Ein leichter magnetisch abgeschirmter Raum mit aktiver Abschirmung

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13561 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Magnetisch abgeschirmte Räume (MSRs) verwenden mehrere Materialschichten wie MuMetal, um externe Magnetfelder abzuschirmen, die andernfalls hochpräzise Magnetfeldmessungen wie die Magnetenzephalographie (MEG) beeinträchtigen würden. Optisch gepumpte Magnetometer (OPMs) haben die Entwicklung tragbarer MEG-Systeme ermöglicht, die das Potenzial haben, ein bewegungstolerantes funktionelles Gehirnbildgebungssystem mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung bereitzustellen. Obwohl sie vielversprechend sind, stellen OPMs strenge Anforderungen an die magnetische Abschirmung und arbeiten bei einer Magnetfeldresonanz von Null innerhalb eines dynamischen Bereichs von ± 5 nT. Für OPM-MEG entwickelte MSRs müssen daher externe Quellen wirksam abschirmen und für ein geringes Restmagnetfeld im Inneren des Gehäuses sorgen. Bestehende, für OPM-MEG optimierte MSRs sind teuer, schwer und schwierig zu platzieren. Elektromagnetische Spulen werden verwendet, um das Restfeld innerhalb des MSR weiter aufzuheben und die Bewegungen der Teilnehmer während der OPM-MEG zu ermöglichen. Aktuelle Spulensysteme sind jedoch schwierig zu konstruieren und nehmen Platz im MSR ein, was die Bewegungen der Teilnehmer einschränkt und sich negativ auf das Patientenerlebnis auswirkt. Hier präsentieren wir ein leichtes MSR-Design (30 % Gewichtsreduzierung und 40–60 % Reduzierung der Außenabmessungen im Vergleich zu einem standardmäßigen OPM-optimierten MSR), das wichtige Schritte zur Beseitigung dieser Hindernisse unternimmt. Wir haben außerdem ein aktives „Fensterspulen“-Abschirmsystem entwickelt, das aus einer Reihe einfacher rechteckiger Spulen besteht, die direkt an den Wänden des MSR angebracht sind. Durch die Kartierung des Restmagnetfelds innerhalb des MSR und des von den Spulen erzeugten Magnetfelds können wir optimale Spulenströme identifizieren und das Restmagnetfeld über dem zentralen Kubikmeter auf nur |B|= 670 ± 160 pT kompensieren. Diese Fortschritte reduzieren die Kosten, die Installationszeit und die Standortbeschränkungen von MSRs, was für den weit verbreiteten Einsatz von OPM-MEG von entscheidender Bedeutung sein wird.

Für Präzisionsexperimente, einschließlich der Suche nach dem elektrischen Dipolmoment fundamentaler Teilchen1 und biomagnetischer Aufzeichnungen wie der Magnetenzephalographie (MEG)2, werden Umgebungen mit geringem Magnetfeld, wie etwa magnetisch abgeschirmte Räume (MSRs), mit minimalen Störungen durch externe Quellen benötigt. MEG ist eine nicht-invasive funktionelle Bildgebungstechnik des Gehirns, die durch neuronale Ströme erzeugte Magnetfelder misst3. Auf diese gemessenen Felder wird eine inverse Modellierung angewendet, um die zugrunde liegende neuronale Aktivität mit hervorragender räumlicher (~ 3 mm) und zeitlicher (~ 1 ms) Auflösung2,4 zu rekonstruieren, was ein einzigartiges und nicht-invasives Fenster in die Funktion des menschlichen Gehirns bietet5. Allerdings liegt das neuromagnetische Feld an der Kopfhaut in der Größenordnung von 100 s Femtotesla (fT) und wird daher leicht durch Störquellen maskiert. Ein MSR ist daher eine kritische Komponente eines MEG-Systems2.

Hochmoderne MEG-Scanner verwenden eine feste Anordnung supraleitender Quanteninterferenzgeräte (SQUIDs). Da diese Sensoren auf die Temperatur von flüssigem Helium gekühlt werden müssen, wird die Geometrie eines SQUID-MEG-MSR weitgehend durch die Anforderung bestimmt, dass ein kryogener Dewar innerhalb der Abschirmung platziert werden muss. Jüngste Entwicklungen in der Quantentechnologie haben jedoch zu MEG-Systemen geführt, die auf optisch gepumpten Magnetometern (OPMs)6,7,8 basieren. Im Handel erhältliche OPMs (wie die von QuSpin Inc. (Louisville, Colorado, USA) und FieldLine Inc. (Boulder, Colorado, USA) bereitgestellten) sind kleine, integrierte Magnetfeldsensoren, die die Quanteneigenschaften von Alkalimetallen nutzen9,10. Diese Sensoren können in einen tragbaren Helm eingebaut werden, der es den Teilnehmern ermöglicht, sich während MEG-Studien zu bewegen11. Um die für die Messung von MEG-Signalen erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen (interessante Signale im Bereich von 1–100 Hz, Empfindlichkeit < 15 fT/√Hz erforderlich), werden OPMs um eine Magnetfeldresonanz von Null in einem engen Dynamikbereich von ± betrieben 5 nT12 und eine Bandbreite von 0–130 Hz. MSRs für OPM-MEG müssen daher magnetische Interferenzen von Quellen innerhalb dieses Frequenzbereichs abschirmen und gleichzeitig eine Umgebung bereitstellen, in der Magnetfelder eine Stärke von < 1 nT haben und die Feldgradienten < 1 nT/m betragen. Diese Leistung ist über ein Volumen erforderlich, das groß genug ist, um sowohl den Kopf als auch das Sensorarray während des erwarteten Bereichs der Bewegungen des Teilnehmers aufzunehmen, so dass jede Änderung des Feldes (entweder durch eine externe Quelle induziert oder durch Drehung/Translation eines Sensors während des Teilnehmers) verhindert wird Bewegung) sendet keine OPM außerhalb seines Dynamikbereichs.

Im Gegensatz zum SQUID-MEG kann das tragbare OPM-MEG mit einer Vielzahl von MSR-Formen und -Größen durchgeführt werden. Neben festen quaderförmigen Schilden wurden auch zylindrische Schilde verwendet, die leicht verschoben werden können, wenn der Platz begrenzt ist (obwohl solche Konstruktionen die Bewegung der Teilnehmer weitgehend verhindern)7. Um das volle Potenzial von OPM-MEG auszuschöpfen und einen breiten Einsatz zu ermöglichen, müssen MSRs optimiert werden, um die für den OPM-Betrieb erforderliche magnetische Umgebung bereitzustellen und gleichzeitig wichtige Aspekte wie Kosten, Gewicht, Komfort und architektonische Auswirkungen der Abschirmung zu berücksichtigen.

Eine passive Abschirmung von Magnetfeldern wird erreicht, indem Experimente in mehreren Schichten eines Materials mit hoher magnetischer Permeabilität eingeschlossen werden. Ein häufig verwendetes Material ist MuMetal, eine Nickel-Eisen-Legierung mit sehr hoher Permeabilität (\(\mu_{r}\) kann nach einer Wärmebehandlung zur Vergrößerung der Materialkörnung größer als 200.000 sein). Der Fluss-Shunt-Mechanismus schirmt niederfrequente Magnetfelder (Gleichstrom bis 10 Hz) ab, indem er Flusslinien in das MuMetal umleitet, wo sie dem MuMetal um den abgeschirmten Bereich folgen und auf der anderen Seite des Gehäuses austreten13. Zur Abschirmung hochfrequenter (10 Hz bis MHz) Magnetfelder wird auch ein Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet (z. B. Kupfer oder Aluminium). Wirbelströme im Material induzieren ein Magnetfeld, das das angelegte Feld ablenkt13. Aktuelle im Handel erhältliche abgeschirmte Räume, die für OPM-MEG optimiert sind, verwenden vier Schichten MuMetal und eine Schicht Kupfer. Daher sind diese MSRs schwer (> 10 Tonnen), erfordern strenge Standortanforderungen und erfordern umfangreiche Bauarbeiten. Dies gepaart mit langen Herstellungs- und Installationszeiten macht weitere Innovationen im MSR-Design äußerst wünschenswert.

