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 量子

量子

(礼貌:诺丁汉大学Lisa Gilligan-Lee)
03 Feb 2021
从2月2021年起出问题 物理世界,它在标题下出现在“量子传感大脑的量子”下。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app.

基于基本物理学的医疗保健新技术每年节省数百万的生命,但当这些机器革命性的药物时,下一代必须满足更大的挑战。 汉娜科曼马特布鲁克斯 希望诺丁汉大学的新量子的巨型扫描仪将在人脑功能研究中预示着新的曙光

在大多数类型的医学成像中,目的是获得关于身体内部结构的信息,寻找生长,肿瘤或其他异常。在这样做时,医生可以获得可用于治疗的关键信息。

然而,对于许多疾病,我们必须超越简单的结构,并了解器官功能的方式。这对于评估大脑的疾病尤其重要 - 例如癫痫,痴呆或心理健康问题 - 无论多么详细,往往看起来“正常”,甚至在患有深刻困难的患者中也是如此。在这种情况下,它是扰动的大脑的功能。因此,我们必须开发一种技术的技术,即大脑正在做的事情,这意味着制定评估其900亿左右的电力活动的方法。

对于许多疾病,我们必须超越简单的结构,并了解器官功能的方式。

一种成像脑功能的方法是 磁脑置图 (MEG) - 一种相对较新的技术,其中我们测量通过流过神经元组件的电流产生的磁场。这些字段的数学建模生成3D图像,显示神经电流中的时刻瞬间波动(图1a)。通过这种方式,MEG是一种安全和非侵入性的对脑网络形成并溶解支持认知。通过让我们探测大脑功能,MEG在研究中广泛用于调查和理解健康的大脑,并通过疾病的扰动(图1b )。

figure 1

尽管有良好的希望,目前的MEG扫描仪的产生严重限制,防止了他们广泛的采用。由大脑产生的字段是低振幅(〜100英尺 - 大约十亿分之一的地球场)意味着需要高灵敏度探测器。多年来,唯一可行的选择是超导量子干扰装置(鱿鱼) - 一种低温传感器,其依赖于两个超导体(Josephson效应)之间的绝缘间隙。隧道电流是磁通通过鱿鱼的函数。

尽管有良好的希望,目前的MEG扫描仪的产生严重限制,防止了他们广泛的采用。

然而,为了保持其超导性,必须将鱿鱼冷却至-269°C,这限制了MEG扫描仪的设计和部署。首先,由于它们在这种低温下操作,因此必须在传感器和患者的头部之间保持热绝缘间隙以防止受伤。因为磁场衰减距离平方,所以该间隙限制了对大脑磁场的敏感性。其次,低温意味着传感器必须固定在低温露天度内部的头部上方的位置,这意味着如果患者将头部相对于扫描仪移动,则数据的质量急剧下降。只有5毫米的班次可以渲染数据无用,很多人都无法容忍这种环境。传感器的固定性也导致单尺寸适合的头盔。这是扫描幼儿和婴儿的重要障碍,因为头盔太大了。最后,鱿鱼传感器,控制电子产品和低温的复杂组合使MEG昂贵(通常是超过2M的价格标签加上高运行成本)。

量子革命

近年来,我们的研究团队通过利用新开发的量子技术来解决MEG的局限性。 (这是诺丁汉大学的合作努力 先生彼得曼斯菲尔德成像中心惠康人类神经影像学中心 伦敦大学学院,由此获得资助 英国国家量子技术 程序和惠服。)特别地,光学泵浦磁力计(OPMS)的开发是关键。这些是量子化的磁场传感器,可提供与鱿鱼类似的敏感性,但不需要低温(图2)。

figure 2

最近由美国公司的商业化 QUSPIN. 已经使OPM稳健,易于使用和随便提供,而小型化使得最近一代小巧轻便(类似于尺寸和重量的乐高砖)。基于这一新设计,我们的团队将OPM集成到工作原型MEG设备中。因为它们是如此小而不需要低温,所以OPM可以直接安装在人头的表面上,通过去除热绝缘间隙并将传感器更靠近大脑来增加灵敏度。

基于这一新设计,我们的团队将光学泵送磁力计集成到工作原型MEG设备中。

这也允许传感器阵列与头部移动,使MEG测量值适用于对象运动。同样,OPM放置的灵活性意味着阵列可以适应任何头部尺寸,使婴儿和儿童以及成年人用相同的系统扫描。缺乏复杂的低温性也意味着基于OPM的MEG系统可以更便宜地生产和运行。因此,这种技术使MEG能够进化,使系统更加实用,更强大,显着更便宜,因此更适合临床使用。

然而,在实践中可以使用OPM之前必须克服重大障碍,并且最大的一个是控制背景磁场之一。来自大脑的领域远小于我们周围的各周围的时变的领域,由实验室设备,计算机,越过汽车甚至我们的身体产生。这些来源产生磁干扰的高手术,使得从脑袋中测量磁场,以听到摇滚音乐会的引脚掉落。

