MEGの新世代の磁気計の可能性について：ビームフォーマーシミュレーション研究

磁気脳波（MEG）は、人間の脳機能の空間的、スペクトル、および時間的署名に関する豊富な情報を生成する洗練されたツールです。ユニークな可能性にもかかわらず、MEGは、脳によって生成された本質的に小さな磁場の両方と頭皮からセンサーの距離の両方によって引き起こされる低信号対雑音比（SNR）によって制限されます。後者は、ピックアップコイルが極低温で冷却される必要があるため、現在のシステムでは制限されています。最近の研究では、光学ポンプ型磁計（OPM）が、MEG測定のための超伝導検出器の実行可能な代替手段である可能性があることを示唆しています。センサーを頭皮から約4 mm以内に持ち込むことができるという利点があり、感度が向上します。ここでは、シミュレーションを使用して、感度、再構成の精度、空間分解能の観点から仮説OPMシステムの利点を定量化します。我々の結果は、マルチチャネル全体のヘッドOPMシステムが（平均して）成人の脳の感度の5倍の改善と、再建の精度と空間分解能の明確な改善を提供することを示しています。ただし、このような改善は正確なフォワードモデルに大きく依存することも示しています。実際、シミュレートされたOPMシステムの再構築精度は、フォワードフィールドエラーが5％未満の場合、シミュレートされた超伝導システムの再構築よりも優れていました。全体として、我々の結果は、生存可能な全頭部マルチチャネルOPMシステムの実現が、健康と疾患における脳の電気生理学的活動を評価する手段として、MEGの有用性のステップ変化を生成できることを暗示しています。ただし、実際には、ハードウェアとモデリングの両方のアルゴリズムの両方が必要になります。

Magnetoencephalography (MEG) is a sophisticated tool which yields rich information on the spatial, spectral and temporal signatures of human brain function. Despite unique potential, MEG is limited by a low signal-to-noise ratio (SNR) which is caused by both the inherently small magnetic fields generated by the brain, and the scalp-to-sensor distance. The latter is limited in current systems due to a requirement for pickup coils to be cryogenically cooled. Recent work suggests that optically-pumped magnetometers (OPMs) might be a viable alternative to superconducting detectors for MEG measurement. They have the advantage that sensors can be brought to within ~4 mm of the scalp, thus offering increased sensitivity. Here, using simulations, we quantify the advantages of hypothetical OPM systems in terms of sensitivity, reconstruction accuracy and spatial resolution. Our results show that a multi-channel whole-head OPM system offers (on average) a fivefold improvement in sensitivity for an adult brain, as well as clear improvements in reconstruction accuracy and spatial resolution. However, we also show that such improvements depend critically on accurate forward models; indeed, the reconstruction accuracy of our simulated OPM system only outperformed that of a simulated superconducting system in cases where forward field error was less than 5%. Overall, our results imply that the realisation of a viable whole-head multi-channel OPM system could generate a step change in the utility of MEG as a means to assess brain electrophysiological activity in health and disease. However in practice, this will require both improved hardware and modelling algorithms.