Obwohl bei der Abschirmung externer Quellen ein hoher Abschirmfaktor (das Verhältnis der magnetischen Feldstärke der Störquelle, gemessen mit und ohne Abschirmung) erreicht werden kann, bedeutet die ferromagnetische Natur von MuMetal, dass MSRs oft ein verbleibendes internes Magnetfeld von etwa 10 aufweisen –30 nT14. Entmagnetisierungsspulen können in die MuMetal-Wände des MSR integriert werden, um das Restfeld zu reduzieren. Wenn also ein abklingender Sinusstrom an diese Spulen angelegt wird, wird das Metall um seine \(B {-} H\)-Kurve in Richtung eines Punktes getrieben Nullmagnetisierung15,16. Das restliche Magnetfeld wird dann auf ein Niveau reduziert, das von der Materialwahl (z. B. Schichtdicke, Schichtabstand und Materialdurchlässigkeit) und technischen Mängeln (z. B. Zugangslöcher, Türen und Verbindungen zwischen MuMetal-Platten) abhängt. Typischerweise wird eine Feldstärke von etwa 2–5 nT erreicht17.

Um das Restfeld weiter zu kompensieren (und die Bewegung der Teilnehmer in OPM-MEG zu ermöglichen), wird eine aktive magnetische Abschirmung eingesetzt, bei der elektromagnetische Spulen verwendet werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Größe dem Restfeld entspricht, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Dreiachsige Helmholtz-Spulen oder ähnliche Systeme können verwendet werden, um bekannte Magnetfelder in allen Ausrichtungen zu erzeugen und Restfelder und Feldgradienten zu kompensieren8, aber diese Konstruktionen sind für den Einsatz bei menschlichen Probanden schlecht geeignet, da sie die Teilnehmer in eine unangenehme Umgebung einschließen . Unsere frühere Arbeit zeigte die ersten bewegungstoleranten OPM-MEG-Studien unter Verwendung biplanarer „Fingerprint“-Spulen. Diese Spulen werden mithilfe von Designmethoden für MRT-Gradientenspulen hergestellt, die die Spulenwicklungen auf zwei große Ebenen (quadratische Ebenen von 1,6 × 1,6 m2 mit einem Abstand von 1,5 m) beschränken. Diese können auf beiden Seiten eines Teilnehmers platziert werden und ermöglichen so einen einfachen Zugang18. Solche Systeme nehmen Platz innerhalb des MSR ein und die Feldauslöschung ist auf ein kleines Volumen (0,4 × 0,4 × 0,4 m3) in der Mitte des Raums zwischen den Spulenebenen beschränkt. Obwohl die Spulen in diesen Systemen typischerweise so ausgelegt sind, dass sie über ein gewünschtes Volumen ein eindeutig homogenes, gleichmäßiges Feld oder einen Feldgradienten erzeugen, interagieren die erzeugten Felder mit den MuMetal-Wänden des MSR, was zu einer Änderung der erwarteten Feldstärke pro Stromeinheit führt eine Verzerrung der räumlichen Variation des Magnetfelds, was eine genaue Löschung schwierig macht, wenn Wechselwirkungen nicht in der Entwurfsphase berücksichtigt werden19,20,21. Es ist natürlich wünschenswert, die Spulendrahtpfade näher an die Wände des MSR zu verlegen, um den verfügbaren Platz im Inneren zu maximieren, obwohl dies die Stärke der Wechselwirkung mit dem MuMetal erhöht.

Hier beschreiben wir den Entwurf, die Konstruktion, den Betrieb und die Leistung eines passiv und aktiv magnetisch abgeschirmten Raums – mit Innenabmessungen von 2,4 × 2,4 × 2,4 m3 – der wichtige Schritte zur Bewältigung der oben genannten Herausforderungen darstellt. Der leichte MSR besteht aus zwei Schichten MuMetal und einer Schicht Kupfer, mit geringeren Schichtabständen im Vergleich zu früheren Designs. In die MuMetal-Schichten sind Entmagnetisierungsspulen eingearbeitet. Um die Abschirmeffizienz des leichteren MSR zu verbessern, haben wir ein neues aktives Abschirmsystem mit mehreren Spulen entwickelt, die „Fensterspule“, die aus einer Reihe von 27 rechteckigen Spulen besteht. Die Spulenabmessungen und -positionen wurden unter Berücksichtigung der Interaktion mit den MuMetal-Wänden des MSR optimiert und die konstruierten Spulen direkt auf den Wänden des MSR platziert, um den verfügbaren Platz im MSR zu maximieren und die Erfahrung der Teilnehmer an MEG-Experimenten deutlich zu verbessern. Durch Kartierung der Stärke und räumlichen Variation des von jeder Spule erzeugten Magnetfelds sowie der Kartierung des Restmagnetfelds wurden geeignete Spulenströme identifiziert, um eine Überlagerung von Magnetfeldmustern aller 27 Spulen zu erzeugen, die das Restfeld über einen großen Zeitraum aufhebt ( 1 × 1 × 1 m3) Volumen im MSR. Die Abschirmleistung des MSR wurde durch Messung der Abschirmfaktoren über einen Frequenzbereich unter Verwendung kontrollierter Magnetfelder validiert. Beispielhafte OPM-Sensorrauschdaten im leeren MSR wurden ebenfalls gesammelt, um deren Eignung für biomagnetische Aufzeichnungen zu überprüfen.

Der hier beschriebene MSR wurde bei Young Epilepsy (Lingfield, Surrey, UK) installiert, einer Wohltätigkeitsorganisation für Kinder und junge Erwachsene mit Epilepsie. Der MSR wurde für die Verwendung durch ein OPM-MEG-System (Cerca Magnetics Limited, Kent, UK) in der Epilepsieforschung entwickelt. Neben der Sicherstellung der magnetischen Leistung waren auch ästhetische Überlegungen wichtig, um eine komfortable Scanumgebung für junge Patienten und ihre Familien zu schaffen.

Magnetic Shields Limited (MSL, Kent, UK) hat den leichten MSR (The Light MuRoom) entworfen und gebaut, der aus zwei Schichten (äußere und innere Schicht) aus 1,5 mm dickem MuMetal und einer Schicht (mittlere Schicht) aus 4 mm dickem Kupfer besteht . Dies ist eine deutliche Reduzierung der Menge an Abschirmmaterial im Vergleich zu bestehenden OPM-optimierten MSRs wie dem MSL-Standard MuRoom22 am Sir Peter Mansfield Imaging Centre der University of Nottingham (UoN), der über zwei Außenschichten aus 1,5 mm dickem MuMetal verfügt, zwei innere Schichten aus 1 mm dickem MuMetal und eine mittlere Schicht aus 6 mm dickem Kupfer. Die Änderungen am Standard-MuRoom-Design führen zu einer Reduzierung des MuMetal um 40 % und einer Reduzierung des Kupfers um 33 % und reduzieren das Gesamtgewicht des MSR um etwa 30 % auf etwa 7 Tonnen. Auch der Materialaufwand und die benötigte Montagezeit werden gesenkt.

Um den Bau in Labor- und Nicht-Laborumgebungen mit begrenztem Platzangebot zu ermöglichen, wurde auch der Gesamtabstand zwischen der Innen- und Außenschicht verringert. Der Standard-MuRoom hat ein Innenvolumen (x,y,z) (y ist die vertikale Richtung) von 3 × 2,4 × 3 m3 und ein Außenvolumen von 3,7 × 3,4 × 4,0 m3, während der Light MuRoom ein nutzbares Innenvolumen von hat 2,4 × 2,4 × 2,4 m3 und ein Außenvolumen von ca. 2,8 × 3 × 2,8 m3; eine Reduzierung der Gesamtwandstärke um 40 bis 60 % entlang der verschiedenen Abmessungen des MSR. Der Abstand zwischen der äußeren MuMetal- und der Kupferschicht beträgt ~ 0,1 m und der Abstand zwischen der Kupfer- und der inneren MuMetal-Schicht beträgt ~ 0,02 m.

Der MSR wurde aus MuMetal- und Kupferplatten konstruiert, die auf einem Aluminiumrahmen montiert waren, der auf einer schwingungsdämpfenden Schicht auf einem gegossenen Betonsockel platziert war. Die größten MuMetal-Panels hatten eine Größe von 1,11 × 0,55 m2 und die größten Kupferpanels hatten eine Größe von 0,76 × 0,76 m2. Dies entsprach einer Flächenreduzierung von etwa 20 % im Vergleich zu den 1,23 × 0,61 m2 großen MuMetal-Paneelen und einer Reduzierung von 40 % im Vergleich zu den 1 × 1 m2 großen Kupferplatten, die im UoN MuRoom verwendet wurden. Eine Reduzierung der MuMetal-Plattengröße verbessert die Produktionseffizienz, da mehr Platten in einem einzigen Durchgang einer Wärmebehandlung unterzogen werden können, was die Herstellungszeit und -kosten reduziert. Kleinere Paneele lassen sich zudem einfacher bei der Montage handhaben. Die MuMetal-Abschirmplatten in der Außenschicht wurden in einer Ebenendrehung von 90° zu denen der Innenschicht angeordnet, um Flussverluste zu minimieren. Die MSR-Tür verfügt über drei Scharniere und einen Hebelgriff. Ein Notentriegelungsmechanismus ermöglicht den Zugriff auf den MSR in weniger als zwanzig Sekunden im unwahrscheinlichen Fall eines Ausfalls des Standardverriegelungsmechanismus, der für den Zugang des Patienten im Falle eines Anfalls von entscheidender Bedeutung ist. An den Rändern des MSR wurde eine LED-Beleuchtung angebracht, um minimale DC-Feldverschiebungen in der Raummitte zu gewährleisten.

