Dynamische Aufnahme lateraler Verteilung biomagnetischer Felder mittels integrierter optischer Magnetometer (Magnetfeldkamera)
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden die Software- und Hardwarekomponenten einer Magnetfeldkamera erforscht, mit der es in Umgebungen mit Erdmagnetfeldstärke möglich wird, die Verteilung von Magnetfeldquellen zu bestimmen. Die neue Magnetfeldkamera erlaubt die Untersuchung von Objekten mit mehreren Zentimetern Ausdehnung mit einer räumlichen Auflösung im Millimeterbereich, einer zeitlichen Auflösung mit Videorate und einer Magnetfeldauflösung im Pikotesla-Bereich. Die Hardwarekomponenten der Magnetfeldkamera, entwickelt am Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena, umfassen den eigentlichen Sensorkopf sowie optische und elektronische Komponenten. Der Sensorkopf ist ein spezielles mikrosystemtechnisch realisiertes optisch gepumptes Magnetometer, für dessen Realisierung verschiedene Innovationen notwendig waren. Als zugrundeliegendes physikalisches Wirkprinzip wurde im Projekt der sogenannte LSD-Mz- Modus entwickelt, der es gestattet, mit einer reinen dc-Messung die geforderten Parameter zu erreichen. In der technischen Umsetzung war es notwendig, eine ganze Reihe von Komponenten des Sensorkopfes zu integrieren – eine großflächige Cäsiumdampfzelle, Dünnschichtpakete aus optisch aktiven Schichten (für Entspiegelung bzw. Verspiegelung der Ein- und Austrittsfenster der Zelle) und elektrisch aktive Schichten (zum Heizen dieser Fenster) sowie integrierte Spulenanordnungen zur Schaffung geeigneter lokaler Umgebungsfelder. Mit speziellen optischen Elementen gelang es, ein 2D-Array optisch gepumpter Bereiche mit hinreichend homogenen Eigenschaften für die Magnetfeldkartierung zu schaffen. Die gemessenen Signale können nach paralleler AD-Wandlung flexibel elektronisch verarbeitet werden. Die parallel dazu laufende Softwareentwicklung an der TU Ilmenau diente der Optimierung des Konzepts der Magnetfeldkamera, der Evaluierung ihrer Möglichkeiten bei der Charakterisierung biomagnetischer Quellen und der Quellenrekonstruktion aus den aufgenommenen Magnetfeldverteilungen. Für letztere wurden verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen für die Magnetfeldverteilungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer standardisierten Mixed-Norm-Schätzung sowohl die Lokalisierung als auch die Orientierungsschätzung von Quellen gegenüber herkömmlichen Verfahren verbessert werden kann. Für die optimierte Pixelanordnung und die technisch realisierbare Annäherung des Sensorkopfes an das Messobjekt von ca. 7mm wurden räumliche Auflösungsgrenzen im Millimeterbereich auch bei realitätsnahem Rauschen bestätigt. Weitere Simulationen zeigen, dass die Lokalisierungsergebnisse mit dem im Projekt entwickelten, auf optisch gepumpten Magnetometern basierenden System, vergleichbar zu bekannten SQUID-basierten kombinierten Magnetometer-Gradiometer-Systemen sind, jedoch deutlich niedrigere Kanalzahlen erfordern. Zur Validierung der Magnetfeldkamera und der Verfahren zur Modellierung und Quellenrekonstruktion wurden ein sphärisches und eine Rattentorso-Phantom aufgebaut. Im Ergebnis des Projektes stehen alle Komponenten zur Verfügung, die Magnetfeldkamera für die Messung raum- und zeitaufgelöster Verteilungen von Magnetfeldquellen einzusetzen, beispielsweise dem Verfolgen magnetokardiographischer oder magnetoenzephalographischer Signale kleiner Tiere. Dies sollte z.B. neuartige Möglichkeiten zur Untersuchung des Einflusses von Medikamenten und anderen Agenzien auf den Metabolismus eröffnen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- The iterative reweighted Mixed-Norm Estimate for spatio-temporal MEG/EEG source reconstruction. IEEE Transactions on Medical Imaging 35 (2016) 2218
Strohmeier D, Bekhti Y, Haueisen J, Gramfort A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TMI.2016.2553445) - An Optically Pumped Magnetometer Working in the Light-Shift Dispersed Mz Mode, Sensors 17 (2017) 561
Schultze V, Schillig B, IJsselsteijn R, Scholtes T, Woetzel S, Stolz R
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/s17030561) - The LSD-Mz Magnetometer – Working Principle, Properties and Applications, 5th Workshop on Optically Pumped Magnetometers (WOPM) Fribourg 2017
V. Schultze, R. IJsselsteijn, R. Stolz
- Head phantoms for electroencephalography and transcranial electric stimulation: a skull material study. Biomedical Engineering 63 (2018) 683
Hunold A, Strohmeier D, Fiedler P, Haueisen J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/bmt-2017-0069) - Magnetic Field Camera Based on Optically Pumped Magnetometers, 6th Workshop on Optically Pumped Magnetometers (WOPM) Philadelphia 2018
Ch. B. Schmidt, D. Strohmeier, G. Oelsner, R. IJsselsteijn, F. Wittkämper, R. Eichhardt, V. Schultze, R. Stolz, J. Haueisen
- Sensitivity studies and optimization of arrangements of optically pumped magnetometers in simulated magnetoencephalography, COMPEL 09 (2018) 0372
Eichardt R, Strohmeier D, Hunold A, Haueisen J, Oelsner G, Schmidt CB, Schultze V, Stolz R, Graichen U
(Siehe online unter https://doi.org/10.1108/COMPEL-09-2018-0372) - The Effect of Standardization on Mixed-Norm Estimation for the Reconstruction of Focal Brain Activity, 15th International Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism, Hall in Tirol, Austria, 2018
D. Strohmeier, J. Haueisen
- Evaluating properties of optically pumped magnetometers using simulated magnetoencephalography, 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) Berlin 2019
R. Eichardt, R. Machts, A. Hunold, J. Haueisen, Ch. B. Schmidt, G. Oelsner, F. Wittkämper, V. Schultze, R. Stolz, U. Graichen
- Towards a magnetic-field camera for biological applications, 7th Workshop on Optically Pumped Magnetometers (WOPM) Mainz 2019
Ch. B. Schmidt, F. Wittkämper, G. Oelsner, R. IJsselsteijn, R. Eichardt, U. Graichen, V. Schultze, J. Haueisen, R. Stolz
