Jump to content

Магнитомиография

Магнитомиография ( ММГ ) — это метод картирования мышечной активности путем регистрации магнитных полей , создаваемых электрическими токами, естественным образом возникающими в мышцах , с использованием массивов СКВИДов (сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств). [1] Он имеет лучшие возможности, чем электромиография , для обнаружения медленных или постоянных токов. Величина сигнала ММГ находится в шкале от пико (10–12) до фемто (10–15) тесла (Т). Миниатюризация ММГ открывает перспективу модернизации громоздких СКВИДов до портативных миниатюрных магнитных датчиков. [2]

Два ключевых фактора развития метода ММГ: [3] 1) плохое пространственное разрешение сигналов ЭМГ при неинвазивной записи на коже, где современные измерения ЭМГ проводятся даже с использованием игольчатых записывающих датчиков, что позволяет точно оценить мышечную активность, но болезненно и ограничено крошечными участками с неудачные точки пространственного отбора проб; 2) плохая биосовместимость имплантируемых датчиков ЭМГ из-за интерфейса металл-ткань. Датчики ММГ способны устранить оба недостатка одновременно, поскольку: 1) размер магнитного поля значительно уменьшается с увеличением расстояния между источником и датчиком, тем самым увеличивая пространственное разрешение ММГ; и 2) датчикам MMG не нужны электрические контакты для записи, поэтому, если они полностью упакованы биосовместимыми материалами или полимерами, они могут улучшить долгосрочную биосовместимость.

ММГ с использованием обычных СКВИДов[1] (вверху) и миниатюрных имплантируемых магнитных датчиков[2] (внизу).

В начале 18 века были исследованы электрические сигналы от живых тканей. Эти исследователи продвинули множество инноваций в здравоохранении, особенно в медицинской диагностике. Некоторые примеры основаны на электрических сигналах, вырабатываемых тканями человека, включая электрокардиограмму (ЭКГ), электроэнцефалографию (ЭЭГ) и электромиограмму (ЭМГ). Кроме того, с развитием технологий биомагнитные измерения человеческого тела, состоящие из магнитокардиограммы (МКГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ) и магнитомиограммы (ММГ), предоставили убедительные доказательства того, что существование магнитных полей от токов ионного действия в электрически активных ткани можно использовать для регистрации активности. Для первой попытки Дэвид Коэн с точечным сверхпроводящим квантовым интерференционным устройством (СКВИД) использовал магнитометр в экранированной комнате для измерения MCG. Они сообщили, что чувствительность записанной МКГ была на порядки выше, чем ранее записанной МКГ. Тот же исследователь продолжил измерения МЭГ, используя более чувствительный СКВИД-магнитометр без усреднения шума. Он сравнил ЭЭГ и альфа-ритм МЭГ, записанные как нормальными, так и аномальными субъектами. Показано, что МЭГ предоставила некоторую новую и отличную информацию, предоставленную ЭЭГ. Поскольку сердце может создавать относительно большое магнитное поле по сравнению с мозгом и другими органами, ранние исследования биомагнитного поля возникли на основе математического моделирования MCG. Ранние экспериментальные исследования также были сосредоточены на MCG. Кроме того, эти экспериментальные исследования неизбежно страдают от низкого пространственного разрешения и низкой чувствительности из-за отсутствия сложных методов обнаружения. С развитием технологий исследования расширились до функций мозга, а предварительные исследования вызванных МЭГ начались в 1980-х годах.Эти исследования предоставили некоторые подробности о том, какие популяции нейронов вносят вклад в магнитные сигналы, генерируемые мозгом. Однако сигналы от отдельных нейронов были слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить. Для генерации обнаруживаемого сигнала МЭГ требуется группа из более чем 10 000 дендритов. В то время обилие физических, технических и математических ограничений не позволяло проводить количественное сравнение теорий и экспериментов, включающих электрокардиограммы человека и другие биомагнитные записи. Из-за отсутствия точной модели микроисточника труднее определить, какие конкретные физиологические факторы влияют на силу МЭГ и других биомагнитных сигналов и какие факторы доминируют в достижимом пространственном разрешении.За последние три десятилетия было проведено большое количество исследований по измерению и анализу магнитного поля, генерируемого потоками токов ex vivo в изолированных аксонах и мышечных волокнах. Эти измерения были подтверждены некоторыми сложными теоретическими исследованиями и разработкой сверхчувствительных усилителей комнатной температуры и датчиков нейромагнитного тока. В настоящее время технология магнитной записи на уровне клеток стала методом количественного измерения рабочих токов.

