate tri-axiaux fixés à un bâton en plastique. Une série de cinq marqueurs réfléchissants infrarouges sont également attachés au bâton permettant le suivi optique de la position et de l'orientation des capteurs dans le MSR. (b) Schéma de la configuration de la cartographie sur le terrain. Les caméras de suivi sont montées dans les coins du MSR et surlignées en bleu. Le volume noir en pointillés indique le volume central en mètres cubes dans lequel le bâton a été déplacé. Les marques surlignées en vert montrent le chemin suivi par les magnétomètres fluxgate pendant le processus de cartographie du champ, couvrant la majeure partie du mètre cube central du MSR. ( c ) Données du magnétomètre d'un seul composant d'un capteur triaxial mesurées lorsqu'une seule bobine était activée. En combinant les données de tous les magnétomètres avec les données de suivi optique, un modèle harmonique sphérique peut être utilisé pour approximer la force et la variation spatiale du champ produit par chaque bobine. (d) La trace rouge montre le champ magnétique mesuré par un magnétomètre dans le MSR avec toutes les bobines éteintes. Le modèle de champ magnétique de chaque bobine a été utilisé pour calculer les tensions de bobine qui produisent le champ d'annulation requis. Une fois les tensions appliquées, la cartographie a été effectuée à nouveau. La trace bleue montre les données du magnétomètre après annulation où des translations et des rotations de capteur similaires produisent peu ou pas de changement dans le champ mesuré. (e) Le mappage de champ et l'annulation ont été répétés 8 fois. Le graphique à barres montre un champ résiduel cohérent après la démagnétisation et une réduction cohérente de l'amplitude RMS des trois composantes de champ uniforme trouvées par le modèle lorsque la compensation est appliquée. ( f ) Une réduction similaire est observée dans l'amplitude RMS des cinq composantes de gradient de champ.

Les positions fixes des volumes sensibles des capteurs fluxgate par rapport au centre de masse du corps rigide ont été mesurées, permettant la combinaison des données de suivi optique avec les données du magnétomètre pour produire un ajustement précis à un modèle du champ magnétique. Les données Fluxgate ont été collectées à 1200 Hz à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) NI-9205 16 bits interfacé avec LabVIEW. Les données de suivi optique ont été collectées à 120 Hz à l'aide de la plate-forme logicielle OptiTrack Motive interfacée avec MATLAB via le Motive NatNet SDK (V3.1). Les données du magnétomètre ont été filtrées passe-bas à 10 Hz et sous-échantillonnées à 120 Hz pour correspondre à la fréquence d'échantillonnage du système de poursuite optique. Les données de suivi optique ont également été filtrées passe-bas à 10 Hz. Un signal de déclenchement a été utilisé pour synchroniser les deux enregistrements. Les deux flux de données ont été corrigés pour refléter les modifications du champ magnétique et de la position et de l'orientation du capteur par rapport au premier point dans le temps. Nous avons choisi un modèle de champ magnétique harmonique sphérique de troisième ordre comportant trois champs uniformes, cinq gradients de champ et sept termes de courbure (variant avec le carré de la distance) (tous les termes répertoriés dans le tableau 2), de sorte que la méthode renvoie un total de quinze coefficients d'ajustement qui décrivent la force relative de chaque composante harmonique sphérique dans le modèle.