Es wurden Beratungssitzungen mit den Gesundheitsfachkräften und Patientengruppen abgehalten, die den MSR verwenden würden, um zu bestimmen, wie eine komfortable Scanumgebung geschaffen werden kann. Der MSR wurde im Boden versenkt, so dass die Teilnehmer beim Eintritt keine Stufe erklimmen müssen. Die Bauarbeiten wurden nach der Installation durchgeführt, so dass die Vorderseite des MSR eine Fortsetzung des Raums darstellt, in dem es steht, und keine separate Einheit darstellt. Für den Teilnehmer ist nur die Vorderwand des MSR sichtbar; Ein separater Raum hinter der Wand enthält die Rückseite des MSR und dient zur Unterbringung von Geräten. Darüber hinaus war der Bodenbelag in der Wartehalle derselbe wie im MSR. Diese Elemente schaffen eine ruhige Umgebung für eine Aufnahme. Ein kommentiertes computergeneriertes Modell und Fotos des konstruierten MSR sind in Abb. 1 dargestellt.

Der magnetisch abgeschirmte Raum Light MuRoom. (a) Computermodell des Light MuRoom, Querschnitt, der das Gerüst und die Schichtstruktur zeigt. (b) Foto der Außenseite der dem Teilnehmer zugewandten Seite des MSR. (c) Foto des Inneren des MSR mit tragbarem OPM-MEG-System, montiert auf einer Plastikpuppe.

Die Magnetisierung von MuMetal nimmt mit der Zeit aufgrund externer Feldschwankungen zu, wie sie beispielsweise im Erdmagnetfeld auftreten. Dieser Effekt wird durch das Öffnen und Schließen der Tür des MSR verstärkt, da sich die magnetischen Domänen innerhalb des Materials durch das Erdfeld bewegen und sich an diesem ausrichten. Um eine wiederholbare MuMetal-Magnetisierung zu erzeugen, wurden Entmagnetisierungsspulen um jede Seite der inneren und äußeren Schichten von MuMetal gewickelt, wobei die Wicklungen auf beiden Seiten der Schichten ausgeglichen waren16. Die Spulen der beiden Schichten wurden in Reihe miteinander verbunden. Über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) auf einer BNC-6212-Digitalerfassungseinheit (DAQ) von National Instruments (NI, Austin, Texas, USA) wurden Ströme an die Spulen angelegt, die an ein AE Techron (Elkhart, Indiana, USA) ausgegeben werden. 7226-Leistungsverstärker, der an einer Seite eines 530-SU-7.5-Signaltransformators von Bel (Lynbrook, New York, USA) angeschlossen war (um jeglichen DC-Offset zu entfernen). Die andere Seite des Transformators war mit den Entmagnetisierungsspulen verbunden. Durch die Verbindung des DAQ mit einem LabVIEW (NI)-Programm wird ein linear abklingendes Sinussignal erzeugt. Die optimalen Wellenformparameter (Frequenz = 9,5 Hz, Spitzenstrom ~ 1,5 A, Abfall für 60 s) wurden empirisch durch Messung des Magnetfelds vor und nach der Entmagnetisierung mit einem dreiachsigen Fluxgate von Bartington (Mag-13, Bartington Instruments, Witney, UK) ermittelt Magnetometer. Bei jedem Öffnen der Tür wird eine Entmagnetisierung durchgeführt und die Verstärkerschaltung vor jeder Messung abgeschaltet, um Störungen zu vermeiden.

Die vertikale Komponente der Restmagnetfeldstärke nach der Entmagnetisierung (gemessen mit dem Fluxgate-Magnetometer in der Mitte des MSR und an den Ecken eines 0,4 × 0,4 × 0,4 m3 großen Volumens vor jeglicher aktiver magnetischer Abschirmung) betrug 4,84 ± 0,39 nT ( Mittelwert und Standardabweichung, Max/Min-Wert von 4,34/5,70 nT, Abschirmung des Erdmagnetfeldes um den Faktor ~ 10.000). Zum Vergleich: Der Standard-MuRoom erreicht bei UoN22 ein Restfeld < 2 nT. Zur weiteren Kompensation des Restfeldes wurde eine zusätzliche aktive magnetische Abschirmung entwickelt (siehe Abschnitt „Ergebnisse“).

Um die Leistung des MSR zu quantifizieren, wurden Abschirmungsfaktormessungen durchgeführt, indem vor und nach der Installation bekannte Magnetfelder über einen Bereich von Frequenzen angelegt wurden. Dabei wurde das Fluxgate-Magnetometer verwendet, das mit einem Bartington Spectramag-6 24-Bit-Datenerfassungsgerät verbunden war, um Daten aufzuzeichnen. Vor der Installation wurde eine quadratische elektromagnetische Spule mit 5 Windungen (Seitenlänge 3,3 m versetzt, 500 mm von der geplanten Position der Außenwände entfernt, erzeugtes Feld vertikal vom Boden bis zur Decke ausgerichtet) um den Umfang der MuRoom-Fundamente herum aufgestellt im Boden. Die Spule wurde mit sinusförmigen Wellenformen bei Frequenzen von 0,01, 0,1, 1, 10 und 100 Hz unter Verwendung eines Leistungsverstärkers AE Techron 7226 angetrieben. Wellenformen wurden mit benutzerdefinierter Python-Software generiert und von einem NI USB-6212 DAQ ausgegeben. Ein Spulenstrom von etwa 2 A pk--pk erzeugte bei jeder Frequenz ein sinusförmiges Magnetfeld mit einer Amplitude von 20 µT pk--pk in der Mitte der Spule. Die Feldamplituden wurden an einem Punkt gemessen, der dem inneren Mittelpunkt des MuRoom-Nachbaus entspricht. Nach Abschluss der MSR-Installation wurde die Spule neu aufgebaut und die Magnetfeldmessungen wiederholt. Die Amplituden der Wechselstromsignale wurden einer schnellen Fourier-Transformation der aufgezeichneten Daten entnommen. Die Verhältnisse der mit und ohne MSR gemessenen Feldwerte wurden zur Abschätzung des Abschirmfaktors des MSR herangezogen.

Um die Wirkung der passiven Abschirm- und Entmagnetisierungsspulen zu verstärken, haben wir ein aktives magnetisches Abschirmsystem entwickelt, das wir als „Fensterspule“ bezeichnen. Der Fensterspulensatz wurde parametrisiert und ein an MRT-Mehrspulen-Shimming-Systeme23,24 angepasster Ansatz wurde verwendet, um die Spulenparameter innerhalb der durch die MSR-Geometrie und die Antriebselektronik vorgegebenen Einschränkungen zu optimieren25.

Das Fensterspulensystem besteht aus sechs Sätzen von vier quadratischen elektromagnetischen Einheitsspulen, die jeweils aus zwanzig Drahtwindungen bestehen und in vierzähliger Symmetrie auf einer einzigen Seite des MSR angeordnet sind. Die Spulenanordnung auf jeder MSR-Seite wird durch drei Parameter charakterisiert:

\(L_{c}\), die quadratische Seitenlänge jeder Einheitsspule in der Fensterspule,

\(O\), der Versatz der Mitte jeder quadratischen Einheitsspule von der Mitte der Fensterspulen,

\(H\), der Versatz der Mitte der Fensterspule von der Mitte der MuMetal-Wand in der Vertikalen (\(y\)-Richtung). Die Spulensätze sind in den horizontalen Abmessungen (\(x\) und \(z\)) jeder Wand zentriert, wie in Abb. 2a dargestellt. Zur Vereinfachung der Herstellung wurden für alle Wände des MSR die gleichen Werte der Parameter \(O\) und \(L_{c}\) verwendet. Um die Wahl eines optimalen Satzes von Spulenparametern zu unterstützen, führten wir eine Simulationsstudie durch, um die Fähigkeit verschiedener Spulendesigns zu untersuchen, ein gewünschtes Magnetfeld über eine Reihe von „Zielpunkten“ innerhalb des MSR zu erzeugen.

