Manyetomiyografi - Magnetomyography

Manyetomiyografi (MMG) kas aktivitesini kaydederek haritalamak için bir tekniktir manyetik alanlar doğal olarak meydana gelen elektrik akımları tarafından üretilir. kaslar, dizilerini kullanarak SQUID'ler (süper iletken kuantum girişim cihazları).[1] Şundan daha iyi bir yeteneği var elektromiyografi yavaş veya doğrudan akımları tespit etmek için. MMG sinyalinin büyüklüğü pico (10−12) ila femto (10−15) Tesla (T) ölçeğindedir. Minyatürleştirici MMG, hacimli SQUID'i giyilebilir minyatür manyetik sensörlere modernize etme imkanı sunar.[2]

MMG yönteminin geliştirilmesi için iki temel faktör:[3] 1) EMG sinyallerinin, en son teknoloji EMG ölçümlerinin, kas aktivitesini doğru bir şekilde değerlendirmek mümkün olan ancak ağrılı ve küçük alanlarla sınırlı olan iğne kayıt problarını kullandığı durumlarda, invaziv olmayan bir şekilde kaydedildiğinde, EMG sinyallerinin zayıf uzaysal çözünürlüğü zayıf mekansal örnekleme noktaları; 2) metal doku arayüzü nedeniyle implante edilebilir EMG sensörlerinin zayıf biyouyumluluğu. MMG sensörleri, aynı anda her iki kusuru da ele alma potansiyeline sahiptir, çünkü: 1) manyetik alanın boyutu, başlangıç ​​noktası ile sensör arasındaki mesafe ile önemli ölçüde azalır, böylece MMG uzaysal çözünürlüğü artar; ve 2) MMG sensörleri kaydetmek için elektrik bağlantılarına ihtiyaç duymazlar, bu nedenle biyo-uyumlu malzemeler veya polimerler ile tam olarak paketlenirlerse, uzun vadeli biyouyumluluğu geliştirebilirler.

Geleneksel SQUID'leri [1] (üstte) ve minyatürize edilmiş implante edilebilir manyetik sensörleri [2] (altta) kullanan MMG.

Tarih

18. yüzyılın başlarında, canlı dokulardan gelen elektrik sinyalleri araştırıldı. Bu araştırmacılar, özellikle tıbbi teşhis alanında sağlık hizmetlerinde birçok yeniliği teşvik ettiler. Bazı örnekler, Elektrokardiyogram (EKG), Elektroensefalografi (EEG) ve Elektromiyogram (EMG) dahil olmak üzere insan dokuları tarafından üretilen elektrik sinyallerine dayanmaktadır. Ayrıca teknolojilerin gelişmesiyle birlikte, insan vücudundan Manyetokardiyogram (MCG), Manyetoensefalografi (MEG) ve Magnetomyogram (MMG) içeren biyomanyetik ölçümler, elektriksel olarak aktif olan iyonik hareket akımlarından manyetik alanların varlığına dair net kanıtlar sağlamıştır. dokular aktiviteleri kaydetmek için kullanılabilir. İlk deneme için, David Cohen bir nokta temaslı süper iletken kuantum girişim cihazı (SQUID) kullandı manyetometre MCG'yi ölçmek için korumalı bir odada. Kaydedilen MCG'nin hassasiyetinin daha önce kaydedilen MCG'den daha yüksek büyüklükler olduğunu bildirdiler. Aynı araştırmacı, gürültü ortalaması olmadan daha hassas bir SQUID manyetometre kullanarak bu MEG ölçümüne devam etti. Hem normal hem de anormal denekler tarafından kaydedilen EEG ve alfa ritim MEG'lerini karşılaştırdı. MEG'in EEG tarafından sağlanan bazı yeni ve farklı bilgiler ürettiği gösterilmiştir. Kalp, beyin ve diğer organlara kıyasla nispeten daha büyük bir manyetik alan üretebildiğinden, erken biyomanyetik alan araştırması, MCG'nin matematiksel modellemesinden kaynaklandı. İlk deneysel çalışmalar da MCG'ye odaklandı. Ek olarak, bu deneysel çalışmalar, karmaşık algılama yöntemlerinin bulunmamasından dolayı kaçınılmaz olarak düşük uzaysal çözünürlük ve düşük hassasiyetten muzdariptir. Teknolojideki ilerlemelerle, araştırmalar beyin işlevine doğru genişledi ve uyarılmış MEG'lerin ön çalışmaları 1980'lerde başladı. Bu araştırmalar, hangi nöronal popülasyonların beyinden üretilen manyetik sinyallere katkıda bulunduğu hakkında bazı ayrıntılar sağladı. Bununla birlikte, tek nöronlardan gelen sinyaller tespit edilemeyecek kadar zayıftı. Saptanabilir bir MEG sinyali oluşturmak için bir grup olarak 10.000'den fazla dendritten oluşan bir grup gereklidir. O zamanlar, fiziksel, teknik ve matematiksel sınırlamaların bolluğu, insan elektrokardiyogramlarını ve diğer biyomanyetik kayıtları içeren teorilerin ve deneylerin niceliksel karşılaştırmalarını engelliyordu. Doğru bir mikro kaynak modelinin eksikliğinden dolayı, hangi spesifik fizyolojik faktörlerin MEG ve diğer biyomanyetik sinyallerin gücünü etkilediğini ve elde edilebilir uzamsal çözünürlüğe hangi faktörlerin hakim olduğunu belirlemek daha zordur. Son otuz yılda, çok sayıda araştırma izole aksonlarda ve kas liflerinde ex vivo akımların akışı tarafından üretilen manyetik alanı ölçmek ve analiz etmek için yapılmıştır. Bu ölçümler, bazı karmaşık teorik çalışmalar ve ultra hassas oda sıcaklığı amplifikatörlerinin ve nöromanyetik akım problarının geliştirilmesiyle desteklenmiştir. Günümüzde, hücre düzeyinde manyetik kayıt teknolojisi, akımları çalıştırmak için nicel bir ölçüm tekniği haline gelmiştir.

