Uma sala blindada magneticamente leve com blindagem ativa

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13561 (2022) Citar este artigo

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Salas blindadas magneticamente (MSRs) usam várias camadas de materiais, como MuMetal, para filtrar campos magnéticos externos que, de outra forma, interfeririam em medições de campo magnético de alta precisão, como magnetoencefalografia (MEG). Os magnetômetros de bombeamento óptico (OPMs) permitiram o desenvolvimento de sistemas MEG vestíveis que têm o potencial de fornecer um sistema de imagem cerebral funcional tolerante ao movimento com alta resolução espaço-temporal. Apesar da promessa significativa, os OPMs impõem requisitos rígidos de blindagem magnética, operando em torno de uma ressonância de campo magnético zero dentro de uma faixa dinâmica de ± 5 nT. Os MSRs desenvolvidos para OPM-MEG devem, portanto, proteger efetivamente as fontes externas e fornecer um campo magnético residual baixo dentro do gabinete. Os MSRs existentes otimizados para OPM-MEG são caros, pesados ​​e difíceis de localizar. As bobinas eletromagnéticas são usadas para cancelar ainda mais o campo remanescente dentro do MSR, permitindo os movimentos do participante durante o OPM-MEG, mas os sistemas de bobina atuais são difíceis de projetar e ocupar espaço no MSR, limitando os movimentos do participante e impactando negativamente a experiência do paciente. Aqui, apresentamos um projeto MSR leve (redução de 30% no peso e redução de 40 a 60% nas dimensões externas em comparação com um MSR otimizado para OPM padrão) que dá passos significativos para lidar com essas barreiras. Também projetamos um sistema de blindagem ativa de 'bobina de janela', apresentando uma série de bobinas retangulares simples colocadas diretamente nas paredes do MSR. Ao mapear o campo magnético remanescente dentro do MSR e o campo magnético produzido pelas bobinas, podemos identificar as correntes ótimas da bobina e cancelar o campo magnético remanescente sobre o metro cúbico central para apenas |B|= 670 ± 160 pT. Esses avanços reduzem o custo, o tempo de instalação e as restrições de localização dos MSRs, o que será essencial para a implantação generalizada do OPM-MEG.

Ambientes de baixo campo magnético, como salas blindadas magneticamente (MSRs), com perturbações mínimas de fontes externas são necessários para experimentos de precisão, incluindo a busca do momento de dipolo elétrico de partículas fundamentais1 e registros biomagnéticos, como magnetoencefalografia (MEG)2. MEG é uma técnica de imagem cerebral funcional não invasiva que mede campos magnéticos gerados por correntes neuronais3. A modelagem inversa é aplicada a esses campos medidos para reconstruir a atividade neuronal subjacente com excelente resolução espacial (~ 3 mm) e temporal (~ 1 ms)2,4, oferecendo uma janela única e não invasiva para a função do cérebro humano5. No entanto, o campo neuromagnético é da ordem de 100 s de femtotesla (fT) no couro cabeludo e, portanto, é facilmente mascarado por fontes interferentes. Um MSR é, portanto, um componente crítico de um sistema MEG2.

Scanners MEG de última geração usam uma matriz fixa de dispositivos supercondutores de interferência quântica (SQUIDs). Como esses sensores devem ser resfriados a temperaturas de hélio líquido, a geometria de um SQUID-MEG MSR é amplamente governada pela exigência de que um dewar criogênico seja colocado dentro do escudo. No entanto, desenvolvimentos recentes em tecnologias quânticas levaram a sistemas MEG baseados em magnetômetros bombeados opticamente (OPMs)6,7,8. Os OPMs disponíveis comercialmente (como os fornecidos pela QuSpin Inc. (Louisville, Colorado, EUA) e FieldLine Inc. (Boulder, Colorado, EUA)) são pequenos sensores de campo magnético integrados que exploram as propriedades quânticas de metais alcalinos9,10. Esses sensores podem ser montados em um capacete vestível que permite que os participantes se movam durante os estudos MEG11. Para atingir o nível de sensibilidade necessário para medir sinais MEG (sinais de interesse na faixa de 1 a 100 Hz, sensibilidade de < 15 fT/√Hz necessária), os OPMs são operados em torno de uma ressonância de campo magnético zero, dentro de uma faixa dinâmica estreita de ± 5 nT12 e uma largura de banda de 0–130 Hz. Os MSRs para OPM-MEG devem, portanto, filtrar a interferência magnética de fontes dentro desta faixa de frequência, ao mesmo tempo em que fornecem um ambiente no qual os campos magnéticos são < 1 nT em magnitude e os gradientes no campo são < 1 nT/m. Esse desempenho é necessário em um volume grande o suficiente para conter a cabeça e o conjunto de sensores durante o intervalo esperado de movimentos do participante, de modo que qualquer alteração no campo (seja induzida por uma fonte externa ou via rotação/translação de um sensor durante o participante movimento) não envia nenhum OPM fora de sua faixa dinâmica.