《NeuroImage》：Portable and dynamic magnetoencephalography measurement using compact MSR by precise two-stage magnetic field adjustment and control strategy
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本研究针对传统脑磁图(MEG)系统存在的体积庞大、成本高昂及受试者需保持静止等技术瓶颈，提出了一种集成紧凑型磁屏蔽室(MSR)、外部类亥姆霍兹线圈和内部平面线圈的双级主动磁场补偿系统，结合自抗扰控制(ADRC)策略，成功构建了便携式动态MEG平台。实验结果表明，该系统在受试者自然运动状态下仍能维持高信噪比(SNR)的脑磁信号采集（SNR变化率<5%），为神经科学研究和临床诊疗提供了高性价比、高灵活性的技术解决方案。
脑磁图（Magnetoencephalography, MEG）作为一种非侵入性的脑功能成像技术，因其极高的时间分辨率（毫秒级）而成为探索大脑奥秘的重要工具。传统的MEG系统依赖于需要在液氦低温环境下工作的超导量子干涉仪（SQUID），这导致设备体积庞大、维护成本极高，并且受试者在测量过程中必须保持绝对静止，极大地限制了其在婴幼儿、特殊患者群体以及自然行为研究中的应用。近年来，基于光泵磁强计（Optically Pumped Magnetometer, OPM）的MEG技术因其可在室温下工作、体积小巧而备受关注，为实现可穿戴、动态的脑磁测量带来了曙光。然而，OPM传感器对工作环境的磁场均匀性和稳定性要求极为苛刻，通常需要一个巨大（边长超过3米）的多层磁屏蔽室（Magnetically Shielded Room, MSR）来屏蔽地磁场和环境磁噪声。这种大型MSR不仅造价昂贵、重量惊人，而且难以运输和安装，严重阻碍了OPM-MEG技术的普及和临床应用。因此，如何在不牺牲性能的前提下，显著减小磁屏蔽系统的尺寸、重量和成本，成为开发下一代便携式动态MEG系统亟待攻克的核心难题。
为了解决这一挑战，来自北京航空航天大学的研究团队在《NeuroImage》上发表了一项创新性研究，他们提出并验证了一种适用于紧凑型MSR的混合残余磁场调控方法。该研究的核心是构建一个集成了高性能主动磁场补偿系统的便携式动态MEG平台。研究人员巧妙地设计了一个两阶段的磁场调控策略：首先，在紧凑MSR外部布置了六组可独立控制的类亥姆霍兹线圈，通过粒子群优化（PSO）算法精确调整目标区域（300毫米立方体）内的残余磁场分布，有效降低了其非线性梯度；然后，在MSR内部安装了 specially designed 高均匀性的平面线圈，结合先进的自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）算法，来补偿残余磁场偏置并主动抑制外部磁干扰。这套系统与一个搭载OPM传感器的头盔集成，允许受试者在测量过程中进行自然的头部活动。
研究团队通过有限元仿真和实验验证了该系统的有效性。仿真和实测结果均表明，外部调整线圈能将目标区域内三轴磁场的梯度从最初的数纳特斯拉（nT）量级降低至1 nT以下，改善倍数最高达32.6倍。内部平面线圈在目标区域内产生的磁场非均匀性小于2%。更重要的是，采用ADRC控制策略后，系统能将环境磁干扰抑制到峰峰值约0.4皮特斯拉（pT）的水平，在1赫兹（Hz）处的磁噪声低于4.0 fT/Hz1/2，远优于传统的比例-积分（PI）控制器，为OPM传感器创造了极其稳定和微弱（near-zero）的磁场环境。
为了验证该动态MEG系统的实际性能，研究人员招募了一名健康受试者，在紧凑MSR内分别进行了周期性睁闭眼（诱发枕叶α节律，8-12 Hz）和电刺激正中神经（诱发中央后回体感诱发电位）两种经典的脑功能磁信号测量实验，并比较了受试者在静止状态和自然头部晃动状态下的信号质量。
4.4. MEG measurement of periodic eye opening and closing
通过放置在受试者枕叶的OPM传感器，研究人员成功记录到了由睁闭眼调制的α节律脑磁信号。时域信号和短时傅里叶变换（STFT）分析均清晰显示，闭眼期间的脑磁信号强度显著高于睁眼期，能量主要集中在6-12 Hz频带，这与典型的脑电（EEG）特征一致。关键在于，当受试者进行自然的上身晃动时，记录到的脑磁信号信噪比（SNR=2.04）与静止状态（SNR=2.07）高度一致，SNR变化率小于5%，表明头部运动并未影响系统的测量精度。
4.5. MEG measurement of median nerve stimulation
在正中神经刺激实验中，研究人员在受试者的中央后回区域放置了四个OPM传感器。经过信号平均处理后，无论在静止状态还是自然运动状态下，都观察到了清晰的体感诱发电位（MEG）。定量分析显示，两种状态下的平均SNR分别为3.67和3.52，变化率同样低于5%。尤为值得注意的是，该紧凑系统在静止状态下获得的SNR与在大型传统MSR（尺寸超过3000毫米）中报道的OPM系统性能（SNR约3.74）相当，这充分证明了其在保持高性能的同时，实现了系统的小型化和便携化。
综上所述，这项研究成功开发了一套基于紧凑型MSR和双级主动磁场补偿技术的便携式动态脑磁图系统。该系统通过外部线圈调整和内部线圈ADRC控制的协同作用，有效解决了小型MSR内磁场均匀性和稳定性的难题，创造了一个适合OPM工作的超弱稳恒磁场环境。实验结果表明，该系统不仅能在受试者静止时获得与传统大型系统相媲美的高质量脑磁信号，更突破了受试者必须保持静止的限制，实现了在自然运动状态下的高精度动态测量。这项技术的突破极大地降低了MEG系统的成本、体积和重量，为其走出专门实验室、进入更广泛的临床环境（如床边监测、手术导航）和开展自然情境下的认知神经科学研究（如社交互动、运动学习）开辟了新的道路。未来的工作将聚焦于利用多通道OPM传感器阵列在该系统内进行脑内信号源定位精度的验证，以期最终推动其走向实际的临床应用。