Das aktive magnetische Abschirmsystem der Fensterspule. (a) Parametrierung der Fensterspule. Auf jeder Seite sind vier quadratische Spulen mit vierzähliger Symmetrie angeordnet. Die quadratische Seitenlänge der Spule, der Versatz von der Mitte des Fensters und der Versatz in der vertikalen Achse werden von allen Flächen gemeinsam genutzt. Die Spulenparameter werden optimiert, um bekannte Komponenten des Magnetfelds über den zentralen Kubikmeter des MSR zu erzeugen. (b) Endgültige optimierte Fensterspule mit 24 identischen quadratischen Spulen. Die Konstruktion dieser Struktur stellt eine Herausforderung dar, da die Zugangstür und die Projektionsöffnungen in 3/6 der Wände integriert werden müssen. (c) Das angepasste Design berücksichtigt die Geometrie des MSR und verfügt über 27 Spulen. (d) Zeichnung der Ecke eines Einzelspulenpaneels. Um 20 Drahtwindungen in jeder Spule unterzubringen, ist eine Reihe von Rillen spiralförmig angeordnet, in die Kupferdraht eingelegt wird. Auch der Leiterrückweg ist dargestellt. (e) Endgültiges Modell der Fensterspule mit allen Paneelen. (f) Foto der installierten Spulenplatten (Bodenspulen, die unter dem Bodenbelag verborgen sind, und Türspulen, die durch den Aufnahmewinkel verdeckt sind), aufgenommen vor der Verkleidung.

Das Magnetfeld an einem Zielpunkt \({\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} \left( {x,y,z} \right)\), erzeugt von einer quadratischen Einheitsspule \(m \) (aus einem Satz von \(M = 24\) Einheitsspulen), wenn ein Einheitsstrom fließt, wird mit \({\varvec{b}}_{{\varvec{m}}} \left( { {\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\). Das gesamte Magnetfeld, \({\varvec{B}}\left( {{\varvec{r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\) an diesem Zielpunkt von allen Spulen in der System, bei dem die \(m^{th}\)-Spule einen Strom \(i_{m}\) führt (von \(m = 1\) bis zur Spule \(m = M\)), ist die Vektorsumme aller Spulenbeiträge, d. h

Die Ausweitung der Berechnung auf mehrere Zielpunkte ermöglicht die Erstellung einer linearen algebraischen Gleichung, mit deren Hilfe die optimalen Spulenströme ermittelt werden können. In der Form \({\varvec{Ai}} = {\varvec{b}}_{{\varvec{t}}}\) definieren wir eine 'Vorwärtsfeld'-Matrix \({\varvec{A}}\ ), einen „Zielfeld“-Vektor \({\varvec{b}}_{{\varvec{t}}}\) und einen Spulenstromvektor \({\varvec{i}}\). Die Vorwärtsfeldmatrix enthält die Magnetfeldkomponenten \(B_{x}\), \(B_{y}\) und \(B_{z}\), die von einem Einheitsstrom in jeder Spule erzeugt werden und bei jedem von \(n) ausgewertet werden = 1\) zu \(N\) gesamten Zielfeldpunkten und hat daher die Dimensionen \(3N\) Zeilen mal \(M\) Spalten. Der Zielfeldvektor \({\varvec{b}}_{{\varvec{t}}} \user2{ }\) hat die Dimensionen \(3N\) Zeilen mal 1 Spalte und der aktuelle Vektor \({\varvec{ i}}\) hat die Dimensionen \(M\) Zeilen mal 1 Spalte. Die Vorwärtsfeldmatrix wird unter Verwendung der Spulenparameter berechnet und der Zielfeldvektor ist vordefiniert. Daher möchten wir den aktuellen Vektor finden, der die Vorwärtsfeldmatrix angemessen auf den Zielfeldvektor abbildet. Um sicherzustellen, dass die Spulenströme für einen gegebenen Parametersatz physikalisch beherrschbar sind, minimieren wir die Norm \(||{ }{\varvec{Ai}} - {\varvec{b}}_{{{\varvec{t} }}}||^{2}_{2}\) unterliegt den Einschränkungen, dass die Ober- und Untergrenze (\(ub\) und \(lb\)) der zulässigen Werte jeder Komponente \(i_{m }\) des Vektors \({\varvec{i}}\) ist \(lb \le i_{m} \le ub\) mit den durch die Spezifikationen der Spulentreiberelektronik definierten Grenzen. Das Problem entsteht als

Um eine Lösung für \({\varvec{i}}\) zu erhalten, verwenden wir die eingeschränkte quadratische Programmierung25 und wandeln die Minimierung in die Form um

wobei der hochgestellte Index \({\varvec{A}}^{T}\) die transponierte Matrix bezeichnet.

Die Nähe der Spule zu den Wänden des MSR bedeutet, dass die durch die Wechselwirkung der Spulen mit den MuMetal-Wänden erzeugten Magnetfelder bei der Entwicklung eines leistungsstarken aktiven Abschirmsystems berücksichtigt werden müssen. Diese Wechselwirkungen wurden zuvor untersucht und können mithilfe einer Reihe virtueller Spiegelströme ausgewertet werden, die durch Reflexion der Spulendrahtpfade in den Wänden des MSR19,26,27 erzeugt werden. Um sicherzustellen, dass die Randbedingungen korrekt erfüllt sind, werden rekursive Reflexionen der reflektierten Drahtpfade angewendet, sodass die tangentialen Feldkomponenten auf der durch die Wände des MSR gebildeten Innenfläche Null sind. Um sicherzustellen, dass die von den simulierten Spulendesigns erzeugten Magnetfelder den realen Fall widerspiegeln, werden die Auswirkungen von Wechselwirkungen bis hin zu Reflexionen dritter Ordnung in die Vorwärtsfeldmatrix einbezogen. Bei der Berechnung der Position der reflektierten Elemente haben wir angenommen, dass die Spulen von jeder Wand des MSR um 0,02 m versetzt sind. Die Vektorsumme des Magnetfelds, das von jedem der reflektierten Elemente an jedem Zielpunkt erzeugt wird, bildet den Magnetfeldwert \({\varvec{b}}_{{\varvec{m}}} \left( {{\varvec{ r}}_{{\varvec{n}}} } \right)\), der in die Vorwärtsfeldmatrix \({\varvec{A}}\) eingebaut wird.

Um die Spulenparameter innerhalb dieses Rahmens zu optimieren, haben wir zunächst den Bereich der Fensterspulen identifiziert, die gebildet werden könnten, da jeder Parameter, der die Spulen charakterisiert, einen Maximalwert hat, der durch die Abmessungen des MSR begrenzt ist. Das Vorhandensein von Entmagnetisierungskabeln, Verkleidungsplatten und Bodenbelägen reduziert das endgültig nutzbare Volumen, auf dem wir Spulenplatten montieren können, auf \(\left( {l_{x} ,l_{y} ,l_{z} } \right) = \left ( {2.20 {\text{x}} 2.40 {\text{x}} 2.20} \right) {\text{m}}^{3}\) (Koordinatensystem definiert in Abb. 2a,b, y ist das vertikale Richtung vom Boden zur Decke). Da wir möchten, dass alle Fensterspulen die gleichen Parameter haben, beschränkt dies die zulässigen Werte von \(L_{c}\) auf \(L_{c} < \frac{{l_{x} }}{2}.\ ) Für einen gegebenen Wert von \(L_{c}\) sind die Werte von \(O\) dann auf \(O < \frac{{l_{x} }}{2} - \frac{{L_{ c} }}{2}.\) Wir beschränken dann \(H\) für einen gegebenen Wert von \(L_{c}\) und \(O\) so, dass nur die Fensterspulen auf dem \(xy\) und \(zy\) Wände des MSR haben ein \(H\) ungleich Null, dessen Werte auf \(H < \frac{{l_{y} }}{2} - \frac{{L_{ c} }}{2} - O.\)

Für einen gegebenen Satz von Spulenparametern finden wir die Stromvektoren, die am besten zehn verschiedene Zielfeldvektoren erzeugen: die drei gleichmäßigen Feldkomponenten und (um sicherzustellen, dass die Magnetfeldgradienten gut ausgeglichen sind, wobei sich die Symmetrie aus \(\nabla \cdot { \varvec{B}} = 0\) und im aktuellen freien Bereich, der von den Zielpunkten umschlossen wird, \(\nabla \times {\varvec{B}} = 0\)) 7 (lineare) Feldgradientenkomponenten (vier Es wurden Längsgradienten und drei Quergradienten verwendet, siehe vollständige Liste im Online-Anhang 1). Für jede Kombination von Spulenparametern und jede der 10 Feldkomponenten \(fc\) ein Wert der Qualität der Lösung \(Q_{fc} = ||{\varvec{Ai}} - {\varvec{ b}}_{{{\varvec{t}}}}||^{2}_{2}\) wird berechnet. Da optimale Spulenparameter für verschiedene Feldkomponenten wahrscheinlich unterschiedlich sind, wird ein endgültiger kombinierter Qualitätswert, \(F\), aus den 10 Einzelwerten berechnet, \(F = \mathop \sum \limits_{fc = 1}^ {10} \sqrt {Q_{fc}^{2} }\).