В настоящее время сигналы ММГ могут стать важным индикатором в медицинской диагностике, реабилитации, мониторинге здоровья и управлении робототехникой. Последние достижения в области технологий открыли путь к удаленной и непрерывной регистрации и диагностике заболеваний мышц и периферических нервов у людей. [4] [5] В целях изучения электрофизиологического поведения матки перед родами ММГ использовалась в основном для мониторинга здоровья во время беременности. [6] [7] [8] Кроме того, ММГ имеет потенциал для использования в реабилитации, например, при травматическом повреждении нерва, повреждении спинного мозга и синдроме защемления. [9] [10] [11] [12]

Миниатюрный ММГ

[ редактировать ]

Величина сигналов ММГ ниже, чем у сердца и головного мозга. [10] Минимальная спектральная плотность может достигать предела обнаружения (LOD) в сотни фТл/√Гц на низких частотах, особенно в диапазоне от 10 до 100 Гц. В плодотворной работе Коэна и Гилвера в 1972 году они обнаружили и записали сигналы ММГ с помощью интерференционных устройств квантовых сверхпроводниковых ( СКВИДов ) . Они до сих пор руководили разработкой MMG, поскольку на данный момент это наиболее чувствительное устройство с пределом обнаружения фемто-Тесла (LOD) и, возможно, с достижением уровня детектирования атто-Тесла с усреднением. [13] В современных измерениях ММГ преобладают кальмары. [14] Тем не менее, их сверхвысокая стоимость и громоздкий вес ограничивают распространение этого метода магнитного зондирования. За последние несколько лет были быстро разработаны магнитометры с оптической накачкой (ОПМ) для изучения иннервации нервов и мышц рук в качестве экспериментальных исследований. [11] [15] [16] За последние годы OPM с небольшими физическими размерами значительно улучшили свои показатели LOD, особенно от конкурирующих производителей, таких как QuSpin Inc., FieldLine Inc. и Twinleaf. Чувствительность ниже 100 футов/√Гц была достигнута с помощью OPM. [17] [18] ММГ еще не стал распространенным методом, главным образом из-за его небольшой величины, на которую легко может повлиять окружающий магнитный шум. Например, амплитуда магнитного поля Земли примерно в пять миллионов раз больше, а окружающий шум от линий электропередач может достигать уровня нано-Теслы. Кроме того, текущие эксперименты с использованием СКВИДов и ОРМ для обнаружения ММГ проводятся в сильно экранированных помещениях, которые дороги и громоздки для личного ежедневного использования. Следовательно, разработка миниатюрных, недорогих методов биомагнитного зондирования при комнатной температуре станет важным шагом на пути к более широкому пониманию биомагнетизма.