Pour utiliser les coefficients de cartographie de champ pour sélectionner les courants de bobine de fenêtre pour l'annulation de champ, nous avons d'abord cartographié le champ magnétique résiduel (après démagnétisation de la pièce) sur le mètre cube central du MSR, en effectuant une série de rotations et de translations des magnétomètres à fluxgate. Ce processus prend environ 2 minutes. Le même ensemble de rotations et de translations a été effectué pour produire toutes les cartes de terrain. Un exemple du volume mappé est illustré à la Fig. 4b. Nous avons ensuite appliqué 5 V à une seule bobine à l'aide des CNA et cartographié à nouveau le champ. Un exemple adapté au champ magnétique généré par une bobine est illustré à la figure 4c. En soustrayant les coefficients trouvés pour le champ rémanent de ceux trouvés lorsque la bobine a été alimentée et en divisant par 5, nous obtenons le changement de chaque composant de notre modèle de champ magnétique qui est généré par une unité de tension appliquée. En répétant pour les 27 bobines, nous pourrions construire une matrice d'étalonnage de bobine, qui décrit le changement de chaque composant de champ généré par une tension unitaire appliquée à chaque bobine. La pseudo-inverse de cette matrice peut alors être utilisée pour identifier les tensions de bobine qui produisent le mieux le champ nécessaire pour annuler le champ rémanent. Le coefficient de corrélation entre l'ajustement de notre modèle et les données mesurées était> 0,98 pour chaque bobine, ce qui suggère un bon modèle et des valeurs d'étalonnage de bobine précises. L'étape d'étalonnage prend environ 1 h, mais n'est effectuée qu'une seule fois.

Nous avons étudié les performances de la méthode de cartographie et d'annulation du champ en démagnétisant d'abord le MSR, puis en cartographiant le champ magnétique résiduel et en calculant les tensions de bobine nécessaires pour annuler ce champ magnétique. Une fois ces tensions d'annulation appliquées, nous avons ensuite remappé le champ magnétique à l'intérieur du MSR, en nous attendant à voir une diminution des changements de champ magnétique subis par les fluxgates lorsqu'ils se déplacent sur le même chemin. L'annulation a été répétée huit fois pour évaluer la répétabilité du processus de démagnétisation et le niveau d'annulation de champ qui était réalisable.

Le tableau 1 montre les facteurs de blindage mesurés du MSR à une gamme de fréquences dans la bande passante de l'OPM.

La translation maximale du centre de masse des marqueurs de suivi optique à partir du centre du volume cartographié était (x, y, z) (0,32 ± 0,08 m, 0,50 ± 0,06 m, 0,44 ± 0,06 m) et (0,30 ± 0,04 m, 0,48 ± 0,04 m, 0,41 ± 0,06 m) avant et après l'annulation respectivement (moyenne ± écart type des 8 répétitions). La rotation maximale du centre de masse des marqueurs de suivi optique autour de l'origine dans les axes x, y, z était de (50 ± 10°, 28 ± 3°, 40 ± 10°) et (50 ± 10°, 28 ± 5°, 40 ± 10°). La cohérence du mouvement suggère que les changements dans le modèle de champ magnétique sont dus à un changement dans le champ magnétique du MSR. Les évolutions temporelles de la variation de champ mesurées par l'un des magnétomètres avant et après l'annulation du champ sont illustrées à la Fig. 4d. Une nette réduction de la taille des artefacts lors du mouvement du capteur est visible lorsque les bobines sont actives. La figure 4e montre une diminution de l'amplitude des trois composantes uniformes du modèle harmonique sphérique de \(\left| {\varvec{B}} \right| = 6,13 \pm 0,15\) nT à \(\left| {\varvec{B}} \right| = 0,67 \pm 0,16\) nT (moyenne ± écart type des 8 répétitions) avant et après l'application des tensions de bobine. La figure 4f montre une diminution de l'amplitude des cinq composantes du gradient de champ de \(\left| {\varvec{G}} \right| = 2,67 \pm 0,30\) nT/m à \(\left| {\varvec{G}} \right| = 1,02 \pm 0,46\) nT/m. Le tableau 2 résume le changement de chacune des quinze composantes du modèle harmonique sphérique, une réduction est observée dans toutes les composantes de champ uniforme et de gradient. Bien qu'une augmentation de certaines composantes de courbure soit observée, leur force est d'environ 1 nT/m2, et la variation avec le carré de la distance signifie que ces termes ont un impact minimal sur le champ au niveau de bruit des capteurs fluxgate. L'écart type moyen (\(\sigma\)) des six évolutions temporelles individuelles des données Fluxgate utilisées pour générer les ajustements du modèle est passé de \(\sigma = 0,84 \pm 0,15\) à \(\sigma = 0,24 \pm 0,02\) nT avant et après l'annulation du champ, respectivement. Le coefficient de corrélation moyen (\(r\)) sur les 6 canaux du magnétomètre est passé de \(r = 0,96 \pm 0,02\) à \(r = 0,45 \pm 0,09\) avant et après l'annulation du champ. La réduction du coefficient de corrélation suggère que le champ magnétique est compensé au niveau de bruit des fluxgates ; c'est-à-dire qu'il reste peu d'artefacts dans les données en corrélation avec les translations et les rotations du capteur. Ces résultats montrent que la bobine de fenêtre et la méthode de cartographie du champ permettent une compensation efficace du champ magnétique rémanent à l'intérieur du MSR.