Die Spulenparameter, die den Wert von \(F\) minimieren, werden mit MATLAB (Mathworks, Natick, MA, USA) ermittelt. Die eingeschränkte MATLAB-Minimierungsfunktion fmincon variiert die Werte von \(L_{c}\), \(O\) und \(H\) gemäß den oben genannten Einschränkungen (es wurden keine negativen Werte von \(H\) berücksichtigt). Das Magnetfeld jeder Einheitsspule wurde unter Verwendung des Biot-Savart-Gesetzes berechnet, wobei das für eine Einheitsstromstärke berechnete Feld mit 20 multipliziert wurde, um 20 Drahtwindungen zu berücksichtigen. Die Zielfeldstärke für jede Komponente wurde auf 5 nT bzw. 5 nT/m für die Magnetfeld- und Magnetfeldgradientenkomponenten eingestellt. In jedem Fall wird das Zielfeld über ein regelmäßiges kubisches Gitter mit einer Auflösung von 0,05 m (\(N = 9261\) Zielpunkte insgesamt) berechnet, das ein Volumen von 1 × 1 × 1 m3 in der Mitte des nutzbaren Teils des Feldes überspannt Zimmer. Die MATLAB-Optimierungs-Toolbox verfügt über eine eingeschränkte quadratische Programmierfunktion quadprog, die zur Lösung von Gl. verwendet wurde. (3) und erhalten Sie die optimalen Stromvektoren, um jede Feldkomponente für jedes Spulendesign mit Strömen zu erzeugen, die an \(- 0,1 {\text{A}} \le i_{m} \le + 0,1 {\text{A}} gebunden sind. \). Als optimale Spulenparameter wurden \(L_{c} = 1 {\text{m}}\), \(O = 0,55 {\text{m}}\) und \(H = 0,08 {\text{ M}}\). Dieser Entwurf ist in Abb. 2b dargestellt.

In der Praxis weist das MSR-Design mehrere „No-go“-Bereiche an den Innenwänden auf, beispielsweise die Stellen von Wellenleitern für die Geräteverkabelung, Löcher für die visuelle Projektion und eine große Zugangstür für Teilnehmer und Experimentatoren. Die Lage dieser Merkmale macht die Realisierung des optimierten Spulendesigns (Abb. 2b) schwierig. Die optimalen Parameter dienten daher als Leitfaden für die Anpassung des Designs an die No-Go-Bereiche auf der Oberfläche der Light MuRoom-Struktur. Abbildung 2c zeigt das angepasste Spulendesign. Am Boden und an der rechten Wand wurden keine Veränderungen vorgenommen. An der linken Wand, der Rückwand und der Decke befanden sich Löcher für die visuelle Projektion, sodass das Spulendesign an diesen Wänden so angepasst wurde, dass es fünf statt vier Spulen aufweist. Zwei rechteckige Spulen wurden auf beiden Seiten des Projektorlochs platziert und eine kleinere rechteckige Spule wurde um das Projektorloch herum platziert. An der Türfront wurden vier Spulen verwendet, von denen zwei bis zum Rand der Tür reichten, während zwei kleinere Spulen an der Tür selbst angebracht wurden. Es wurde gezeigt, dass das 27-Spulen-Design den endgültigen Qualitätsfaktor leicht um 2 % steigert (was auf eine schlechtere Leistung hinweist). Abbildung 3 zeigt simulierte Konturen über den Zielpunkten für ein beispielhaftes gleichmäßiges Feld (\(B_{z}\), Abb. 3a), einen longitudinalen Feldgradienten (\(dB_{x} /dx = - dB_{y} /dy). \), Abb. 3b) und einem transversalen Feldgradienten (\(dB_{x} /dz = dB_{z} /dx\), Abb. 3c). Das Magnetfeld an jedem Zielpunkt in der Feldkarte wurde auf die Zielfeld- oder Feldgradientenstärke (5 nT oder 5 nT/m) normiert, um Abweichungen von der Feld- oder Gradientengleichmäßigkeit über die Zielpunkte hinweg anzuzeigen. Wir bemerken die hohe Gleichmäßigkeit der gleichmäßigen Feldkomponente, < 3 % Abweichung über das 1 × 1 × 1 m3-Volumen. Dies verschlechtert sich auf > 20 % Abweichung für den Längsgradienten (Abb. 3b) und > 30 % Abweichung für den Quergradienten (Abb. 3c). Konturen der übrigen Feld- und Gradientenkomponenten sind im Online-Anhang 1 dargestellt.

Simulierte Magnetfeldkomponenten, die vom aktiven magnetischen Abschirmsystem der Fensterspule erzeugt werden. Konturen der Magnetfeldschwankung für (a) ein gleichmäßiges Magnetfeld \(B_{z}\), (b) einen longitudinalen Feldgradienten \(dB_{x} /dx = - dB_{y} /dy\) und ( c) ein transversaler Feldgradient \(dB_{x} /dz = dB_{z} /dx\). Alle Konturen werden in drei Ebenen dargestellt (von links nach rechts angeordnet): z = 0 m |x|, |y|< 0,5 m, y = 0 m |x|, |z|< 0,5 m und x = 0 m | z|, |y|< 0,5 m bzw. Die Feldwerte an jedem Zielpunkt werden auf das Zielfeld oder die Feldgradientenstärke (von 5 nT oder 5 nT/m) normiert, um Abweichungen von der Gleichmäßigkeit anzuzeigen. Konturen der übrigen Magnetfeldkomponenten sind im Online-Anhang 1 dargestellt.

Jede Spulenplatte wurde durch Verlegen von isoliertem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,65 mm in 3-mm-Nuten hergestellt, die in 10 mm dicke Kunststoffplatten eingearbeitet waren. Die Rillen wurden zur Vereinfachung der Konstruktion in einem Spiralmuster angeordnet, das Platz für 20 Windungen bietet, wobei die durchschnittliche Spulenseitenlänge über die Windungen den optimalen Spulenparametern entspricht, wie in Abb. 2d dargestellt. Abbildung 2e-f zeigt das Panel-Layout. Das Spiralmuster hat im Vergleich zu den in der Simulation verwendeten rechteckigen Drahtpfaden nur minimale Auswirkungen auf das erzeugte Feld in der Mitte des MSR. Der Spulenwiderstand und die Induktivität variieren je nach Panelgröße, die Maximalwerte lagen jedoch bei 4,99 Ω bzw. 1,25 mH. Die Panels wurden an den Wänden des MSR montiert und mit einer Anschlussdose verbunden, die wiederum mit einem Elektronikschrank verbunden ist. Der Elektronikschrank enthält neun rauscharme Spannungstreiber von QuSpin Inc. (http://quspin.com/low-noise-coil-driver/). Jeder Treiber steuert drei Spulen und jeder Kanal wurde so konfiguriert, dass er bis zu ± 68 mA Strom aus einer Eingangsspannung von ± 10 V liefert. Die Eingangsspannungen für die Spulentreiber werden von einer Reihe von NI-9264 16-Bit-DACs von National Instruments geliefert werden von einem NI-cDAQ-9174 DAQ und LabVIEW gesteuert.

Um das verbleibende Magnetfeld auf Null zu setzen, verwendeten wir die von Rea et al.28 beschriebene Methode, die die optische Verfolgung einer sich bewegenden Anordnung von Magnetfeldsensoren nutzt, um ein sphärisches harmonisches Modell des Magnetfeldes im MSR29 zu erzeugen. Wir haben zwei dreiachsige Fluxgate-Magnetometer (Bartington Mag-13MSL100 – rauscharme Variante mit ± 100 µT Dynamikbereich, Genauigkeit < 1 nT, Rauschen < 6 pTrms/√Hz bei 1 Hz) zusammen mit einem Satz von fünf Infrarot-Reflexionsmarkern montiert ein Kunststoffständer, der an einem Kunststoffstab befestigt ist, wie in Abb. 4a gezeigt. Vier optische Trackingkameras (OptiTrack Flex 13, NaturalPoint Inc., Corvallis, Oregon, USA) wurden in den oberen Ecken des Raums platziert, wie in Abb. 4b gezeigt. Die Kameras verfolgen die Position der reflektierenden Markierungen und nutzen die kombinierten Koordinaten einer Reihe von Markierungen (Abb. 4a), die relativ zueinander fixiert sind (und einen starren Körper bilden), um eine Verfolgung mit sechs Freiheitsgraden (Translation und Bewegung) abzuleiten Rotation) des starren Körpers mit einer Präzision im Submillimeter- und Sub-1-Grad-Bereich.