OPM sensors

复杂化问题,也存在地球的磁场。它对鱿鱼没有影响,因为它们只是敏感的田地 - 当然,地球的领域不会移动。但是对于OPMS,我们希望患者在扫描期间自由地移动,这意味着允许磁力计相对于地球的领域移动。因此,移动的OPM将测量与大脑无关的磁场变化,因为它们在统一字段中旋转(或在场梯度中翻译)。在某些情况下,这甚至可以防止OPM运行。

由于这些原因,必须在OPM测量附近移除时变环境磁场和地球静磁场。我们通过主动和被动磁屏的组合实现了这种高保真控制。

被动筛选涉及将MEG系统放置在磁屏蔽室中,其具有由多层高渗透金属制成的壁。然而,即使是最先进的被动屏蔽不能充分地抑制残余地球的场,以便可以允许患者运动,并且由于这种原因,已经引入了有源场补偿系统。

figure 3

这些由连接到单独的磁力计阵列的复杂电磁线圈系统组成,该磁力计阵列测量靠近患者头部的场。然后,反馈循环使用这些场测量来通过控制线圈阵列中的电流来生成逆场。组合,这些几乎完全在患者头部的区域上取消剩余磁场(图3)。与工业合作伙伴合作 磁屏蔽,我们建立了独特的混合动力和被动屏蔽,其中围绕患者的地球场从50减少 μt到〜200 pt,屏蔽因子约为250,000。该技术产生约0.5米的空间区域3 其中患者在扫描期间可以自由移动。

该技术产生约0.5米的空间区域3 其中患者在扫描期间可以自由移动

使OPM-MEG系统成为现实,我们也必须解决许多其他问题。通过分析分析和计算机模拟的组合优化了头部上传感器的确切布置。这允许OPM阵列有效地对大脑的磁场进行采样,同时最小化“交叉谈话” - 一种效果,其中一个传感器的场处的测量由其他传感器的存在破坏。同时,通过先进的3D打印来实现头部上的OPM传感器阵列。还开发了电子控制和数据采集系统以使来自多达50个OPM的同步测量,而需要单独的控制系统来将OPM输出与线圈系统集成并控制患者刺激。最后,重新开发数学建模包以允许基于OPM头皮级场测量的大脑中电流密度的成像。这些发展导致了世界上第一个可穿戴的OPM-MEG系统,完全覆盖了整个大脑(图4)。

figure 4

可穿戴成像

这种独特的量子技术和电磁理论的组合使得可以进行以前的难以想象的神经影像研究,其中受试者可以自由地与世界自然相互作用。即使在这个早期阶段,神经科学的示威性也不从衡量脑活动时,因为某人扮演平乒乓球,在主题探索虚拟世界时制作MEG录音(图5)。

世界各地的实验室正试图进入这项新技术

随着持续的迅速开发,这些例子只是一开始;世界各地的实验室正试图进入这项新技术,最近建立的分拆公司 - Cerca Magnicics. - 现在将一个集成的OPM-MEG系统带到了研究市场。持续持续的技术发展现在集中在成像儿童的大脑上,开辟了新的神经发作研究的可能性。例如,想象一下,能够看到孩子的大脑功能如何在他们可以走路之前和之后改变。这开启了无数的机会,促使神经科学家以一种全新的方式构思实验。

figure 5

除了神经科学,也许OPM-MEG成功的最终标记将在其临床应用中休息。传统的MEG可用于通过识别特定类型的“尖峰和波浪”活动来诊断癫痫症。当“竞争”手术(移除导致癫痫发作的大脑区域)时也使用它已经使用,以治疗不能被药物控制的癫痫症 - MEG扫描位于受影响的区域,显着增加了成功手术的机会。

理解和管理人类脑部健康是21世纪的主要科学挑战之一

梅格也可用于映射“雄辩皮质”(大脑的区域,正常运作)周围的癫痫焦点。这提供了具有有价值信息的神经外部 - 例如,映射电机功能大脑中的位置允许外科医生避免这些区域,因此防止瘫痪患者。然而,现在,OPM-MEG的灵活性提供了机会使患有癫痫患者的幼儿也受益,因为它避免了诸如EEG和MRI的传统成像技术的一些局限性,这可能难以定位问题所在的位置。运动稳健性也表面上也使我们能够在癫痫发作期间记录大脑活动。对于癫痫患者,OPM-MEG因此非常有前途。

但它也可以应用于其他障碍。例如,这种同样的实用性提供了更好的方法,即评估帕金森病的个体,据别难以对传统系统仍然足够。此外,四分之一的人在他们的生活中的某些时候患有心理健康状况,并且新生的录音表明,OPM-MEG可以测量脑中的联系被认为是严重的心理健康障碍中崩溃的大脑。同时,老年人中的“皮质放缓”(频率频率偏移的效果)的表征可能会产生痴呆发作的新和早期标记。这些只是可能从这个新设备中受益的一些大脑障碍。

最终,理解和管理人类脑部健康是21世纪的主要科学挑战之一,所需的步骤与迎接这种挑战的步骤远远不清楚。然而,从X射线到MRI,超声波到核医学,物理学一直能够提供改变生命的技术。当我们展望未来时,也许英国的Quantum技术计划的早期成功故事将成为下一代医疗技术的基石。

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