مقالۀ پژوهشی: گرادیومتر اتمی برای ثبت سیگنال شبیه سازی مغز انسان در فضای بدون حفاظ مغناطیسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، پژوهشکده لیزر و پلاسما، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، پژوهشکده لیزر و پلاسما، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

3 استادیار، گروه فیزیک، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

4 استادیار، گروه فیزیک، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

چکیده

میدان‌های بدست آمده از فعالیت‌های عصبی مغز، اطلاعات مهمی در زمینه تشخیص و درمان بیماری‌های مغزی چون صرع، تشنج و تومورهای مغزی به همراه دارند. ثبت سیگنال‌های میدان‌های مغناطیسی مغز یکی از روش‌های تصویربرداری عملکردی غیرتهاجمی مغز است که اغلب به حفاظ مغناطیسی و زیرساخت‌های گرانقیمت و حجیم نیاز دارد. مگنتومترهای اتمی اگر چه ذاتا ً از دستگاه‌های تداخل کوانتومی ابررسانا حساسیت کمتری دارند، اما به دلیل هزینه ساخت کم، ابعاد کوچک و نیاز نداشتن به تجهیزات برودتی، بهترین گزینه برای اندازه‌گیری میدان‌های بیومغناطیسی محسوب می‌شوند. مگنتومتر‌های ‌اتمی، میدان‌ مغناطیسی بسیار ضعیف مغزی را بر اساس آشکارسازی میزان شکافتگی انرژی زیمان و با استفاده از ثبت تغییرات شدت نور لیزر در عبور از سلول بخار فلز قلیایی اندازه‎گیری می‌کنند. به منظور بهبود حساسیت این مگنتومترها در اندازه‌گیری تغییرات میدان، می‌توان نوفه‌های همگنی را که در دو کانال مگنتومتری به صورت یکسان قابل مشاهده هستند، حذف کرد. بر این اساس، در این پژوهش یک گرادیومتر برای سرکوب نوفه‌های مغناطیسی ناخواسته ارائه شده است.گرادیومتر ارائه شده که از دو مغناطیس‌سنج اتمی تشکیل شده است، توانایی تشخیص میدان تولید شده از ‌مغز انسان در فضای بدون حفاظ مغناطیسی و در حضور میدان زمین را داراست. این گرادیومتر دارای حساسیت  900 در فضای باز است.گرادیومتر طراحی و ساخته شده که برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی مغزی بسیار مناسب است، توانایی گسترش در چند کانال به منظور ثبت نقشه میدان مغناطیسی مغز را نیز دارا است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

research Paper: Atomic Gradiometer for Recording the Simulated Human Brain Signal in Unshielded Environment

نویسندگان [English]

  • Mohammad Mahdi Tehranchi 1
  • Reza Sedyan 2
  • Maliheh Ranjbaran 3
  • Seyed mohammad hosein Khalkhali 4
  • Mehri Hamidi 1
1 Professor, Laser and Plasma Research Institute, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 M.Sc. Student, Laser and Plasma Research Institute, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Department of Physics, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
4 Assistant Professor, Department of Physics, Kharazmi University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The fields resulting from the brain's neural activities provide essential information in diagnosing and treating brain diseases such as epilepsy, convulsions, and brain tumors. Recording brain magnetic field signals is one of the non-invasive brain functional imaging methods, which usually requires magnetic shielding besides expensive and bulky instruments. Although atomic magnetometers are inherently less sensitive than superconducting quantum interference devices, they are considered the best candidate for measuring bio-magnetic fields due to their low manufacturing cost, small size, and no need for cryogenic equipment. Atomic magnetometers measure the low-strength brain magnetic fields based on detecting Zeeman energy splitting and recording changes in the laser light intensity passing through an alkali vapor cell. To improve the sensitivity of these magnetometers, it is common to remove homogeneous noises in two magnetometer channels. For this purpose, we have presented a gradiometer to suppress unwanted magnetic noises. This gradiometer consists of two atomic magnetometers capable of detecting the field produced by the human brain in an unshielded environment in the presence of the Earth's magnetic field. The gradiometer has a sensitivity of 900 fT⁄√Hz. The designed and built gradiometer is suitable for detecting brain magnetic fields, which can be expanded as a multichannel to record the map of the brain's magnetic field.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Zeeman Splitting Detection
  • Gradiometer
  • Atomic Magnetometer
  • Biological Magnetic Fields
  • and Noise Cancellation

