Transkript

1 Technische und biomagnetische Felder B [T] Pulsed fields Strongest superconducting magnets MRI / fmri Strongest permanent magnets Typical critical fields of superconducting elements Earth s magnetic field B C (Rhodium) Earth magnetic field B C (Rhodium) Environment 50 m Screw 5 m Human heart Human eye 2 m Evoked magnetic fields of human brain MEG / SQUID 4 1

2 E/MEG-Übersicht MEG sensors: Pickup coil / Flux transformer / SQUID EEG sensors: Signal and reference electrode 2 Quelle: Vrba & Robinson, The Methods 25 (2001)

3 E/MEG-Übersicht Magnetically shielded room Video monitor Intercom System Electronics EEG electronics Adjustable dewar and gantry Video camera SQUID electronics Peripheral Interf. Unit Head posit. EEG Chair/Bed DSP & PGA processing Data interpret. software Stimulus interface Auditory Visual Somatosens. Other Stimulus computer Acquisition work station Acquisition software Analysis work station Analysis work station 3 Quelle: Vrba & Robinson, The Methods 25 (2001)

4 3. Magnetenzephalographie (MEG) & Elektroenzephalographie (EEG) 3.2. Signaldetektion

5 Typische Magnetfeldsensor- / Elektroden-Konfiguration MEG EEG anterior left 5

6 MEG Binaurale auditorische Stimulation 2-dimensionale Projektion aller Sensoren einer 4D-Neuroimaging Ganzkopf-MEG-Apparatur Sensoren, die das Signal vom rechten Hörkortex aufzeichnen left Zoom eines evozierten Responses eineseinzelnen Sensors 500 ms posterior ~ 300 ft 6

7 MEG-Sensorkonfigurationen Feldlinienverlauf eines magnetischen Dipols 7

8 MEG-Sensorkonfigurationen Spezielle Sensor-(Antennen-)Konfigurationen: axiale oder planare Gradiometer erster Ordnung Magnetometer plus Referenzkanäle 8 After: Hämäläinen et al., Review of Modern Physics (1993)

9 SQUID = Superconducting Interference Device Empfindlichster Detektor für extrem kleine Magnetfelder 4 He bath (4.2 K) 9 Josephson junctions (rf SQUID: 1 junction; DC SQUID: 2 junctions): weak link (oder sehr kleine isolierende Schicht) zwischen zwei Supraleitern kohärentes Cooperpaar-Tunneln theoretische Erklärung der Supraleitung: Cooper-Paar: = Elektronen-Paar, die durch Phononen (Gitterschwingungen) aneinandergekoppelt sind

10 SQUID = Superconducting Interference Device Empfindlichster Detektor für extrem kleine Magnetfelder JJ = Josephson junction Das SQUID nutzt sowohl die Eigenschaften der Josephson-Junction als auch die Flußquantisierung (= magnetischer Fluss ist ganzzahliges Vielfaches eines Flußquantums (Φ 0 = h / 2e = 2.07 x Wb)) der Schleife aus 10

11 MEG-Apparatur Magnes 3600 WH (altes System: Magnes 2500 WH) 248 MEG-Sensoren 96 zusätzliche EEG/EOG Elektroden Abtastrate bis zu 8 khz SQUIDs Referenzkanäle Signaldetektoren 11 Quelle: 4D-Neuroimaging

12 MEG-Apparatur After: Vrba, Methods (2001) 12

13 MEG-Apparatur Coil-in-vacuum - technology 13 Quelle: 4D-Neuroimaging

14 MEG Multi-SQUID Systeme notwendig, um Aktivierungsquellen im Gehirn möglichst exakt zu lokalisieren Aufzeichnung der räumlichen Verteilung des Magnetfeldes, das von den neuronalen Quellen generiert wird kein generelles Kriterium für optimales Spulendesign (z.b. maximale Empfindlichkeit bedeutet größerer Durchmesser der Pick-up Spule, was jedoch eine schlechtere räumliche Auflösung nach sich zieht) praktische Einschränkungen: Größe des Dewars Eigenschaften der SQUIDs Anzahl der Kanäle (Sensoren) Verteilung und Stärke externer Rauschquellen Charakteristika des Hirnsignals Sensing Coil Array 64 to 275 Sensing Locations 14

15 EEG: Elektrodenkonfiguration In der Praxis: Elektroden werden auf Hauben montiert (feste Positionen) Größe der Hauben variiert typischerweise zwischen 54 and 60 cm (= Kopfgröße) Standard-Montage der Elektroden (Jasper 1958): Montage (ungeradzahlige Elektroden links, geradzahlige Elektroden rechts) Buchstaben kennzeichnen die entsprechende Hirnregion: F = frontal T = temporal C = zentral P = parietal O = occipital Kein äquidistanter Abstand zwischen den Elektroden!! 15

16 EEG: Elektrodenkonfiguration Arten der Elektroden: zu Beginn der EEG: Nadel-Elektroden (Berger, 1929; nicht mehr im Gebrauch in der psychophysiologischen Forschung) heute: Ring-Elektroden (Material: Ag/AgCl) Anbringen der Elektroden Elektroden werden auf der Kopfhaut fixiert Ort auf der Kopfhaut muss gesäubert werden (leicht angerauht), Verbesserung des Kontaktes zwischen Elektrode und Kopfhaut durch spezielles Elektrodengel Qualität der Verbindung wird durch Messung des elektrischen Widerstandes bestimmt (sollte so klein wie möglich sein) Verstärkung des Signals Typische Signalamplitude auf der Kopfhaut: einige µv; Elektroden sind mit dem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden Verstärkung der Differenz zwischen zwei elektrisch aktiven Punkten (eine davon ist die sogenannte Referenz-Elektrode) Wichtiger Vorteil: effektive Elimination von Störsignalen (vorausgesetzt, sie treten an beiden Elektroden gleichzeitig auf), aber: nicht nur Artefakte werden unterdrückt! 16

17 EEG: Elektrodenkonfiguration Referenzproblem: Referenz-Elektrode: z.b. Cz, elektrisch inaktive Punkte als Referenz: Nase, Mastoid, Ohrläppchen; tatsächlich wird an diesen Punkten aber auch noch ein (wenn auch kleineres) EEG-Signal gemessen kurze Entfernung zwischen der Elektrode und der Referenz-Elektrode: jedes Signal, das in den beiden Elektroden auftritt, wird eliminiert große Entfernung zwischen der Elektrode und der Referenz-Elektrode: Signal, das an der Referenzelektrode auftritt, kann auf eine (weit entfernte) Elektrode gespiegelt werden Typische experimentelle Vorgehensweise: Messung mit Referenz zu einer einzelnen Elektrode; Offline-Berechnung gegen neue Referenz Ermöglicht Vergleich von verschiedenen Referenz-Konfigurationen und Realisierung von komplexen Referenz-Konfigurationen: z.b. Average reference: Repräsentation jeder Elektrode gegen den Mittelwert aller anderen Elektroden Current source density (CSD): Repräsentation jeder Elektrode gegen den gewichteten Mittelwert ihrer benachbarten Elektroden (Wichtung = Entfernung) 17 Beide Repräsentationen erfordern eine große Anzahl von Elektroden (absolutes Minimum: 32)