基于球形线圈阵列的OPM-MEG传感器几何标定方法及其对脑磁源定位精度的提升

《IEEE Sensors Journal》：Sensor Array Geometry Acquisition by Spherical Coil Array for OPM-Based MEG System

本研究针对OPM-MEG系统中传感器阵列几何精度不足影响脑磁源定位准确性的问题，开发了一种基于球形线圈阵列的标定方法。通过干式MEG体模实验验证，该方法将近距离记录模式下等效电流偶极子(ECD)定位误差的变异性降低约50%，显著提升了OPM-MEG在研究和临床应用中的可靠性。

　　

在脑科学研究领域，脑磁图(Magnetoencephalography, MEG)作为一种无创检测脑神经活动的重要工具，能够通过测量大脑神经元电活动产生的微弱磁场来定位神经活动源。传统MEG系统依赖于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)，但其需要液氦冷却的苛刻条件限制了应用。近年来，光学泵浦原子磁强计(Optically Pumped Atomic Magnetometer, OPM)的发展使得非低温MEG成为可能，特别是其可灵活贴合头皮的"智能头盔"设计，能够将传感器近距离放置于头皮表面，从而捕获更强的神经磁信号。

然而，这种灵活性也带来了新的挑战：传感器阵列几何结构的精确测定变得尤为关键。在传统的固定式头盔中，传感器位置可通过计算机辅助设计(Computer-Aided Design, CAD)数据确定；但在可调节的智能头盔中，每个传感器的深度和方向都可能因受试者头型而异，而现有的传感器定位方法可能无法提供足够的几何精度。当传感器更靠近大脑皮层时，磁场梯度更陡，即使微小的传感器位置或方向偏差也会显著影响源定位的准确性。

为解决这一问题，研究人员探索将原本为SQUID-MEG系统开发的球形线圈阵列标定技术应用于OPM-MEG系统。该阵列由16个直径为150mm的同心圆形线圈组成，对称排列在球形骨架上，能够产生空间分布均匀的参考磁场。本研究首次系统评估了这种方法在OPM-MEG系统中的适用性及其对源定位精度的改善效果。

研究团队采用位于纽约大学阿布扎比分校(NYUAD)的96通道OPM-MEG系统(HEDscan)进行实验，该系统安装在双层坡莫合金磁屏蔽室内。实验使用干式MEG体模，该体模装备有49个等效电流偶极子(Equivalent Current Dipole, ECD)，可模拟真实神经活动产生的磁场。研究比较了两种传感器几何获取方法：一种是系统原有的智能头盔定位功能(ORG)，另一种是球形线圈阵列标定方法(SPH)。

为准确评估几何标定效果，研究采用了两种特殊的数据处理策略：模板拟合场提取方法和递归坐标系统变换方法。这些方法有效隔离了与传感器阵列几何无关的不确定性因素，使几何标定效果的评估更为纯粹。

主要技术方法包括：使用球形线圈阵列产生43Hz正弦猝发电流磁场，通过优化算法确定每个OPM传感器的位置、方向和灵敏度；采用干式MEG体模产生11Hz ECD信号；应用模板拟合方法提高信噪比；实施递归坐标变换最小化坐标系转换误差；利用贝叶斯方法和哈密尔顿蒙特卡洛(Hamiltonian Monte Carlo, HMC)采样进行变异性分析。

传感器阵列几何获取结果

球形线圈阵列成功应用于OPM-MEG系统，在近距离(on-scalp)和远距离(off-scalp)两种模式下均获得了高精度的传感器几何参数。优化拟合优度(Goodness of Fit, GOF)达到99.99%以上。与原有方法相比，传感器位置差异微小(约1mm)，但方向差异显著(平均7.2°)。灵敏度估计值也显示出个体间变异(1.61±0.11 nT/V)，而非系统默认的恒定值。

ECD估计结果比较

球形线圈标定显著提高了ECD定位的准确性和一致性。在四种实验条件(Close/0.01mA、Close/0.1mA、Far/0.01mA、Far/0.1mA)下，SPH方法的ECD拟合优度均高于ORG方法。特别是在近距离记录模式下，SPH将ECD定位的变异性降低了约50%，这一改善通过95%置信区间得到确认。

变异性分析

贝叶斯分析显示，球形线圈标定在不同测量条件下均降低了ECD定位的变异性。位置位移(ΔL、ΔT、ΔR)、方向位移(Δφ)和矩位移(Δq)的标准差比率(ρ_Δ = σ_{Δ, SPH}/σ_{Δ*, ORG})的95%置信区间均小于1，表明SPH方法在所有评估指标上均优于ORG方法。改善效果在近距离模式下尤为明显，而在远距离模式下虽然存在但程度较轻。

研究结论表明，球形线圈阵列标定方法可成功应用于OPM-MEG系统，通过提供更准确的传感器方向和灵敏度估计，显著提高了脑磁源定位的准确性。这种改善在传感器靠近源时更为明显，这与近距离测量时磁场梯度更陡的特性一致。该方法弥补了现有OPM-MEG系统几何标定的不足，为高精度脑功能研究提供了技术支撑。

讨论部分指出，与以往研究相比，球形线圈阵列方法的优势在于其对机械加工误差和磁屏蔽室退磁场影响的不敏感性。然而，该方法目前需要在被试不戴头盔时进行标定，限制了其实时应用潜力。未来研究方向包括开发可包裹整个传感器阵列的大型球形线圈系统，以及基于深度学习的高速标定算法。

这项研究发表于《IEEE Sensors Journal》，为OPM-MEG系统的精确标定提供了实用解决方案，推动了这一新兴技术在神经科学研究和临床脑功能检测中的更广泛应用。通过提高源定位可靠性，OPM-MEG有望在癫痫灶定位、脑功能区测绘等领域发挥更大作用。