Aktive Kompensation des Restmagnetfeldes mittels Field-Mapping-Verfahren. (a) Zwei dreiachsige Fluxgate-Magnetometer, befestigt an einem Kunststoffstab. Am Stab sind außerdem fünf reflektierende Infrarotmarkierungen angebracht, die eine optische Verfolgung der Position und Ausrichtung der Sensoren im MSR ermöglichen. (b) Schematische Darstellung des Feldzuordnungsaufbaus. Die Trackingkameras sind in den Ecken des MSR montiert und blau hervorgehoben. Das gestrichelte schwarze Volumen zeigt das zentrale Kubikmetervolumen, innerhalb dessen der Stab bewegt wurde. Die grün hervorgehobenen Markierungen zeigen den Weg, dem die Fluxgate-Magnetometer während des Feldkartierungsprozesses folgten und den größten Teil des zentralen Kubikmeters des MSR abdeckten. (c) Magnetometerdaten einer einzelnen Komponente eines dreiachsigen Sensors, gemessen bei Aktivierung einer einzelnen Spule. Durch die Kombination der Daten aller Magnetometer mit den optischen Trackingdaten kann ein sphärisches harmonisches Modell verwendet werden, um die Stärke und räumliche Variation des von jeder Spule erzeugten Feldes anzunähern. (d) Die rote Kurve zeigt das von einem Magnetometer im MSR gemessene Magnetfeld, wobei alle Spulen ausgeschaltet sind. Das Magnetfeldmodell jeder Spule wurde verwendet, um Spulenspannungen zu berechnen, die das erforderliche Nullungsfeld erzeugen. Nach dem Anlegen der Spannungen wurde die Kartierung erneut durchgeführt. Die blaue Kurve zeigt die Magnetometerdaten nach dem Nullabgleich, wobei ähnliche Sensorverschiebungen und -drehungen kaum oder gar keine Änderung im gemessenen Feld bewirken. (e) Feldzuordnung und Nullung wurden achtmal wiederholt. Das Balkendiagramm zeigt ein konsistentes Restfeld nach der Entmagnetisierung und eine konsistente Verringerung der RMS-Größe der drei einheitlichen Feldkomponenten, die das Modell bei Anwendung der Kompensation ermittelt hat. (f) Eine ähnliche Verringerung ist in der RMS-Größe der fünf Feldgradientenkomponenten zu beobachten.

Die festen Positionen der empfindlichen Volumina der Fluxgate-Sensoren in Bezug auf den Massenschwerpunkt des starren Körpers wurden gemessen, was eine Kombination der optischen Trackingdaten mit den Magnetometerdaten ermöglichte, um eine genaue Anpassung an ein Modell des Magnetfelds zu erzeugen. Fluxgate-Daten wurden bei 1200 Hz mit einem 16-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) NI-9205 mit Schnittstelle zu LabVIEW erfasst. Optische Trackingdaten wurden bei 120 Hz mithilfe der OptiTrack Motive-Softwareplattform erfasst, die über das Motive NatNet SDK (V3.1) mit MATLAB verbunden war. Die Magnetometerdaten wurden bei 10 Hz tiefpassgefiltert und auf 120 Hz heruntergesampelt, um sie an die Abtastrate des optischen Trackingsystems anzupassen. Die optischen Trackingdaten wurden zudem mit 10 Hz tiefpassgefiltert. Zur Synchronisierung der beiden Aufnahmen wurde ein Triggersignal verwendet. Beide Datenströme wurden korrigiert, um die Änderungen im Magnetfeld sowie in der Sensorposition und -ausrichtung relativ zum ersten Zeitpunkt widerzuspiegeln. Wir haben ein sphärisches harmonisches Magnetfeldmodell dritter Ordnung mit drei gleichmäßigen Feldern, fünf Feldgradienten und sieben Krümmungstermen (variiert mit dem Quadrat des Abstands) gewählt (alle Terme sind in Tabelle 2 aufgeführt), sodass die Methode insgesamt fünfzehn Anpassungen zurückgibt Koeffizienten, die die relative Stärke jeder sphärischen harmonischen Komponente im Modell beschreiben.

Um die Feldabbildungskoeffizienten zur Auswahl von Fensterspulenströmen für die Feldnullung zu verwenden, haben wir zunächst das verbleibende Magnetfeld (nach der Entmagnetisierung des Raums) über den zentralen Kubikmeter des MSR abgebildet, indem wir eine Reihe von Drehungen und Verschiebungen der Fluxgate-Magnetometer durchgeführt haben . Dieser Vorgang dauert etwa 2 Minuten. Für die Erstellung aller Feldkarten wurden die gleichen Rotationen und Translationen durchgeführt. Ein Beispiel für das kartierte Volumen ist in Abb. 4b dargestellt. Anschließend haben wir mithilfe der DACs 5 V an eine einzelne Spule angelegt und das Feld erneut abgebildet. Eine Beispielanpassung an das von einer Spule erzeugte Magnetfeld ist in Abb. 4c dargestellt. Indem wir die Koeffizienten, die für das Restfeld gefunden wurden, von denen subtrahieren, die gefunden wurden, als die Spule erregt wurde, und durch 5 dividieren, erhalten wir die Änderung in jeder Komponente unseres Magnetfeldmodells, die durch eine Einheit angelegter Spannung erzeugt wird. Indem wir dies für alle 27 Spulen wiederholen, könnten wir eine Spulenkalibrierungsmatrix erstellen, die die Änderung in jeder Feldkomponente beschreibt, die durch eine an jede Spule angelegte Einheitsspannung erzeugt wird. Die Pseudoinverse dieser Matrix kann dann verwendet werden, um die Spulenspannungen zu identifizieren, die am besten das zum Aufheben des Restfelds erforderliche Feld erzeugen. Der Korrelationskoeffizient zwischen unserer Modellanpassung und den gemessenen Daten betrug für jede Spule > 0,98, was auf ein gutes Modell und genaue Spulenkalibrierungswerte schließen lässt. Die Kalibrierungsphase dauert ca. 1 Stunde, wird aber nur einmal durchgeführt.

Wir untersuchten die Leistung der Feldkartierungs- und Nullungsmethode, indem wir zunächst den MSR entmagnetisierten, dann das verbleibende Magnetfeld kartierten und die Spulenspannungen berechneten, die zum Aufheben dieses Magnetfelds erforderlich sind. Nachdem diese Nullungsspannungen angelegt worden waren, haben wir das Magnetfeld innerhalb des MSR neu kartiert und erwartet, dass die Änderungen des Magnetfelds, die die Fluxgates erfahren, wenn sie sich auf demselben Weg bewegen, abnehmen. Der Nullabgleich wurde achtmal wiederholt, um die Wiederholbarkeit sowohl des Entmagnetisierungsprozesses als auch des erreichbaren Ausmaßes der Feldaufhebung zu beurteilen.

Tabelle 1 zeigt die gemessenen Abschirmungsfaktoren des MSR bei einem Frequenzbereich innerhalb der OPM-Bandbreite.

