HEDscan无液氦式脑磁图（OPM-MEG）
大脑是人体最复杂的器官之一，由约860亿个神经元和大量的神经胶质细胞组成。这些神经元通过突触传递信息，形成复杂的神经网络，控制着从基本生理功能到高级认知过程的一切。为了研究和理解大脑，科学家们开发了多种脑成像技术。这些技术分为结构成像和功能成像两类。结构成像，如磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）主要用于观察大脑的解剖结构；而功能成像如功能磁共振成像（fMRI）、脑磁图（MEG）和脑电图（EEG）等则用于测量和记录大脑的活动情况。
脑磁图（MEG）
基本概念
脑磁图（Magnetoencephalography, MEG）是一种非侵入性的功能成像技术，通过记录大脑神经元活动产生的磁场，提供对大脑活动的高时间分辨率和空间分辨率测量。MEG传感器阵列能够精确检测大脑神经元在突触活动中产生的微弱磁场，帮助研究人员实现实时监测和大脑功能分析。
生理学原理-神经元与电磁场的产生
神经元是大脑的基本功能单元，通过电信号传递信息。一个典型的神经元由细胞体、树突和轴突组成。当神经元接受到突触传递的化学信号时，会引发细胞膜电位的变化，这种变化称为突触后电位（PSP）。突触后电位可以是兴奋性突触后电位（EPSP）或抑制性突触后电位（IPSP）。EPSP使膜电位去极化，而IPSP使膜电位超极化。大量同步活动的EPSP和IPSP在树突上会产生电流环路，这些电流环路会在神经元周围产生微小的磁场。根据安培环路定律，电流产生的磁场方向与电流方向垂直。由于神经元的排列和电活动的同步性，大脑皮层产生的磁场能够在头皮外被测量到，这种磁场主要来源于位于大脑皮层表层的锥体细胞的树突电流。
图 1 脑磁图的磁信号原理(来源：Mohamed HEGAZY,2022)
MEG测量的技术原理
MEG设备传统上利用超导量子干涉器（SQUID）来检测微弱的磁场变化。SQUID是目前已知最灵敏的磁场传感器之一，能够检测到极其微小的磁场变化。SQUID需要在超低温（通常是液氦温度下）工作，保持超导状态，因此其电阻几乎为零，极大地提高了测量精度。它通过约瑟夫森结（Josephson Junction）中的量子干涉效应感应磁场变化，将微小的磁场变化转换为电信号。
近年来，光泵磁力计（OPM）作为一种新型传感器被引入MEG技术中。其概念与原理将在第二部分进行详细介绍。
与其他脑成像技术的对比
为了全面理解MEG技术特征，下表将MEG与几种主要的脑成像技术在多个关键方面进行详细对比，从而帮助我们更好地理解各技术的特点及适用性。
表 1 MEG与其他脑成像技术对比
由上表可见，MEG由其毫秒级的时间分辨率和毫米级的空间分辨率而突出，能够精准追踪大脑活动的快速变化。相比之下，其他技术如fMRI、EEG、PET、fNIRS等在时间或空间分辨率或灵敏度上也有所不同，各有特点和适用性。
光泵磁力计脑磁图（OPM-MEG）
基本概念
OPM-MEG是一种新兴的基于光泵磁力计原理的脑磁图技术，与传统的SQUIDs不同，OPM-MEG在接近室温的条件下工作，具有更高的便携可移动性和灵活性。
其工作原理涉及使用激光将特定波长的光泵入含有特定原子（如铷或铯）的气室，光泵过程会使这些原子的电子自旋定向。当外界磁场作用于这些定向的电子自旋时，会导致其自旋状态发生变化，从而影响原子的吸收和发射光的特性。通过检测原子吸收和发射光的变化，可以精确测量出外界磁场的强度和方向，这些数据被用于重构脑内神经活动产生的磁场。OPM-MEG无需复杂的冷却系统，设备轻便且成本较低，能够在活动的受试者中进行实验和脑功能测量，展现出极大的应用潜力。
图 2 OPM传感器
与传统SQUID技术的对比
如上所述，MEG技术主要依赖两种核心传感器技术：传统的SQUIDs和新兴的OPMs。长期以来，SQUID技术以其高灵敏度和精度在MEG领域占据重要地位，而OPM技术则以其脱离超导环境限制和操作简便性引起了广泛关注，下表将详细对比这两种技术的特点，展示各自在不同应用场景中的优势和不足。