Günümüzde MMG sinyalleri, tıbbi teşhis, rehabilitasyon, sağlık izleme ve robotik kontrolde önemli bir gösterge haline gelebilir. Teknolojideki son gelişmeler, bireylerin kas ve periferik sinir hastalığını uzaktan ve sürekli olarak kaydetmenin ve teşhis etmenin yolunu açtı.[4][5] Doğumdan önce uterusun elektrofizyolojik davranışını araştırarak motive edilen MMG, esas olarak hamilelik sırasında sağlık izleminde kullanıldı.[6][7][8] Ek olarak, MMG travmatik sinir yaralanması, omurilik lezyonu ve tuzak sendromu gibi rehabilitasyonda kullanılma potansiyeline sahiptir.[9][10][11][12]

Minyatürleştirilmiş MMG

MMG sinyallerinin büyüklüğü, kalp ve beyinden daha düşüktür.[10] Minimum spektral yoğunluk, özellikle 10 Hz ve 100 Hz arasındaki düşük frekanslarda yüzlerce fT / √Hz'lik algılama sınırına (LOD) ulaşabilir. 1972'de Cohen ve Gilver'in ufuk açıcı bir çalışmasında, MMG sinyallerini keşfettiler ve kaydettiler. Superconducting QUantum benmüdahale Devices (SQUID'ler). Şu anda femto-Tesla tespit sınırı (LOD) ile en hassas cihaz olduğu ve muhtemelen ortalama ile atto-Tesla LOD elde ettiği için MMG'nin geliştirilmesine öncülük ettiler.[13] Son teknoloji ürünü MMG ölçümüne SQUID'ler hakimdir.[14] Bununla birlikte, ultra yüksek maliyetleri ve hantal ağırlıkları, bu manyetik algılama tekniğinin yayılmasını sınırlar. Son birkaç yılda, optik olarak pompalanan manyetometreler (OPM'ler), kavram kanıtı araştırmaları olarak el sinirlerinin ve kaslarının innervasyonunu incelemek için hızla geliştirildi.[11][15][16] Küçük fiziksel boyuta sahip OPM'ler, son yıllarda özellikle rakip üreticilerden LOD'larını önemli ölçüde iyileştirmiştir. QuSpin Inc., FieldLine Inc. ve Twinleaf. OPM'ler ile 100 fT / √Hz'nin altında hassasiyet elde edilmiştir.[17][18] MMG, çevredeki manyetik gürültüden kolayca etkilenebilen küçük büyüklüğü nedeniyle henüz yaygın bir yöntem olmamıştır. Örneğin, Dünya manyetik alanının genliği yaklaşık beş milyon kat daha büyüktür ve güç hatlarından gelen çevresel gürültü bir nano-Tesla düzeyine ulaşabilir. Ek olarak, MMG algılama için SQUID'lere ve OPM'lere dayalı mevcut deneyler, kişisel günlük kullanım için pahalı ve hantal olan, ağır korumalı odalarda gerçekleştirilmektedir. Sonuç olarak, minyatürleştirilmiş, düşük maliyetli ve oda sıcaklığında biyomanyetik algılama yöntemlerinin geliştirilmesi, biyomanyetizmanın daha geniş bir şekilde takdir edilmesine yönelik önemli bir adım oluşturacaktır.