Die maximale Verschiebung des Massenschwerpunkts der optischen Tracking-Marker vom Zentrum des kartierten Volumens betrug (x,y,z) (0,32 ± 0,08 m, 0,50 ± 0,06 m, 0,44 ± 0,06 m) und (0,30 ± 0,04 m). , 0,48 ± 0,04 m, 0,41 ± 0,06 m) vor bzw. nach der Nullung (Mittelwert ± Standardabweichung der 8 Wiederholungen). Die maximale Rotation des Massenschwerpunkts der optischen Tracking-Marker um den Ursprung in den x-, y-, z-Achsen betrug (50 ± 10°, 28 ± 3°, 40 ± 10°) und (50 ± 10°, 28 ± 5°, 40 ± 10°). Die Konsistenz der Bewegung lässt darauf schließen, dass Änderungen im Magnetfeldmodell auf eine Änderung des Magnetfelds des MSR zurückzuführen sind. Zeitverläufe der Feldschwankung, die von einem der Magnetometer vor und nach der Feldnullung gemessen wurden, sind in Abb. 4d dargestellt. Bei aktiven Spulen zeigt sich eine deutliche Reduzierung der Artefaktgröße bei der Sensorbewegung. Abbildung 4e zeigt eine Abnahme der Größe der drei gleichmäßigen Komponenten des sphärischen harmonischen Modells von \(\left| {\varvec{B}} \right| = 6,13 \pm 0,15\) nT auf \(\left| {\ varvec{B}} \right| = 0,67 \pm 0,16\) nT (Mittelwert ± Standardabweichung der 8 Wiederholungen) vor und nach dem Anlegen der Spulenspannungen. Abbildung 4f zeigt eine Abnahme der Größe der fünf Feldgradientenkomponenten von \(\left| {\varvec{G}} \right| = 2,67 \pm 0,30\) nT/m auf \(\left| {\varvec{ G}} \right| = 1,02 \pm 0,46\) nT/m. Tabelle 2 fasst die Änderung in jeder der fünfzehn Komponenten im sphärischen harmonischen Modell zusammen. Eine Verringerung ist bei allen gleichmäßigen Feld- und Gradientenkomponenten zu beobachten. Obwohl ein Anstieg einiger Krümmungskomponenten beobachtet wird, beträgt ihre Stärke ~ 1 nT/m2, und die Variation mit dem Quadrat des Abstands bedeutet, dass diese Begriffe minimale Auswirkungen auf das Feld beim Rauschpegel der Fluxgate-Sensoren haben. Die durchschnittliche Standardabweichung (\(\sigma\)) der sechs einzelnen Zeitverläufe von Fluxgate-Daten, die zur Generierung der Modellanpassungen verwendet wurden, wurde von \(\sigma = 0,84 \pm 0,15\) auf \(\sigma = 0,24 \pm 0,02\) reduziert. ) nT vor bzw. nach der Feldnullung. Der durchschnittliche Korrelationskoeffizient (\(r\)) über die 6 Magnetometerkanäle verringerte sich von \(r = 0,96 \pm 0,02\) auf \(r = 0,45 \pm 0,09\) vor und nach der Feldnullung. Die Verringerung des Korrelationskoeffizienten legt nahe, dass das Magnetfeld durch den Rauschpegel der Fluxgates kompensiert wird; Das heißt, in den Daten bleiben nur wenige Artefakte zurück, die mit den Verschiebungen und Drehungen des Sensors korrelieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Fensterspule und die Feldkartierungsmethode eine wirksame Kompensation des Restmagnetfelds innerhalb des MSR ermöglichen.

Acht QuSpin-Nullfeldmagnetometer (QZFM, 3. Generation, zweiachsige Variante, Empfindlichkeit < 15 fT/√Hz im 3–100-Hz-Band) wurden in der Mitte des Raums platziert. Der MSR wurde vor den Aufnahmen entmagnetisiert. Die QZFMs waren jeweils so konfiguriert, dass sie zwei Komponenten des Magnetfelds messen. Die Daten wurden 10 Minuten lang bei 1200 Hz mit einem NI-9205 ADC aufgezeichnet. Da die in den vorherigen Experimenten ermittelten Spulenspannungen < 1 % des Dynamikbereichs der DACs nutzten, wurde zu jeder Spule ein 2-kΩ-Widerstand in Reihe geschaltet, sodass 30 % des Dynamikbereichs genutzt werden konnten. Dieser zusätzliche Widerstand reduziert auch das Stromrauschen, das im Inneren des MSR in Magnetfeldrauschen umgewandelt wird. Es wurden zwei Aufnahmen gemacht: mit und ohne eingeschaltetem Fensterspulensystem. Abbildung 5a zeigt Zeitverlaufsdaten, die von diesen Sensoren während des Experiments mit eingeschalteter Fensterspule aufgezeichnet wurden. Abbildung 5b zeigt die spektrale Leistungsdichte der Daten für beide Fälle, die mithilfe eines Flat-Top-Fensters und der Segmentierung der Daten in 10-s-Blöcke analysiert wurden, bevor die spektrale Leistungsdichte mithilfe der Periodogrammfunktion von MATLAB berechnet und anschließend die Ergebnisse gemittelt wurden. Der mittlere PSD wird als durchgezogene Linie dargestellt (blau/rot für die ein-/ausgeschalteten Spulen) und der Bereich über alle Kanäle wird durch die schattierten Bereiche angezeigt. Die Daten zeigen niederfrequente Felddriften von ~ 300 pT in 10 Minuten. Der mittlere Rauschpegel innerhalb der für neuronale Oszillationen interessanten Frequenzbänder (mit bzw. ohne eingeschalteter Fensterspule) betrug: Delta (0,5–4 Hz) 43/38 fT/√Hz, Theta (4–8 Hz) 16 /13 ft/√Hz, Alpha (8–12 Hz) 14/13 fT/√Hz, Beta (13–30 Hz) 14/12 fT/√Hz und Gamma (30–100 Hz) 12/11 fT/√ Hz. Der Bereich zwischen den Sensoren ist für beide Bedingungen vergleichbar. Diese Leistung dürfte eine geeignete Umgebung für OPM-MEG-Aufnahmen bieten.

Im Light MuRoom aufgenommene OPM-Daten. (a) Zeitverläufe der Änderung des Magnetfelds, die acht zweiachsige OPMs (insgesamt 16 Kanäle) erfahren, die bei eingeschaltetem Fensterspulensystem in der Mitte des leeren MSR platziert wurden. Jedes OPM war so konfiguriert, dass es zwei Komponenten des Magnetfelds misst. Über 10 Minuten beträgt die Feldänderung etwa 300 pT, was auf eine gute Abschirmleistung und eine ruhige magnetische Umgebung hinweist. (b) Mittelwert und Bereich (schattiert) der spektralen Leistungsdichte der von den OPMs gesammelten Daten mit und ohne aktivem Fensterspulensystem. Die schwarze gestrichelte Linie zeigt 15 fT/√Hz an. Die Daten deuten darauf hin, dass der MSR eine geeignete Umgebung für OPM-MEG ist und dass das Spulensystem kein zusätzliches Magnetfeldrauschen verursacht.

Leichte MSRs, die leicht platziert werden können, sind für den weit verbreiteten Einsatz von OPM-MEG-Systemen von entscheidender Bedeutung. Der Designprozess umfasste hier die Halbierung der Anzahl der MuMetal-Schichten, die Reduzierung des Schichtabstands und die Reduzierung der Kupferdicke im Vergleich zu einem bestehenden OPM-optimierten MSR. Jede Änderung wirkt sich negativ auf den Abschirmungsfaktor des MSR aus. Tabelle 1 zeigt jedoch, dass trotz dieser Änderungen hohe Abschirmungsfaktoren erreicht werden, die eine Leistung bieten, die ausreicht, um verwertbare OPM-Daten zu erhalten (Abb. 5). Wir stellen fest, dass sich der MSR an einem Standort mit minimalen magnetischen Störungen befand. Es bleibt abzuwarten, ob diese Leistung für eine anspruchsvollere Umgebung wie ein Stadtzentrum oder ein Krankenhaus ohne zusätzliche Techniken wie den Betrieb der Spulen geeignet wäre eine konstante Rückkopplungsschleife mit festen Referenzsensoren zur Aufhebung niederfrequenter Feldänderungen. Die Feldänderungsrate, die durch Antreiben einer Spule mit der Induktivität \(L\) und dem Wirkungsgrad \(\eta\) mit der Ansteuerspannung \(V\) erzeugt werden kann, ist gegeben durch \(dB/dt = \eta V/ L\). Wenn wir \(\eta\) auf das maximale Feld pro Stromeinheit setzen, das eine der 27 Spulen benötigt, um ein gleichmäßiges \(B_{x}\)-Feld in der Mitte des MSR von 4,6 nT/mA zu erzeugen, finden wir das Mit \(V = 1\) V kann eine Feldänderungsrate von 3,5 nT/ms erreicht werden. Da \(\left| {\frac{{d{\varvec{B}}}}{dt}} \right | \propto \omega \left| {\varvec{B}} \right|\) für eine sinusförmige Wellenform ermöglicht dies die Erzeugung eines Feldes mit einer Amplitude von mehr als 5 nT selbst bei 100 Hz, was für mehr als ausreichend ist Feldauslöschung im für MEG relevanten Frequenzbereich. Bei höheren Frequenzen (> 1 kHz) zeigt die Kopplung zwischen dem von den Spulen erzeugten Magnetfeld und dem MuMetal eine erhebliche Frequenzabhängigkeit, was zu Variationen in der Stärke, Phase und räumlichen Variation der Felder führt. Obwohl sich der dynamische Betrieb der Spulen auf niederfrequente Effekte konzentrieren würde, könnte ein Betrieb bei höheren Frequenzen durch eine präzise Modellierung der MuMetal-Wechselwirkung für verschiedene Frequenzbereiche möglich sein oder adaptive Algorithmen könnten während konstanter Rückkopplungsprozesse eingesetzt werden. Die Optimierung der Kupferschicht zur Verbesserung der Abschirmung bei höheren Frequenzen könnte auch dazu genutzt werden, die Abschirmfaktormessungen weiter zu verbessern und den Einsatz des MSR in lauteren Umgebungen zu ermöglichen.