Huit magnétomètres à champ nul QuSpin (QZFM, 3e génération, variante à deux axes, sensibilité < 15 fT/√Hz dans la bande 3–100 Hz) ont été placés au centre de la pièce. Le MSR a été démagnétisé avant les enregistrements. Les QZFM étaient chacun configurés pour mesurer deux composantes du champ magnétique. Les données ont été enregistrées pendant 10 min à 1200 Hz à l'aide d'un ADC NI-9205. Comme les tensions de bobine trouvées dans les expériences précédentes utilisaient < 1% de la plage dynamique des CNA, une résistance de 2 kΩ a été ajoutée en série à chaque bobine afin que 30% de la plage dynamique puisse être utilisée. Cette résistance supplémentaire réduit également le bruit de courant qui est traduit en bruit de champ magnétique à l'intérieur du MSR. Deux enregistrements ont été effectués : avec et sans le système de bobine de fenêtre allumé. La figure 5a montre les données temporelles enregistrées à partir de ces capteurs au cours de l'expérience avec la bobine de fenêtre allumée. La figure 5b montre la densité spectrale de puissance des données pour les deux cas, analysée à l'aide d'une fenêtre à dessus plat et en segmentant les données en morceaux de 10 s, avant de calculer la densité spectrale de puissance à l'aide de la fonction de périodogramme de MATLAB, puis de faire la moyenne des résultats. Le PSD moyen est représenté par une ligne continue (bleu/rouge pour les bobines activées/désactivées) et la plage sur tous les canaux est notée par les zones ombrées. Les données montrent des dérives de champ à basse fréquence d'environ 300 pT en 10 min. Le niveau de bruit moyen dans les bandes de fréquences d'intérêt pour les oscillations neuronales (avec/sans la bobine de fenêtre allumée respectivement) était : delta (0,5–4 Hz) 43/38 fT/√Hz, thêta (4–8 Hz) 16/13 ft/√Hz, alpha (8–12 Hz) 14/13 fT/√Hz, bêta (13–30 Hz) 14/12 fT/√Hz et gamma (30–100 Hz) 12/11 fT/√Hz. La plage entre les capteurs est comparable pour les deux conditions. Cette performance est susceptible de fournir un environnement approprié pour les enregistrements OPM-MEG.

Données OPM prises dans le Light MuRoom. ( a ) Évolution dans le temps du changement de champ magnétique subi par huit OPM à deux axes (16 canaux au total) qui ont été placés au centre du MSR vide avec le système de bobine de fenêtre allumé. Chaque OPM a été configuré pour mesurer deux composantes du champ magnétique. Sur 10 min, le changement de champ est d'environ 300 pT indiquant de bonnes performances de blindage et un environnement magnétique silencieux. ( b ) Moyenne et plage (ombrée) de la densité spectrale de puissance des données collectées à partir des OPM avec et sans le système de bobine de fenêtre actif. La ligne pointillée noire indique 15 fT/√Hz. Les données suggèrent que le MSR est un environnement approprié pour l'OPM-MEG et que le système de bobines n'ajoute pas de bruit de champ magnétique supplémentaire.