CMOS teknolojisindeki entegre okuma devresi ile yüksek performanslı bir Hall sensörü başarıyla gerçekleştirilmiştir.[2] Bununla birlikte, Hall sensörleri, Hall etkisini harekete geçirmek için oldukça kararlı bir DC güç kaynağına ve toplanan zayıf Hall voltajlarını çevredeki gürültü altında işlemek için karmaşık bir arayüz devresine ihtiyaç duyar.[19] Yakın zamanda minyatürleştirilmiş tünelleme manyetoresistif sensörler [20][21] ve manyetoelektrik sensörler [22] MMG'nin geleceği için giyilebilir cihazlar şeklinde önerilmiştir. CMOS uyumludurlar ve sensör çıkışları analog bir ön uç ile okunabilir.[23] Minyatürleştirilmiş TMR sensörü, nispeten düşük işletme maliyetleriyle gelecekteki MMG ölçümleri için etkili bir alternatif olabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Cohen, David; Givler Edward (1972). "Manyetomiyografi: iskelet kasları tarafından üretilen insan vücudu etrafındaki manyetik alanlar". Uygulamalı Fizik Mektupları. AIP Yayıncılık. 21 (3): 114–116. Bibcode:1972ApPhL..21..114C. doi:10.1063/1.1654294. ISSN  0003-6951.
  2. ^ a b Heidari, Hadi; Zuo, Siming; Krasoulis, Agamemnon; Nazarpour, Kianoush (2018). Giyilebilir Manyetomiyografi için CMOS Manyetik Sensörler. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society'nin 40. Uluslararası Konferansı. Honolulu, HI, ABD: IEEE. doi:10.1109 / embc.2018.8512723. ISBN  978-1-5386-3646-6.
  3. ^ Zuo, Siming; Heidari, Hadi; Farina, Dario; Nazarpour, Kianoush (2020). "İmplante edilebilir manyetomiyografi için minyatürleştirilmiş manyetik sensörler". Gelişmiş Malzeme Teknolojileri. Wiley. 5 (6). doi:10.1002 / admt.202000185.
  4. ^ Filler, Aaron G; Maravilla, Kenneth R; Tsuruda, Jay S (2004-08-01). "Periferik sinirleri ve kasları etkileyen bozuklukların görüntü tanısı için MR nörografisi ve kas MR görüntüleme". Nörolojik Klinikler. Nöromüsküler Hastalıkta Tanısal Testler. 22 (3): 643–682. doi:10.1016 / j.ncl.2004.03.005. ISSN  0733-8619. PMID  15207879.
  5. ^ Yamabe, Eiko; Nakamura, Toshiyasu; Oshio, Koichi; Kikuchi, Yoshito; Ikegami, Hiroyasu; Toyama, Yoshiaki (2008-05-01). "Periferik Sinir Hasarı: Denerve İskelet Kasının MR Görüntülemesi ile Tanı - Sıçanlarda Deneysel Çalışma". Radyoloji. 247 (2): 409–417. doi:10.1148 / radiol.2472070403. ISSN  0033-8419. PMID  18372449.
  6. ^ Eswaran, Hari; Preissl, Hubert; Wilson, James D .; Murphy, Pam; Lowery, Curtis L. (2004-06-01). "Uterus kasılmalarının non-invaziv manyetomiyografik kayıtlarını kullanarak term ve preterm gebeliklerde doğum eyleminin tahmini". American Journal of Obstetrics & Gynecology. 190 (6): 1598–1602. doi:10.1016 / j.ajog.2004.03.063. ISSN  0002-9378. PMID  15284746.
