脑磁图仪

1.本发明涉及用于脑磁图描记术的装置。


背景技术：

2.脑磁图描记术(通常称为meg)是一种医学成像技术，它使用放置在头皮上或靠近头皮的磁场传感器阵列来非侵入性地测量大脑产生的磁场。meg提出了一个重大的工程挑战，因为来自大脑的磁场(约10飞母托特斯拉(ft))比地球磁场(约50微特斯拉(μt))小1000亿倍以上，并且比其他磁干扰源，例如电子设备、汽车、电梯、市电等产生的磁场(数量级为108ft或0.1μt)小许多数量级。人类大脑可以被认为是一个高度复杂的电路，包含数千亿个载流神经元。就像电流通过电线一样，流经神经元的微小电流会产生磁场。通过测量这些磁场，有可能以毫米级的精度获得对大脑功能的独特了解，这对于识别癫痫活动部位等临床标志物至关重要，并且毫秒级的时间分辨率是研究大脑状态对周围环境作出反应时的实时变化的关键。通常，meg系统将在磁屏蔽空间内使用，以便阻挡正常的环境磁噪声，从而可以检测和测量由大脑产生的磁场。
3.为了使脑磁图精确，磁场传感器阵列应尽可能靠近头皮放置，以尽可能靠近磁场源。
4.直到最近，所有的meg系统都使用超导量子干涉器件(squid)来测量来自大脑的微小磁场。squid是目前可得到的最灵敏的磁场探测器之一，但需要用-269℃的液氦进行深冷。所有基于squid的meg系统的特点是在液氦浴中有一个固定的传感器阵列。受检者将他们的头放在“头盔”内，并被告知保持不动；在20分钟内只能容忍小于5毫米的运动，因此妨碍了对帕金森病等运动障碍患者的研究。由于参与者和液氦杜瓦瓶之间的热绝缘真空，sq∪id远离头皮。对于成人，该距离为2-5cm，对于婴儿和儿童甚至更远，这妨碍了对这样的受检者群体进行精确的meg扫描。与meg相关的成本和限制(必要的“一刀切”设计阻止扫描头部较小的参与者(例如，婴儿)，以及在扫描过程中那些挣扎着保持静止的人，例如患有帕金森氏症或图雷特氏综合征的患者)限制了megt技术的应用。
5.一种被称为光激发磁强计(opm)的相对较新类型的磁场传感器见证了meg技术的一场革命。opm使可穿戴系统的开发成为可能，该系统可以适应许多不同的扫描情况。例如，所谓的opm-meg系统已被用于扫描移动中的成人参与者、2岁的儿童和患有图雷特综合征的患者，所有这些都是传统系统无法做到的。opm-meg的一个令人兴奋的优点是能够将opm放置在任何地方，这意味着可以定制头盔，允许传感器随头部移动。这使得令人兴奋的新实验成为可能，但发现这些柔性系统中的传感器的位置和方向带来了新的挑战。
6.为了确保传感器相对于参与者头骨的位置和方向的必要精度，使用了基于被扫描受检者的精确mri图像的3d打印头盔。传感器保持器被结合到头盔结构中，使得对于这个特定参与者，opm可以被直接放置在头皮上，并精确地知道传感器在哪里以及它们指向哪个方向。然而，受检者专用头盔的使用是昂贵的，制造每个头盔的时间是漫长的，头盔需要在患者就诊和为每个患者取回正确的头盔之间存储，对于不同的患者，将传感器从一个头盔转
换到另一个头盔是一个漫长的过程。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种脑磁图(meg)设备，该设备包括形状和配置适合一系列人的头部尺寸和/或形状的头盔，该头盔具有用于将头盔牢固地固定在人头上就位的固定装置，多个开口设置在围绕头盔的预定位置，每个开口适于以这样的布置容纳脑磁图场传感器：使得脑磁图场传感器能在头盔内沿朝向或远离人头的方向移动。