Les MSR légers, qui peuvent être facilement implantés, sont cruciaux pour le déploiement généralisé des systèmes OPM-MEG. Le processus de conception impliquait ici de réduire de moitié le nombre de couches de MuMetal, de réduire l'espacement des couches et de réduire l'épaisseur du cuivre par rapport à un MSR optimisé OPM existant. Chaque modification aura un impact négatif sur le facteur de protection du MSR, mais le tableau 1 montre que malgré ces modifications, des facteurs de protection élevés sont atteints, ce qui fournit des performances suffisantes pour obtenir des données OPM utilisables (Fig. 5). Nous notons que le MSR était situé sur un site avec des perturbations magnétiques minimales, il reste à voir si cette performance serait adaptée à un environnement plus difficile tel qu'un centre-ville ou un hôpital sans techniques supplémentaires, telles que le fonctionnement des bobines dans une boucle de rétroaction constante avec des capteurs de référence fixes pour annuler les changements de champ à basse fréquence. Le taux de changement de champ qui peut être généré en pilotant une bobine d'inductance \(L\) et de rendement \(\eta\) avec une tension de pilotage \(V\) est donné par \(dB/dt = \eta V/L\). En réglant \(\eta\) sur le champ maximum par unité de courant requis par l'une des 27 bobines pour générer un champ \(B_{x}\) uniforme au centre du MSR de 4,6 nT/mA, nous constatons qu'un taux de changement de champ de 3,5 nT/ms peut être atteint avec \(V = 1\) V. Puisque \(\left| {\frac{{d{\varvec{B}}}}{dt}} \right| \prop à \omega \left| {\varvec{B}} \right|\) pour une forme d'onde sinusoïdale, cela permet la génération d'un champ de plus de 5 nT en amplitude même à 100 Hz, ce qui est plus que suffisant pour l'annulation de champ dans la gamme de fréquences pertinente pour MEG. Aux fréquences plus élevées (> 1 kHz), le couplage entre le champ magnétique généré par les bobines et le MuMetal montre une dépendance en fréquence significative, produisant des variations dans l'intensité, la phase et la variation spatiale des champs. Bien que le fonctionnement dynamique des bobines se concentre sur les effets à basse fréquence, un fonctionnement à une fréquence plus élevée pourrait être possible via une modélisation précise de l'interaction MuMetal pour différents régimes de fréquence ou des algorithmes adaptatifs pourraient être utilisés pendant les processus de rétroaction constante. L'optimisation de la couche de cuivre pour améliorer le blindage à des fréquences plus élevées pourrait également être utilisée pour améliorer encore les mesures du facteur de blindage et permettre le déploiement du MSR dans des environnements plus bruyants.

Les systèmes de bobines électromagnétiques pour la compensation du champ magnétique résiduel d'un MSR ont constitué un domaine clé de développement pour le MEG à base d'OPM. Les travaux antérieurs ont impliqué la conception et la construction de systèmes biplanaires14,19 et de bobines de Helmholtz8, chacun comportant une série de bobines distinctes qui génèrent des composants connus de champ magnétique ou de gradient de champ. La compensation des champs magnétiques et des dérives de champ à basse fréquence aux niveaux inférieurs à nT requis pour le fonctionnement du capteur a été réalisée sur de petits volumes qui couvrent des réseaux montés sur la tête d'OPM subissant des mouvements limités. Il a été démontré que l'incorporation des interactions des champs produits avec les parois MuMetal du MSR améliore la qualité des modèles de champ produits par de telles bobines21, fournissant potentiellement une annulation de champ plus précise. Des techniques de conception de bobines et des packages open source ont été développés pour une variété de géométries de blindage et de bobine20,30. Cependant, les chemins de câbles élaborés et les multiples couches de bobines requises par ces systèmes conduisent à un processus de fabrication et d'installation complexe. L'étendue spatiale limitée de la région englobée par les solutions de bobines précédentes (par exemple, deux plans de 1,6 × 1,6 m2 séparés de 1,5 m) a eu un impact significatif sur la région utilisable du MSR, limitant la mesure dans laquelle un environnement de balayage confortable peut être atteint.

