능동 차폐 기능을 갖춘 경량의 자기 차폐실

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13561(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

MSR(자기 차폐실)은 MuMetal과 같은 여러 층의 재료를 사용하여 MEG(자기뇌파검사)와 같은 고정밀 자기장 측정을 방해할 수 있는 외부 자기장을 차단합니다. 광학 펌핑 자력계(OPM)는 높은 시공간 해상도를 갖춘 동작 허용 기능성 뇌 영상 시스템을 제공할 수 있는 잠재력을 가진 웨어러블 MEG 시스템의 개발을 가능하게 했습니다. 상당한 가능성에도 불구하고 OPM은 ± 5nT의 동적 범위 내에서 제로 자기장 공진 주변에서 작동하면서 엄격한 자기 차폐 요구 사항을 부과합니다. 따라서 OPM-MEG용으로 개발된 MSR은 외부 소스를 효과적으로 차폐하고 인클로저 내부에 낮은 잔류 자기장을 제공해야 합니다. OPM-MEG에 최적화된 기존 MSR은 비싸고 무겁고 배치가 어렵습니다. 전자기 코일은 OPM-MEG 동안 참가자의 움직임을 가능하게 하는 MSR 내부의 잔여 필드를 추가로 취소하는 데 사용되지만 현재 코일 시스템은 참가자의 움직임을 제한하고 환자 경험에 부정적인 영향을 미치는 MSR의 공간을 엔지니어링하고 점유하기가 어렵습니다. 여기에서는 이러한 장벽을 해결하기 위한 중요한 조치를 취하는 경량 MSR 설계(표준 OPM 최적화 MSR에 비해 무게가 30% 감소하고 외부 치수가 40~60% 감소)를 제시합니다. 우리는 또한 MSR의 벽에 직접 배치된 일련의 단순한 직사각형 코일을 특징으로 하는 '창 코일' 능동 차폐 시스템을 설계했습니다. MSR 내부의 잔여 자기장과 코일에 의해 생성된 자기장을 매핑함으로써 최적의 코일 전류를 식별하고 중앙 입방미터에 대한 잔여 자기장을 |B|= 670 ± 160pT로 취소할 수 있습니다. 이러한 발전으로 인해 OPM-MEG의 광범위한 배포에 필수적인 MSR의 비용, 설치 시간 및 부지 제한이 줄어듭니다.

기본 입자의 전기 쌍극자 모멘트 검색1과 뇌자기검사(MEG)2와 같은 생체 자기 기록을 포함한 정밀 실험을 위해서는 MSR(자기 차폐실)과 같은 낮은 자기장 환경이 외부 소스의 방해를 최소화하는 데 필요합니다. MEG는 신경 전류에 의해 생성된 자기장을 측정하는 비침습적 기능성 뇌 영상 기술입니다3. 역모델링은 이러한 측정된 필드에 적용되어 탁월한 공간(~3mm) 및 시간적(~1ms) 해상도2,4로 기본 신경 활동을 재구성하여 인간 두뇌 기능에 대한 고유하고 비침습적인 창을 제공합니다5. 그러나 신경자기장은 두피에서 100초의 펨토테슬라(fT) 정도이므로 간섭원에 의해 쉽게 가려집니다. 따라서 MSR은 MEG 시스템의 중요한 구성 요소입니다2.

최첨단 MEG 스캐너는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)의 고정 배열을 사용합니다. 이러한 센서는 액체 헬륨 온도로 냉각되어야 하기 때문에 SQUID-MEG MSR의 형상은 주로 극저온 듀어가 쉴드 내에 위치해야 한다는 요구 사항에 의해 좌우됩니다. 그러나 최근 양자 기술의 발전으로 광학 펌핑 자력계(OPM)6,7,8을 기반으로 한 MEG 시스템이 탄생했습니다. 상업적으로 이용 가능한 OPM(예: QuSpin Inc.(미국 콜로라도주 루이빌) 및 FieldLine Inc.(미국 콜로라도주 볼더)에서 제공하는 것)은 알칼리 금속의 양자 특성을 활용하는 소형 통합 자기장 센서입니다9,10. 이러한 센서는 참가자가 MEG 연구11 중에 이동할 수 있도록 웨어러블 헬멧에 장착될 수 있습니다. MEG 신호(1~100Hz 범위의 관심 신호, < 15fT/√Hz의 감도 필요)를 측정하는 데 필요한 감도 수준을 달성하려면 OPM은 ±의 좁은 동적 범위 내에서 제로 자기장 공진을 중심으로 작동됩니다. 5nT12 및 0~130Hz의 대역폭. 따라서 OPM-MEG용 MSR은 이 주파수 범위 내의 소스에서 발생하는 자기 간섭을 차단하는 동시에 자기장의 크기가 1nT 미만이고 자기장의 기울기가 1nT/m 미만인 환경을 제공해야 합니다. 이 성능은 예상되는 참가자 움직임 범위 동안 머리와 센서 배열을 모두 포함할 수 있을 만큼 충분히 큰 볼륨에 대해 필요합니다. 예를 들어 외부 소스에 의해 유도되거나 참가자 중 센서의 회전/병진을 통해 필드의 변화가 발생합니다. 움직임)은 동적 범위 밖으로 OPM을 보내지 않습니다.