مراجع

[1] Hämäläinen, M., Hari, R., Ilmoniemi, R.J., Knuutila, J. and Lounasmaa, O.V., “Magnetoencephalography—theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain”, RMP 65(2), 413, 1993. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.65.413.
[2] Baillet, S., "Magnetoencephalography for brain electrophysiology and imaging", Nat. Neurosci 3, 327-339, 2017. https://doi.org/10.1038/nn.4504.
[3] Vrba, J., Taylor, B., Cheung, T., Fife, A.A., Haid, G., Kubik, P.R., Lee, S., McCubbin, J. and Burbank, M.B., "Noise cancellation by a whole-cortex SQUID MEG system", IEEE Trans. Appl. Supercond 2, 2218-2123, 1995. https://doi.org/ 10.1109/77.403001.
[4] Seki, Y., Kandori, A., Ogata, K., Miyashita, T., Kumagai, Y., Ohnuma, M., Konaka, K. and Naritomi, H., “Note: Unshielded bilateral magnetoencephalography system using two-dimensional gradiometers”, Rev. Sci. Instrum 81(9), 096103, 2010. https://doi.org/10.1063/1.3482154.
[5] Kominis, I.K., Kornack, T.W., Allred, J.C. and Romalis, M.V., "A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer", Nature 422(6932), 596-599,2003. https://doi.org/ 10.1038/nature01484.
[6] Xia, H., Ben-Amar Baranga, A., Hoffman, D. and Romalis, M.V., "Magnetoencephalography with an atomic magnetometer", Appl. Phys. Lett 89(21), 211104, 2006. https://doi.org/ 10.1063/1.2392722.
[7] Sheng, J., Wan, S., Sun, Y., Dou, R., Guo, Y., Wei, K., He, K., Qin, J. and Gao, J.H., “Magnetoencephalography with a Cs-based high-sensitivity compact atomic magnetometer”, Rev. Sci. Instrum 88(9), 094304, 2017. https://doi.org/ 10.1063/1.5001730.
[8] Kim, K., Begus, S., Xia, H., Lee, S.K., Jazbinsek, V., Trontelj, Z. and Romalis, M.V., “multi-channel atomic magnetometer for magnetoencephalography: A configuration study”, NeuroImage 89, 143-151, 2014. https://doi.org/ 10.1016/j.neuroimage.2013.10.040.
[9] Boto, E., Holmes, N., Leggett, J., Roberts, G., Shah, V., Meyer, S.S., Muñoz, L.D., Mullinger, K.J., Tierney, T.M., Bestmann, S. and Barnes, G.R., “Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system”, Nature 555(7698), 657-661, 2018. https://doi.org/ 10.1038/nature26147.
[10] Borna, A., Carter, T.R., Colombo, A.P., Jau, Y.Y., McKay, J., Weisend, M., Taulu, S., Stephen, J.M. and Schwindt, P.D., “Non-invasive functional-brain-imaging with an OPM-based magnetoencephalography system”, Plos one 15(1), e0227684, 2020. https://doi.org/ 10.1371/journal.pone.0227684.
[11] Hill, R.M., Boto, E., Holmes, N., Hartley, C., Seedat, Z.A., Leggett, J., Roberts, G., Shah, V., Tierney, T.M., Woolrich, M.W. and Stagg, C.J., “A tool for functional brain imaging with lifespan compliance”, Nat. Commun 10(1), 4785, 2019. https://doi.org/ 10.1038/s41467-019-12486-x .
[12] Sulai, I.A., DeLand, Z.J., Bulatowicz, M.D., Wahl, C.P., Wakai, R.T. and Walker, T.G., "Characterizing atomic magnetic gradiometers for fetal magnetocardiography", Rev. Sci. Instrum 8, 085003, 2019. https://doi.org/ 10.1063/1.5091007.
[13] Ranjbaran, M., Tehranchi, M.M., Hamidi, S.M. and Khalkhali, S. M. H., “Relaxation time dependencies of optically detected magnetic resonance harmonics in highly sensitive Mx magnetometers”, J. Magn. Magn. Mater 469, 522-530, 2019. https://doi.org/ 10.1016/j.jmmm.2018.09.031.
[14] Bison, G., Wynands, R. and Weis, A., “A laser-pumped magnetometer for the mapping of human cardiomagnetic fields”, Appl. Phys B 76, 325-328, 2003. https://doi.org/ 10.1007/s00340-003-1120-z.
[15] Tiporlini, V., & Alameh, K.,"High sensitivity optically pumped quantum magnetometer", Sci. World J, 2013. https://doi.org/ 10.1155/2013/858379.
[16] Ranjbaran, M., Tehranchi, M.M., Hamidi, S.M. and Khalkhali, S.M.H., “Sensitivity optimization of Bell-Bloom magnetometers by manipulation of atomic spin synchronization”, Phys. C: Supercond. Appl 548, 99-102, 2018. https://doi.org/ 10.1016/j.physc.2018.02.011.
[17] Ranjbaran, M., Tehranchi, M.M., Hamidi, S.M. and Khalkhali, S. M. H., “Effects of square-wave magnetic fields on synchronization of nonlinear spin precession for sensitivity improvement of Mx magnetometers”, J. Magn. Magn. Mater 441, 718-723, 2017. https://doi.org/ 10.1016/j.jmmm.2017.06.084.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 22 مرداد 1402
  • تاریخ بازنگری: 07 آذر 1402
  • تاریخ پذیرش: 29 دی 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار