Una stanza leggera schermata magneticamente con schermatura attiva

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 13561 (2022) Citare questo articolo

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Le stanze schermate magneticamente (MSR) utilizzano più strati di materiali come MuMetal per schermare i campi magnetici esterni che altrimenti interferirebbero con misurazioni del campo magnetico ad alta precisione come la magnetoencefalografia (MEG). I magnetometri a pompaggio ottico (OPM) hanno consentito lo sviluppo di sistemi MEG indossabili che hanno il potenziale per fornire un sistema di imaging cerebrale funzionale tollerante al movimento con elevata risoluzione spaziotemporale. Nonostante le significative promesse, gli OPM impongono severi requisiti di schermatura magnetica, operando intorno a una risonanza del campo magnetico pari a zero entro un intervallo dinamico di ± 5 nT. Gli MSR sviluppati per OPM-MEG devono quindi schermare efficacemente le fonti esterne e fornire un basso campo magnetico residuo all'interno della custodia. Gli MSR esistenti ottimizzati per OPM-MEG sono costosi, pesanti e difficili da posizionare. Le bobine elettromagnetiche vengono utilizzate per annullare ulteriormente il campo residuo all'interno dell'MSR consentendo i movimenti dei partecipanti durante l'OPM-MEG, ma gli attuali sistemi di bobine sono difficili da progettare e occupano spazio nell'MSR limitando i movimenti dei partecipanti e incidendo negativamente sull'esperienza del paziente. Qui presentiamo un design MSR leggero (riduzione del 30% del peso e riduzione del 40-60% delle dimensioni esterne rispetto a un MSR standard ottimizzato per OPM) che compie passi significativi verso l'eliminazione di queste barriere. Abbiamo anche progettato un sistema di schermatura attiva "bobina a finestra", caratterizzato da una serie di semplici bobine rettangolari posizionate direttamente sulle pareti dell'MSR. Mappando il campo magnetico residuo all'interno dell'MSR e il campo magnetico prodotto dalle bobine, possiamo identificare le correnti ottimali della bobina e annullare il campo magnetico residuo sul metro cubo centrale a soli |B|= 670 ± 160 pT. Questi progressi riducono i costi, i tempi di installazione e le restrizioni di ubicazione degli MSR che saranno essenziali per l’implementazione diffusa di OPM-MEG.

Ambienti a basso campo magnetico, come stanze schermate magneticamente (MSR), con disturbi minimi da fonti esterne sono necessari per esperimenti di precisione, inclusa la ricerca del momento di dipolo elettrico delle particelle fondamentali1 e registrazioni biomagnetiche, come la magnetoencefalografia (MEG)2. La MEG è una tecnica di imaging cerebrale funzionale non invasiva che misura i campi magnetici generati dalle correnti neuronali3. A questi campi misurati viene applicata la modellazione inversa per ricostruire l'attività neuronale sottostante con un'eccellente risoluzione spaziale (~ 3 mm) e temporale (~ 1 ms)2,4, offrendo una finestra unica e non invasiva sulla funzione del cervello umano5. Tuttavia, il campo neuromagnetico è dell’ordine di 100 s di femtotesla (fT) sul cuoio capelluto e quindi viene facilmente mascherato da fonti interferenti. Un MSR è quindi un componente critico di un sistema MEG2.

Gli scanner MEG all'avanguardia utilizzano una serie fissa di dispositivi superconduttori di interferenza quantistica (SQUID). Poiché questi sensori devono essere raffreddati alla temperatura dell'elio liquido, la geometria di un MSR SQUID-MEG è in gran parte governata dal requisito che un dewar criogenico sia posizionato all'interno dello scudo. Tuttavia, i recenti sviluppi nelle tecnologie quantistiche hanno portato a sistemi MEG basati su magnetometri a pompaggio ottico (OPM)6,7,8. Gli OPM disponibili in commercio (come quelli forniti da QuSpin Inc. (Louisville, Colorado, USA) e FieldLine Inc. (Boulder, Colorado, USA)) sono piccoli sensori di campo magnetico integrati che sfruttano le proprietà quantistiche dei metalli alcalini9,10. Questi sensori possono essere montati su un casco indossabile che consente ai partecipanti di muoversi durante gli studi MEG11. Per raggiungere il livello di sensibilità richiesto per misurare i segnali MEG (segnali di interesse nell'intervallo 1–100 Hz, sensibilità richiesta < 15 fT/√Hz) gli OPM funzionano attorno a una risonanza del campo magnetico pari a zero, all'interno di uno stretto intervallo dinamico di ± 5 nT12 e una larghezza di banda di 0–130 Hz. Gli MSR per OPM-MEG devono quindi schermare le interferenze magnetiche provenienti da sorgenti all'interno di questo intervallo di frequenza, fornendo al tempo stesso un ambiente in cui i campi magnetici sono < 1 nT di ampiezza e i gradienti nel campo sono < 1 nT/m. Questa prestazione è richiesta su un volume sufficientemente grande da contenere sia la testa che la serie di sensori durante l'intervallo previsto di movimenti del partecipante, in modo tale che qualsiasi cambiamento nel campo (indotto da una fonte esterna o tramite rotazione/traslazione di un sensore durante il partecipante) movimento) non invia alcun OPM al di fuori del suo range dinamico.