  7. ^ Eswaran, H .; Preissl, H .; Murphy, P .; Wilson, J.D .; Lowery, C.L. (2005). "Gebelik Sırasında Kaydedilen Uterin Düz Kas Aktivitesinin Uzamsal-Zamansal Analizi". 2005 Tıp ve Biyolojide IEEE Mühendisliği 27. Yıllık Konferansı. 2005: 6665–6667. doi:10.1109 / IEMBS.2005.1616031. ISBN  0-7803-8741-4. PMID  17281801. S2CID  12228365.
  8. ^ Eswaran, Hari; Govindan, Rathinaswamy B .; Furdea, Adrian; Murphy, Pam; Lowery, Curtis L .; Preissl, Hubert T. (2009/05/01). "Uterin manyetomiyografik aktivitesinin çıkarılması, miktarının belirlenmesi ve karakterizasyonu - Vaka çalışması konseptinin bir kanıtı". European Journal of Obstetrics and Gynecology and Reproductive Biology. 144: S96 – S100. doi:10.1016 / j.ejogrb.2009.02.023. ISSN  0301-2115. PMC  2669489. PMID  19303190.
  9. ^ Mackert, Bruno-Marcel; Mackert, Ocak; Wübbeler, Gerd; Armbrust, Frank; Wolff, Klaus-Dieter; Burghoff, Martin; Trahms, Lutz; Curio, Gabriel (1999-03-12). "Süperiletken Kuantum Girişim Cihazları kullanılarak insan sinirinden ve kas örneklerinden yara akımlarının manyetometrisi". Sinirbilim Mektupları. 262 (3): 163–166. doi:10.1016 / S0304-3940 (99) 00067-1. ISSN  0304-3940. PMID  10218881. S2CID  39692956.
  10. ^ a b Garcia, Marco Antonio Cavalcanti; Baffa, Oswaldo (2015). "İskelet kaslarından manyetik alanlar: değerli bir fizyolojik ölçüm mü?". Fizyolojide Sınırlar. 6: 228. doi:10.3389 / fphys.2015.00228. ISSN  1664-042X. PMC  4530668. PMID  26321960.
  11. ^ a b Broser, Philip J .; Knappe, Svenja; Kajal, Diljit-Singh; Noury, Nima; Alem, Orang; Shah, Vishal; Braun, Christoph (2018). "Elin İnovasyonunu İncelemek için Manyeto-Miyografi için Optik Olarak Pompalanan Manyetometreler". Sinir Sistemleri ve Rehabilitasyon Mühendisliği IEEE İşlemleri. 26 (11): 2226–2230. doi:10.1109 / TNSRE.2018.2871947. ISSN  1534-4320. PMID  30273154. S2CID  52899894.
  12. ^ Escalona-Vargas, Diana; Oliphant, Sallie; Siegel, Eric R .; Eswaran, Hari (2019). "Pelvik taban kaslarının aktivitelerinin manyetomiyografi kullanarak karakterize edilmesi". Nöroüroloji ve Ürodinamik. 38 (1): 151–157. doi:10.1002 / nau.23870. ISSN  1520-6777. PMID  30387530.
  13. ^ Fagaly, R.L. (2006-10-01). "Süperiletken kuantum girişim cihazı aletleri ve uygulamaları". Bilimsel Aletlerin İncelenmesi. 77 (10): 101101–101101–45. Bibcode:2006RScI ... 77j1101F. doi:10.1063/1.2354545. ISSN  0034-6748.
  14. ^ Ustinin, M.N .; Rykunov, S.D .; Polikarpov, M.A .; Yurenya, A.Y .; Naurzakov, S.P .; Grebenkin, A.P .; Panchenko, V.Y. (2018-12-09). "İnsan Eli Fonksiyonel Yapısının Bir Manyetomiyograma Dayalı Yeniden Yapılandırılması". Matematiksel Biyoloji ve Biyoinformatik. 13 (2): 480–489. doi:10.17537/2018.13.480. ISSN  1994-6538.
  15. ^ Iwata, Geoffrey Z .; Hu, Yinan; Sander, Tilmann; Muthuraman, Muthuraman; Chirumamilla, Venkata Chaitanya; Groppa, Sergiu; Budker, Dmitry; Wickenbrock, Arne (2019-09-25). "Transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS) - uyandırılan periferal kas aktivitesi sırasında kaydedilen biyomanyetik sinyaller". arXiv:1909.11451 [q-bio.NC ].
