Scalp attached tangential magnetoencephalography using tunnel magneto-resistive sensors

Abstract

Non-invasive human brain functional imaging with millisecond resolution can be achieved only with magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG). MEG has better spatial resolution than EEG because signal distortion due to inhomogeneous head conductivity is negligible in MEG but serious in EEG. However, this advantage has been practically limited by the necessary setback distances between the sensors and scalp, because the Dewar vessel containing liquid helium for superconducting sensors requires a thick vacuum wall. Latest developments of high critical temperature (high-Tc) superconducting or optically pumped magnetometers have not allowed scalp-attached MEG due to cold or hot temperatures at the sensing point, respectively. Here we applied tunnel magneto-resistive (TMR) sensors that operate at room temperature. Improvement of TMR sensitivity with magnetic flux concentrators enabled scalp-attached and scalp-tangential MEG to target the largest signal component produced by the neural current below. In a healthy subject, our single-channel TMR-MEG system clearly demonstrated the N20m, the initial cortical component of the somatosensory evoked response after median nerve stimulation. Multisite measurement confirmed a spatially and temporally steep peak of N20m, immediately above the source at a latency around 20 ms, indicating a new approach to non-invasive functional brain imaging with millimeter and millisecond resolutions.

ダイヤモンド量子センサによる超高感度磁場計測と生体への応用

“…素子や 20) ， トンネル磁気抵抗効果 (tunnel magneto resistance: TMR)21) ， 磁気インピーダンス (magneto impedance: MI)素子を用いて22) ，脳磁図を取 得した報告がある．センサが固体のみで構成されてお り，室温で動作することから，注目を集めている． ダイヤモンド量子センサ ダイヤモンド中に形成された， 窒素 (nitrogen: N) と 空孔(vacancy: V)が対になった欠陥すなわち NV 中 心は，量子センサの系として注目されている(図 1a) つは非輻射遷移である．3 重項 基底状態の ms = 0 から励起された NV 中心は，第一 の経路を経て同じ状態へ緩和する．ここで ms = 0 と ±1 とのエネルギー差に相当する周波数のマイクロ波 を照射すると ms = ±1 への励起が起き，そこから励 起された NV 中心の一部は第 2 の経路を経て緩和す るため，赤色蛍光の強度が減少する．この ms = 0 と ダイヤモンド量子センサの測定原理(文献 31) より引用) 図 2 ダイヤモンド量子センサを用いたラットの MCG 計測(文献 30) より引用) 2a) ，ODMR によって磁場を測定した(図 2b) ．センサと心臓の離 隔距離は数ミリメートルである(図 2c) ．動物の心臓 に対してセンサの位置決めを行い(図 3a) ，マッピン グを行ったところ，心筋の収縮に同期してナノテスラ レベルの磁場が検出された(図 3b，c) ．この手法に よって，世界最高となるミリメートルスケールの空間 分解能で，心臓内電流分布の推定が可能になった．心 図 3 ラットの心臓と測定された MCG のマップ(文献 30) より引用)…”