表 2 OPMs与SQUIDs技术对比
在了解OPM和SQUIDs技术特点后会发现，OPM技术凭借其高灵敏度、无需冷却和低系统复杂性，逐渐成为现代MEG设备发展热点。
HEDscan系统
HEDscan 系统是基于新型OPM传感器技术的非侵入式可穿戴MEG设备。最新研究表明，与之前的 MEG 技术相比，这种新一代技术可以明显改善信噪比。与之前的 MEG 设备不同，HEDscan的头盔式设备使MEG测量过程更加灵活和用户友好。实验中受试者只需佩戴一顶轻便的智能化头盔，便可以展开实时的测量。
图 3 HEDscan系统
HEDscan智能头盔
这款先进的脑磁图（MEG）智能化头盔，配备了全头分布的OPM传感器。与传统MEG设备相比，这种均匀覆盖的设计能够更精确地捕捉和测量全脑神经元活动，确保了数据的高精度和高分辨率。不同于需要自主定位的fNIRS、TMS等脑科学设备，该款智能化头盔具备自动化定位功能，能够对每个通道传感器的配置深度及位置进行自动化定位。另外，每个传感器的独立插拔设计，使得该设备更方便维护和更换，大大提高了使用便捷性和数据采集的稳定性。HEDscan系统的集成式模块化设计也是其亮点之一，其可扩展设计支持用户根据自身实验需求灵活配置传感器数量，且最高可达144个。除此之外，头盔还支持从婴儿到成人的全尺寸定制，能够适应不同年龄段和头型的用户需求。
图 4 HEDscan智能化头盔
图 5 头盔内部概览
多样化磁屏蔽模式
在MEG实验中，磁屏蔽室的搭建至关重要，其主要作用是屏蔽外界磁场干扰，以确保记录的脑磁信号的纯净度和准确性。HEDScan除了智能化头盔和集成式系统设计之外，还为用户提供了多样的磁屏蔽模式。用户可以根据自身实验需求与条件灵活选择。
首先是传统的磁屏蔽室。传统的脑磁室是一个由多层高导磁材料和铝等非磁性材料构成的独立房间。其多层屏蔽结构能够提供极高的磁屏蔽效果，尤其在低频和高频磁场屏蔽方面表现出色。适用于高精度要求的MEG实验和临床应用，能够有效隔绝绝大多数外界磁场干扰。虽然传统脑磁室的初始建造成本较高，但它具备卓越的屏蔽性能，能够显著提高数据的准确性和可靠性，减少数据处理和修正成本。
其次，磁屏蔽筒。磁屏蔽筒是一种相对简易的屏蔽装置，通常为圆柱形筒体，由高导磁材料制成。磁屏蔽筒特别适合需要移动或临时使用的场合，如在不同地点进行MEG研究或实验。与传统磁屏蔽室相比，磁屏蔽筒的建设和购买成本显著降低。其可移动性和相对低廉的成本使其可以在多种环境下使用，不需要固定安装，大大节省了安装和拆卸的费用。
图 6 磁屏蔽筒示意图
最后一种形式是磁屏蔽空间，它利用高导磁隔板在一个开放的区域内构建一个独立的磁屏蔽空间，呈现为一个小房间的形态。相较于传统脑磁室，磁屏蔽空间的初始建设成本也较低。其构建相对简单，搭建时间也较短，能够快速投入使用，节省时间成本。
图 7 磁屏蔽空间示意图
应用领域
MEG在多个领域显示出巨大潜力。在基础神经科学研究中，MEG帮助研究人员深入了解神经元群体的同步活动和大脑不同区域之间的通信方式。在临床诊断中，MEG已被证明是研究和治疗神经疾病的重要工具。对于癫痫患者，MEG可以精确定位癫痫灶，帮助制定手术规划和术前评估，显著提高手术的成功率和安全性。此外，MEG在脑肿瘤患者中用于识别和保护功能性脑区，确保手术切除肿瘤的同时最大限度地保留患者的神经功能。对于脑卒中和阿尔茨海默病等神经退行性疾病，MEG提供了大脑功能变化的实时监测，有助于评估疾病的进展和治疗效果。
在认知科学和心理学研究中，MEG用于观察语言处理、注意力、记忆和感知等认知过程。MEG在脑-计算机接口（BCI）研究中也有广泛应用，研究人员通过解码大脑活动，帮助开发控制外部设备的系统，提升残疾人的生活质量。此外，MEG可以评估药物对大脑功能的影响，优化治疗方案。发育神经科学中，MEG可以记录儿童和青少年的脑活动，从而帮助理解大脑发育过程。
由此可见，MEG在从基础研究到临床应用、认知和运动研究等领域都有广泛应用，提供了深入理解大脑功能的强大工具，并随着技术的进步，MEG的应用前景将更加广阔，进一步推动神经科学研究和临床诊断的发展。