Высокопроизводительный датчик Холла был успешно реализован со встроенной схемой считывания по технологии CMOS. [2] Однако для датчиков Холла требуется высокостабильный источник питания постоянного тока для возбуждения эффекта Холла и сложная интерфейсная схема для обработки собранных слабых напряжений Холла в условиях окружающего шума. [19] Недавно миниатюризированные туннельные магниторезистивные датчики. [20] [21] а также магнитоэлектрические датчики [22] были предложены будущие ММГ в виде носимых устройств. Они совместимы с CMOS, и выходные данные их датчиков могут считываться с помощью аналогового интерфейса. [23] Миниатюрный датчик TMR может стать эффективной альтернативой для будущих измерений MMG с относительно низкими эксплуатационными расходами.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Коэн, Дэвид; Гивлер, Эдвард (1972). «Магнитомиография: магнитные поля вокруг человеческого тела, создаваемые скелетными мышцами». Письма по прикладной физике . 21 (3). Издательство АИП: 114–116. Бибкод : 1972ApPhL..21..114C . дои : 10.1063/1.1654294 . ISSN   0003-6951 .
  2. ^ Jump up to: а б Хейдари, Хади; Цзо, Сымин; Красулис, Агамемнон; Назарпур, Киануш (2018). КМОП-магнитные датчики для носимой магнитомографии . 40-я Международная конференция Общества инженерии в медицине и биологии IEEE. Гонолулу, Гавайи, США: IEEE. дои : 10.1109/embc.2018.8512723 . ISBN  978-1-5386-3646-6 .
  3. ^ Цзо, Сымин; Хейдари, Хади; Фарина, Дарио; Назарпур, Киануш (2020). «Миниатюрные магнитные датчики для имплантируемой магнитомиографии» . Передовые технологии материалов . 5 (6). Уайли. дои : 10.1002/admt.202000185 . hdl : 10044/1/82414 .
  4. ^ Филлер, Аарон Дж; Маравилла, Кеннет Р.; Цуруда, Джей С. (1 августа 2004 г.). «МР-нейрография и МРТ мышц для визуальной диагностики заболеваний, поражающих периферические нервы и мускулатуру» . Неврологические клиники . Диагностические тесты при нервно-мышечных заболеваниях. 22 (3): 643–682. дои : 10.1016/j.ncl.2004.03.005 . ISSN   0733-8619 . ПМИД   15207879 .
  5. ^ Ямабе, Эйко; Накамура, Тошиясу; Ошио, Коичи; Кикучи, Ёсито; Икегами, Хироясу; Тояма, Ёсиаки (1 мая 2008 г.). «Повреждение периферического нерва: диагностика с помощью МРТ денервированных скелетных мышц - экспериментальное исследование на крысах». Радиология . 247 (2): 409–417. дои : 10.1148/radiol.2472070403 . ISSN   0033-8419 . ПМИД   18372449 .
  6. ^ Эсваран, Хари; Прейссль, Хуберт; Уилсон, Джеймс Д.; Мерфи, Пэм; Лоури, Кертис Л. (1 июня 2004 г.). «Прогнозирование родов при доношенной и преждевременной беременности с использованием неинвазивной магнитомиографической записи сокращений матки» . Американский журнал акушерства и гинекологии . 190 (6): 1598–1602. дои : 10.1016/j.ajog.2004.03.063 . ISSN   0002-9378 . ПМИД   15284746 .
  7. ^ Эсваран, Х.; Прейсль, Х.; Мерфи, П.; Уилсон, доктор медицинских наук; Лоури, CL (2005). «Пространственно-временной анализ активности гладких мышц матки, зарегистрированной во время беременности». 2005 27-я ежегодная конференция IEEE Engineering в медицине и биологии . Том. 2005. стр. 6665–6667. дои : 10.1109/IEMBS.2005.1616031 . ISBN  0-7803-8741-4 . ПМИД   17281801 . S2CID   12228365 .
  8. ^ Эсваран, Хари; Говиндан, Ратинасвами Б.; Фурдеа, Адриан; Мерфи, Пэм; Лоури, Кертис Л.; Прейссль, Хуберт Т. (1 мая 2009 г.). «Извлечение, количественная оценка и характеристика магнитомиографической активности матки — практический пример, подтверждающий концепцию» . Европейский журнал акушерства, гинекологии и репродуктивной биологии . 144 (Приложение 1): С96–С100. дои : 10.1016/j.ejogrb.2009.02.023 . ISSN   0301-2115 . ПМЦ   2669489 . ПМИД   19303190 .
  9. ^ Макерт, Бруно-Марсель; Макерт, Ян; Вюббелер, Герд; Армбруст, Фрэнк; Вольф, Клаус-Дитер; Бургхофф, Мартин; Трамс, Лутц; Курио, Габриэль (12 марта 1999 г.). «Магнитометрия токов повреждения образцов нервов и мышц человека с использованием сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств» . Письма по неврологии . 262 (3): 163–166. дои : 10.1016/S0304-3940(99)00067-1 . ISSN   0304-3940 . ПМИД   10218881 . S2CID   39692956 .
  10. ^ Jump up to: а б Гарсия, Марко Антонио Кавальканти; Баффа, Освальдо (2015). «Магнитные поля скелетных мышц: ценное физиологическое измерение?» . Границы в физиологии . 6 : 228. doi : 10.3389/fphys.2015.00228 . ISSN   1664-042X . ПМЦ   4530668 . ПМИД   26321960 .
  11. ^ Jump up to: а б Брозер, Филип Дж.; Кнаппе, Свенья; Каджал, Дилджит-Сингх; Нури, Нима; Алем, Оранг; Шах, Вишал; Браун, Кристоф (2018). «Магнетометры с оптической накачкой для магнитомиографии для изучения иннервации кисти» . Транзакции IEEE по нейронным системам и реабилитационной технике . 26 (11): 2226–2230. дои : 10.1109/TNSRE.2018.2871947 . ISSN   1534-4320 . ПМК   8202712 . ПМИД   30273154 . S2CID   52899894 .
