Lokalizacija stimuliranega signala audio korteksa posnetega z magnetometrom na kalijeve pare

1. Lokalizacija stimuliranega signala audio korteksa posnetega zmagnetometrom na kalijeve pare Vojko Jazbinšek, Zvonko Trontelj Inštitut za matematiko, fiziko in mehaniko Samo Beguš Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani

2. Uvod • analiza magnetoencefalografskih signalov stimuliranega slišnega korteksa • alternativno merjenje z magnetometrom na kalijeve pare (MKP) • Inverzni problem - lokalizacija magnetoencefalografskih signalov, dva pristopa: • iskanje ekvivalentnega tokovnega dipola • iskanje porazdelitve tokov po površini korteksa z metodo najmanjše norme (MNE – minimum norm estimation)

3. Elektro (EEG) in magnetoencefalografija (MEG)električno in magnetno polje, ki izvira iz električne aktivnosti možganov 32 electrod 230 electrod EEG MEG (64-300 kan.) (fMKG, fMEG) • Stimulrani signali • Epileptični izvori • Spontana aktivnost

4. Merski sistem dc SQUID detektor Prenosniki pretoka Magnetni pretok skozi superprevodni obroč jekvantiziran: d Superprevodna kvantna interferenčna napravaSQUID (Superconducting QUantum Interference Device)

5. Meritev – magnetometer na kalijeve pare Shema meritve Samo Beguš (delovni obisk: Romalis group, Deparment of Physics, Princeton University) Shema meritve • S. Beguš, D. Fefer, Optični magnetometri. ERK 2010, A:614-617 • S. Beguš, D. Fefer, Mikrovalovni generator za optični magnetometer.ERK 2011, A:443-446

6. Opis meritve in obdelave podatkov • Kalibracija merilnika pred meritvijo z znanim izvorom nizko frekvenčnega magnetnega polja (50 pT, 10Hz): • Lokalizacija magnetometerskih kanalov • Izbira kanalov z dobrim razmerjem med signalom in šumom (slika 1) • Akustična stimulacija s hitrimi 1 kHz sunki (20 period) preko pnevmatske slušalke, 710 ponovitev vsakih 1.3 - 2 sekunde • Filtriranje s pasovnim filtrom 2-20 Hz • Povprečevanje (710 ponovitev) • Izločitev motenj (mehanske vibracije, premik oči, srce) s sestavljanjem magnetometerskih kanalov v gradiometersko postavitev: izbira referenčnega kanala od katerega odštejemo signale iz ostalih kanalov (slika2) – lepo viden signal N100m, ki se pojavi 100 ms po stimulaciji. Sl. 1: Izračunane lege kanalov Sl. 2:Izbrani gradiometrski kanali.

7. Lokalizacija tokovnih izvorov – inverzni problem Inverzni problem je neenolično rešljiv, zato pri reševanju ločimo dva osnovna pristopa [1]: • Predoločen sistem, kjer uporabimo model tokovnega izvora, ki ga določa majhno število parametrov, ki jih poiščemo z metodo najmanjših kvadratov. Primer: tokovni dipol. • Poddoločen sistem, kjer tokovno porazdelitev določa večje število parametrov, kot je merskih kanalov. Primer: iskanje porazdelitve tokov po površini korteksa z metodo najmanjše norme (MNE – minimum norm estimation) [1] J. Sarvas, Basic mathematical and electromagnetic concepts of the biomagneticinverse problem. Phys. Med. Biol., 32(1):11—22, 1987.

8. Magnetno polje – tokovni dipol Neomejeno homogeno prevodno sredstvo, Biot-Savart: Tokovni dipol: Tokovni dipol v prevodni krogli [1]: Zanimivost: Neodvisno od prevodnosti in velikosti krogle, poleg tega radialni dipoliv prevodni krogli ne ustvarijo nobenega magnetnega polja v okolici. [1] J. Sarvas, Basic mathematical and electromagnetic concepts of the biomagneticinverse problem. Phys. Med. Biol., 32(1):11—22, 1987.

9. Tokovni dipol - Rezultati Iz optimalnega dipola, ki ga dobimo z nelinearno metodo najmanjših kvadratov (Levenberg-Marquardt) iz gradientnih podatkov (od referenčnega senzorja x odšteti signali v izbranih senzorjih ◊), smo izračunali: Tangentna komponenta Radialna komponenta

10. Metoda minimalne norme(MNE) Pri tej metodi omejimo le prostor, v katerem želimo rekonstruirati tokove. Numerično reševanje: Li je funkcija (lead field), ki pove, kakšna je občutljivost i-tega senzorjana primarne tokove (prenosna funkcijamed enotnim tokovnim dipolom vin izmerjenim poljemBi). Neomejeno sredstvo: Prevodna krogla: Rešitev v obliki utežne vsote: Rešitevj*ima najmanjšo normo med vsemi možnimi rešitvami. MatrikaΓje slabo pogojena - regularizacija: dekompozicija na lastne vektorje in lastne vrednosti in upoštevanje le največjih Ns lastnih vrednosti pri računanju obrata matrike:

11. Metoda minimalne norme(MNE) - Rezultati Iz MNE porazdelitve tokov izračunamo: Tangentna komponenta Radialna komponenta

12. Fitanje MNE-izopoljskih map s tokovnim dipolom Izopoljski mapi za tangentno in radialno komponento polja, ki smo ju izračunali iz MNE tokovnih porazdelitev, smo razdelili na enakomerno kvadratno mrežo 11x11 točk. Iz vrednosti polja v teh mrežnih točkah, smo določili optimalna dipola z nelinearno metodo najmanjših kvadratov: Tangentna komponenta Radialna komponenta

13. Rezultati primerjava A) Tokovni dipol B) MNE-porazdelitev C) Tokovni dipol iz MNE Radialna komponenta Tangentna komponenta

14. Glavni zaključki • Na časovnem poteku izmerjenih signalov se lepo vidi signal stimuliranega audio korteksa N100m • Mape tangentne in radialne komponente magnetnega polja, ki jih izračunamo iz ekvivalentnega tokovnega dipola in MNE tokovne porazdelitve, so zelo podobne. • Prav tako je težišče MNE tokovne porazdelitve na približno enaki lokaciji kot ekvivalenti tokovni dipol. • Vsi ti rezultati kažejo, da izvor N100m signala lokaliziran na majhen področju, kar se sklada z meritvami s SQUID sistemom.

15. Hvala za pozornost

16. Merjeno magnetno polje Kalijeve pare v celici Fotodetektor Drugi laser Črpalni laser mkg1 mkg2 Skeniranje z dvemaMKP*magnetometroma 7 cm narazen mcg1mcg2 SQUID sistem mkg1-mkg2 Alternativa SQUID senzorjem MKP – magnetometer na kalijeve pareuporablja nastavljivo lasersko diodo za vzbujanje pare K atomov v merilni celici prostornine 10 cm3. Drugo pravokotno usmerjeno lasersko diodo uporabimo za detekcijo rotacije polarizacijske ravnine, ki je sorazmerna z merjenim magnetnim poljem *S. Beguš (FE), Z. Trontelj, V. Jazbinšek, BIOMAG 2010