Elektromagnetische Spulensysteme zur Kompensation des Restmagnetfelds eines MSR bilden einen Schlüsselbereich der Entwicklung für OPM-basierte MEG. Frühere Arbeiten umfassten den Entwurf und die Konstruktion von biplanaren14,19 und Helmholtz-Spulensystemen8, die jeweils über eine Reihe unterschiedlicher Spulen verfügen, die bekannte Komponenten des Magnetfelds oder Feldgradienten erzeugen. Die Kompensation von Magnetfeldern und niederfrequenten Felddrifts auf die für den Sensorbetrieb erforderlichen Sub-nT-Werte wurde über kleine Volumina erreicht, die sich über am Kopf montierte Arrays von OPMs erstrecken, die begrenzten Bewegungen unterliegen. Es hat sich gezeigt, dass die Einbeziehung der Wechselwirkungen der erzeugten Felder mit den MuMetal-Wänden des MSR die Qualität der von solchen Spulen erzeugten Feldmuster21 verbessert und möglicherweise eine genauere Feldnullung ermöglicht. Spulendesigntechniken und Open-Source-Pakete wurden für eine Vielzahl von Abschirmungs- und Spulengeometrien entwickelt20,30. Die für diese Systeme erforderlichen aufwändigen Drahtwege und mehreren Spulenschichten führen jedoch zu einem komplexen Herstellungs- und Installationsprozess. Die begrenzte räumliche Ausdehnung des Bereichs, der von früheren Spulenlösungen abgedeckt wurde (z. B. zwei 1,6 × 1,6 m2 große Ebenen mit einem Abstand von 1,5 m), hatte erhebliche Auswirkungen auf den nutzbaren Bereich des MSR und schränkte das Ausmaß ein, in dem eine komfortable Scanumgebung erreicht werden kann.

Das Fensterspulensystem und die Feldkompensationsmethoden, die wir beschrieben haben, haben drei wesentliche Vorteile gegenüber bestehenden Techniken: (1) Die Herstellung wird vereinfacht, da quadratische/rechteckige Spulen flexibel auf der Innenfläche des MSR platziert werden können. (2) Spulenkalibrierung und -betrieb erfolgen datengesteuert und berücksichtigen alle Feldfehler, die nicht genau modelliert werden können. (3) Spulen können so konfiguriert werden, dass sie Magnetfelder innerhalb eines benutzerdefinierten Volumens erzeugen und sich so effektiv „neu gestalten“, um sich an ihre Umgebung anzupassen. Diese Flexibilität bietet einzigartige Möglichkeiten. Das hier beschriebene große Kompensationsvolumen ermöglicht einen großen Bewegungsbereich der Teilnehmer, aber die Spulen könnten auch so abgestimmt werden, dass sie kleinere Volumina wie den OPM-MEG-Helm kompensieren. Durch die kontinuierliche Überwachung der Kopfposition mit optischen Tracking-Kameras und die Kombination der Feldmodellierung mit den von den OPM-Sensoren im MEG-Helm gesammelten Daten könnten die Spulen möglicherweise in einem konstanten Feedback-Modus betrieben werden, um die Position des abgeschirmten Volumens kontinuierlich zu aktualisieren Vorteil eines Mehrspulensystems. Die OPMs würden auch empfindlich auf das Restfeld reagieren, das die Fluxgates nicht erkennen können, wodurch die Leistung der Feldnullung verbessert würde. Eine dynamische Stabilisierung auf diese Weise würde die niederfrequenten „Drifts“ beseitigen, die in den in Abb. 5a gezeigten OPM-Daten vorhanden sind. Diese Fortschritte könnten Experimente ermöglichen, die eine ambulante Bewegung erfordern – ein wichtiger Schritt zur Ausschöpfung des vollen Potenzials von OPM-MEG.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Diese Arbeit wurde durch ein Innovate UK Collaborative R&D Grant (Light MuRoom, Ref: 104604), den UK Quantum Technology Hub in Sensing and Timing, finanziert vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) (EP/T001046/1) und unterstützt ein Wellcome Collaborative Award in Science (203257/Z/16/Z und 203257/B/16/Z).

Sir Peter Mansfield Imaging Centre, Fakultät für Physik und Astronomie, University of Nottingham, University Park, Nottingham, NG7 2RD, Großbritannien

Niall Holmes, Molly Rea, James Leggett, Lucy J. Edwards, Elena Boto, Ryan M. Hill, Paul Glover, Matthew J. Brookes und Richard Bowtell

Magnetic Shields Limited, Headcorn Road, Staplehurst, Tonbridge, Kent, TN12 0DS, Großbritannien

James Chalmers, Paul Nell, Stephen Pink, Prashant Patel, Jack Wood, Nick Murby und David Woolger

Cerca Magnetics Limited, Headcorn Road, Staplehurst, Tonbridge, Kent, TN12 0DS, Großbritannien

Eliot Dawson und Christopher Mariani

Wellcome Centre for Human Neuroimaging, UCL Institute of Neurology, London, WC1N 3AR, Großbritannien

Tim M. Tierney, Stephanie Mellor, George C. O'Neill und Gareth R. Barnes

QuSpin Inc., 331 South 104th Street, Suite 130, Louisville, CO, 80027, USA

Vishal Shah & James Osborne

Junge Epilepsie, St. Piers Lane, Lingfield, Surrey, RH7 6PW, Großbritannien

Rosemarie Pardington

Fachbereich Physik, Technische Universität München, 85748, Garching, Deutschland

Peter Fierlinger

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Die Studie wurde von NH, DW, TMT, RP, GRB, MJB und RB entworfen und konzipiert. Die Experimente wurden von NH, MR, JC, LJE, JL, PP, JW und NM durchgeführt und analysiert. Alle Autoren trugen zum Design und zur Konstruktion bei und Installation der Anlage, Interpretation der Ergebnisse und Verfassen des Manuskripts.

Korrespondenz mit Niall Holmes.

DW ist Geschäftsführer von Magnetic Shields Limited, dem Unternehmen, das den in dieser Arbeit beschriebenen magnetisch abgeschirmten Raum entworfen und gebaut hat. JC, PN, SP, PP, JW und NM sind Mitarbeiter von Magnetic Shields Limited. PF erhält eine Vergütung als wissenschaftlicher Berater von Magnetic Shields Limited. EBDW und MJB sind Direktoren von Cerca Magnetics Limited, einem Spin-out-Unternehmen, dessen Ziel die Kommerzialisierung von Aspekten der OPM-MEG-Technologie ist. Zu den Cerca-Produkten gehören magnetisch abgeschirmte Räume für biomagnetische Messungen von Magnetic Shields Limited. EB, MJB, RB, NH und RH halten Gründungsanteile an Cerca Magnetics Limited und RB, NH und RH sitzen im wissenschaftlichen Beirat. ED und CM sind Mitarbeiter von Cerca Magnetics Limited. VS ist Gründungsdirektor von QuSpin Inc., einem kommerziellen Unternehmen, das die in dieser Arbeit verwendeten OPM-Magnetometer verkauft. JO ist Mitarbeiter von QuSpin Inc. RP ist Direktor für integrierte Pflege bei Young Epilepsy, der Wohltätigkeitsorganisation, in der der in dieser Arbeit beschriebene magnetisch abgeschirmte Raum installiert wurde. NH, JC, DW, PG, MJB und RB erklären, dass sie ein beim britischen Government Intellectual Property Office (Anmeldenummer GB2109459.4) angemeldetes Patent bezüglich der in dieser Arbeit beschriebenen aktiven magnetischen Abschirmsysteme haben. Die übrigen Autoren, MR, JL, LJE, TMT, SM, GCO und GRB, erklären keine konkurrierenden Interessen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Holmes, N., Rea, M., Chalmers, J. et al. Ein leichter magnetisch abgeschirmter Raum mit aktiver Abschirmung. Sci Rep 12, 13561 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17346-1

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Eingegangen: 31. Januar 2022

Angenommen: 25. Juli 2022

Veröffentlicht: 09. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17346-1

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