  12. ^ Эскалона-Варгас, Диана; Олифант, Салли; Сигел, Эрик Р.; Эсваран, Хари (2019). «Характеристика активности мышц тазового дна с помощью магнитомиографии» . Нейроурология и уродинамика . 38 (1): 151–157. дои : 10.1002/nau.23870 . ISSN   1520-6777 . ПМК   8232046 . ПМИД   30387530 .
  13. ^ Фагалы, Р.Л. (01 октября 2006 г.). «Приборы и приложения для сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств». Обзор научных инструментов . 77 (10): 101101–101101–45. Бибкод : 2006RScI...77j1101F . дои : 10.1063/1.2354545 . ISSN   0034-6748 .
  14. ^ Устинин, Миннесота; Рыкунов, С.Д.; Поликарпов, М.А.; Юреня, А.Ю.; Наурзаков, ИП; Гребенкин А.П.; Панченко В.Ю. (09.12.2018). «Реконструкция функциональной структуры руки человека на основе магнитомиограммы» . Математическая биология и биоинформатика . 13 (2): 480–489. дои : 10.17537/2018.13.480 . ISSN   1994-6538 .
  15. ^ Ивата, Джеффри З.; Ху, Инань; Сандер, Тилманн; Мутураман, Мутураман; Чирумамилла, Венката Чайтанья; Гроппа, Сергей; Будкер Дмитрий; Викенброк, Арне (25 сентября 2019 г.). «Биомагнитные сигналы, зарегистрированные во время транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), вызванной периферической мышечной активности». arXiv : 1909.11451 [ q-bio.NC ].
  16. ^ Эльзенхаймер, Эрик; Лауфс, Хельмут; Шульте-Маттлер, Вильгельм; Шмидт, Герхард (2020). «Магнитное измерение электрически вызванных мышечных реакций с помощью магнитометров с оптической накачкой». Транзакции IEEE по нейронным системам и реабилитационной технике . 28 (3): 756–765. дои : 10.1109/TNSRE.2020.2968148 . ISSN   1534-4320 . ПМИД   31976901 . S2CID   210880585 .
  17. ^ Алем, Оранг; Сандер, Тилманн Х; Мхаскар, Рахул; ЛеБлан, Джон; Эсваран, Хари; Штайнхофф, Уве; Окада, Ёсио; Китчинг, Джон; Трамс, Лутц; Кнаппе, Свенья (04 июня 2015 г.). «Измерения магнитокардиографии плода с использованием набора микроизготовленных магнитометров с оптической накачкой». Физика в медицине и биологии . 60 (12): 4797–4811. Бибкод : 2015PMB....60.4797A . дои : 10.1088/0031-9155/60/12/4797 . ISSN   0031-9155 . ПМИД   26041047 . S2CID   12927453 .
  18. ^ Бото, Елена; Мейер, Софи С.; Шах, Вишал; Алем, Оранг; Кнаппе, Свенья; Крюгер, Питер; Фромхолд, Т. Марк; Лим, Марк; Гловер, Пол М.; Моррис, Питер Г.; Боутелл, Ричард (01 апреля 2017 г.). «Новое поколение магнитоэнцефалографии: измерения комнатной температуры с помощью магнитометров с оптической накачкой» . НейроИмидж . 149 : 404–414. doi : 10.1016/j.neuroimage.2017.01.034 . ISSN   1053-8119 . ПМЦ   5562927 . ПМИД   28131890 .
  19. ^ Хейдари, Хади; Бониццони, Эдоардо; Гатти, Умберто; Малоберти, Франко (2015). «КМОП-датчик Холла токового режима со встроенным внешним интерфейсом». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Регулярные статьи . 62 (5): 1270–1278. CiteSeerX   10.1.1.724.1683 . дои : 10.1109/TCSI.2015.2415173 . ISSN   1549-8328 . S2CID   9755802 .
  20. ^ Цзо, Сымин; Назарпур, Киануш; Хейдари, Хади (2018). «Моделирование устройств туннельных магниторезисторов с MgO-барьером для гибридной спинтроники-КМОП» (PDF) . Письма об электронных устройствах IEEE . 39 (11): 1784–1787. Бибкод : 2018IEDL...39.1784Z . дои : 10.1109/LED.2018.2870731 . ISSN   0741-3106 . S2CID   53082091 .
  21. ^ Хейдари, Хади (2018). «Электронные скины с глобальной привлекательностью» (PDF) . Природная электроника . 1 (11). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 578–579. дои : 10.1038/s41928-018-0165-2 . ISSN   2520-1131 . S2CID   125149476 .
  22. ^ Цзо, С.; Шмальц, Дж.; Озден, М.; Геркен, М.; Су, Дж.; Никил, Ф.; Лофинк, Ф.; Назарпур, К.; Хейдари, Х. (2020). «Сверхчувствительная магнитоэлектрическая сенсорная система для пико-Тесла магнитомиографии» (PDF) . Транзакции IEEE в биомедицинских схемах и системах . ПП (5): 971–984. дои : 10.1109/TBCAS.2020.2998290 . ПМИД   32746340 .
  23. ^ Цзо, Сымин; Фань, Хуа; Назарпур, Киануш; Хейдари, Хади (2019). Аналоговый КМОП-интерфейс для туннельных магниторезистивных спинтронных сенсорных систем . Международный симпозиум IEEE по схемам и системам. IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/iscas.2019.8702219 . ISBN  978-1-7281-0397-6 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 854b3f9ee3a8de3ca4c3af1456f74b40__1704226260
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/85/40/854b3f9ee3a8de3ca4c3af1456f74b40.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Magnetomyography - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)