  16. ^ Elzenheimer, Eric; Laufs, Helmut; Schulte-Mattler, Wilhelm; Schmidt, Gerhard (2020). "Optik Olarak Pompalanan Manyetometrelerle Elektrikle Uyarılmış Kas Yanıtlarının Manyetik Ölçümü". Sinir Sistemleri ve Rehabilitasyon Mühendisliği IEEE İşlemleri. 28 (3): 756–765. doi:10.1109 / TNSRE.2020.2968148. ISSN  1534-4320. PMID  31976901. S2CID  210880585.
  17. ^ Alem, Orang; Sander, Tilmann H; Mhaskar, Rahul; LeBlanc, John; Eswaran, Hari; Steinhoff, Uwe; Okada, Yoshio; Kitching, John; Trahms, Lutz; Knappe, Svenja (2015-06-04). "Bir dizi mikrofabrike optik olarak pompalanan manyetometre ile fetal manyetokardiyografi ölçümleri". Tıp ve Biyolojide Fizik. 60 (12): 4797–4811. Bibcode:2015PMB .... 60.4797A. doi:10.1088/0031-9155/60/12/4797. ISSN  0031-9155. PMID  26041047.
  18. ^ Boto, Elena; Meyer, Sofie S .; Shah, Vishal; Alem, Orang; Knappe, Svenja; Kruger, Peter; Fromhold, T. Mark; Lim, Mark; Glover, Paul M .; Morris, Peter G .; Bowtell, Richard (2017/04/01). "Yeni nesil manyetoensefalografi: Optik pompalı manyetometreler kullanarak oda sıcaklığı ölçümleri". NeuroImage. 149: 404–414. doi:10.1016 / j.neuroimage.2017.01.034. ISSN  1053-8119. PMC  5562927. PMID  28131890.
  19. ^ Heidari, Hadi; Bonizzoni, Edoardo; Gatti, Umberto; Maloberti, Franco (2015). "Entegre Ön Uçlu CMOS Güncel Mod Manyetik Hall Sensörü". Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri I: Düzenli Makaleler. 62 (5): 1270–1278. CiteSeerX  10.1.1.724.1683. doi:10.1109 / TCSI.2015.2415173. ISSN  1549-8328. S2CID  9755802.
  20. ^ Zuo, Siming; Nazarpour, Kianoush; Heidari, Hadi (2018). "Hibrit Spintronik-CMOS için MgO-Bariyer Tünel Açma Manyetoresisörlerinin Cihaz Modellemesi" (PDF). IEEE Electron Cihaz Mektupları. 39 (11): 1784–1787. Bibcode:2018IEDL ... 39.1784Z. doi:10.1109 / LED.2018.2870731. ISSN  0741-3106. S2CID  53082091.
  21. ^ Heidari, Hadi (2018). "Küresel bir cazibeye sahip elektronik kaplamalar" (PDF). Doğa Elektroniği. Springer Science and Business Media LLC. 1 (11): 578–579. doi:10.1038 / s41928-018-0165-2. ISSN  2520-1131. S2CID  125149476.
  22. ^ Zuo, S .; Schmalz, J .; Özden, M .; Gerken, M .; Su, J .; Niekiel, F .; Lofink, F .; Nazarpour, K .; Heidari, H. (2020). "Pico-Tesla MagnetoMyoGraphy için Ultrasensitive Manyetoelektrik Algılama Sistemi" (PDF). Biyomedikal Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri. PP: 1. doi:10.1109 / TBCAS.2020.2998290. PMID  32746340.
  23. ^ Zuo, Siming; Fan, Hua; Nazarpour, Kianoush; Heidari, Hadi (2019). Tünel Açan Manyetoresistif Spintronik Algılama Sistemleri için CMOS Analog Ön Uç. IEEE Uluslararası Devreler ve Sistemler Sempozyumu. IEEE. s. 1–5. doi:10.1109 / iscas.2019.8702219. ISBN  978-1-7281-0397-6.