Le système de bobine de fenêtre et les méthodes de compensation de champ que nous avons décrites présentent trois avantages clés par rapport aux techniques existantes : (1) La fabrication est simplifiée, avec des bobines carrées/rectangulaires qui peuvent être placées de manière flexible sur la surface interne du MSR. (2) L'étalonnage et le fonctionnement de la bobine sont basés sur les données, en tenant compte de toutes les imperfections de champ qui ne peuvent pas être modélisées avec précision. (3) Les bobines peuvent être configurées pour produire des champs magnétiques dans un volume défini par l'utilisateur, se « reconcevant » efficacement pour s'adapter à leur environnement. Cette flexibilité présente des opportunités uniques. Le grand volume de compensation décrit ici permet une large gamme de mouvements des participants, mais les bobines pourraient également être réglées pour compenser des volumes plus petits tels que le casque OPM-MEG. En surveillant en permanence la position de la tête avec des caméras de suivi optique et en combinant la modélisation sur le terrain avec les données collectées par les capteurs OPM dans le casque MEG, les bobines pourraient éventuellement fonctionner en mode de rétroaction constante pour mettre à jour en permanence l'emplacement du volume blindé, un autre avantage d'un système multi-bobines. Les OPM seraient également sensibles au champ résiduel que les fluxgates sont incapables de détecter, améliorant ainsi les performances de l'annulation de champ. La stabilisation dynamique de cette manière supprimerait les « dérives » à basse fréquence présentes dans les données OPM illustrées à la Fig. 5a. Ces avancées pourraient permettre des expériences nécessitant un mouvement ambulatoire, une étape clé vers la réalisation du plein potentiel de l'OPM-MEG.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires.

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Ce travail a été soutenu par une subvention de R&D collaborative Innovate UK (Light MuRoom, réf : 104604), le UK Quantum Technology Hub in Sensing and Timing, financé par le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) (EP/T001046/1) et un Wellcome Collaborative Award in Science (203257/Z/16/Z et 203257/B/16/Z).

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L'étude a été conçue et conçue par NH, DW, TMT, RP, GRB, MJB et RB Les expériences ont été réalisées et analysées par NH, MR, JC, LJE, JL, PP, JW et NM Tous les auteurs ont contribué à la conception, à la construction et à l'installation de l'installation, à l'interprétation des résultats et à la rédaction du manuscrit.

Correspondance avec Niall Holmes.

DW est le directeur général de Magnetic Shields Limited, la société qui a conçu et construit la pièce à blindage magnétique décrite dans cet ouvrage. JC, PN, SP, PP, JW et NM sont des employés de Magnetic Shields Limited. PF reçoit une rémunération en tant que conseiller scientifique de Magnetic Shields Limited. EBDW et MJB sont administrateurs de Cerca Magnetics Limited, une société dérivée dont l'objectif est de commercialiser certains aspects de la technologie OPM-MEG. Les produits Cerca comprennent des chambres blindées magnétiquement pour les mesures biomagnétiques de Magnetic Shields Limited. EB, MJB, RB, NH et RH détiennent une participation fondatrice dans Cerca Magnetics Limited et RB, NH et RH siègent au conseil consultatif scientifique. ED et CM sont des employés de Cerca Magnetics Limited. VS est le directeur fondateur de QuSpin Inc., une entité commerciale vendant les magnétomètres OPM utilisés dans ce travail. JO est un employé de QuSpin Inc. RP est le directeur des soins intégrés chez Young Epilepsy, l'organisme de bienfaisance où la salle à blindage magnétique décrite dans ce travail a été installée. NH, JC, DW, PG, MJB et RB déclarent avoir un brevet en instance auprès de l'Office de la propriété intellectuelle du gouvernement britannique (demande n° GB2109459.4) concernant les systèmes de protection magnétique actifs décrits dans ce travail. Les autres auteurs, MR, JL, LJE, TMT, SM, GCO et GRB, ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Holmes, N., Rea, M., Chalmers, J. et al. Une pièce légère à blindage magnétique avec blindage actif. Sci Rep 12, 13561 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17346-1

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Reçu : 31 janvier 2022

Accepté : 25 juillet 2022

Publié: 09 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-17346-1

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