8.这种布置允许具有不同大小和形状头部的不同参与者使用单个通用头盔，同时允许传感器以所需的位置和方向精度与参与者的头皮接触并相对于参与者的头皮定位。因为开口优选地分散在头盔周围的预定位置，并且开口以朝向参与者头皮的已知方向对齐，所以可以调整传感器以从头盔内部的已知基准表面(头盔的内表面，或者理想化或理论表面)相对地或多或少地伸出，从而适应不同的头部形状和尺寸。因此，这种布置允许单个成人头盔适应高达95％的成人头部尺寸，这大大减少了超出此范围的人(例如儿童，或头部非常大或形状不规则的人)需要的头盔所需的存储量；因此，与传统系统相比，这代表了显著的成本节约。此外，传感器的适应性伸出可用于将头盔的重量更均匀地分布在患者头部，使其比传统头盔佩戴更舒适。总体而言，这种设计结合了通用系统的灵活性和受检者专用头盔的优点，确保收集的opm-meg数据具有最高可能的质量。
9.头盔可以根据反映成年人受检者的平均头部尺寸的数据来确定尺寸。头盔还可以设置在标准化尺寸(例如，小、中和大)的范围内，以更好地适应基于受检者性别、年龄范围和/或影响人类头骨尺寸和形状的任何医学状况的头部尺寸的变化。
10.脑磁图场传感器优选地是光激发磁强计(opm)，尽管本发明可以同样有利地应用于其他meg传感器。优选地，有允许传感器的移动相对地无限变化的连续机构(而不是在几个固定位置之间可移动)。因为磁场以平方反比定律衰减，传感器离磁场源(即大脑)越近，信号就越强，但场的空间变化也会更加复杂。将这种信号的增加与更丰富的空间信息相结合，能够更准确地确定引起产生测量场的神经元的位置。还需要了解传感器相对于头部的精确位置和方向。如果不知道传感器的精确位置，也不是传感器所指向的方向，那么就不可能将测量到的磁场追溯到最初产生这些磁场的神经元。对于所需的毫米级精度的大脑活动图像，必须具有磁场传感器相对于大脑的亚毫米级位置信息和亚度级方向信息。
11.可以有至少两个脑磁图场传感器，每个容纳在头盔中的开口中，至少一个脑磁图场传感器和/或容纳它的开口设置有标记，该标记示出脑磁图场传感器相对于开口在头盔内在朝向或远离的人头的方向上的位置。这将允许传感器安装到头盔开口中，然后向内朝向参与者的头部移动或向外远离参与者的头部移动，以提供最舒适的贴合。然后可以轻松读取标记，从而可以确定传感器传感端相对于头盔、进而在三维空间中的位置，因此给出必要的信息以解释由每个传感器接收的信息信号，所述信息信号具有所需的精确度，能够以毫米级或更高精度监测大脑内的大脑功能。
12.所述脑磁图场传感器或每个脑磁图场传感器可以适于相对于头盔沿螺旋形路径移动，以在头盔内在朝向或远离人头的方向上移动。
13.这可以通过将旋转运动转换为轴向运动的已知机构来实现，例如用于唇膏器具的机构；这种机制简单，坚固，并且可以制造成以提供所需的精确度。此外，在指示传感器位置
的标记与这种机构一起使用的情况下，这些标记可以是易于阅读的圆形或部分圆形刻度盘的形式。该机构可以具有机械“止动件”，即当传感器在预定的旋转位置(其当然直接与特定的轴向位置或沿着朝向/远离参与者头部的方向的位置相关)之间旋转时给出触觉信号的装置。
14.所述脑磁图场传感器或每个脑磁图场传感器可以方便地安装在外壳中，该外壳可拆卸地安装在头盔的开口内，其中所述传感器可相对于外壳移动，以便当所述外壳安装于所述开口时提供所述脑磁图场传感器在所述头盔内在朝向或远离人头的方向上移动的能力。这允许传感器和它的外壳被制造为一个组件，从而传感器可以选择性地沿轴线相对于外壳在两个方向上移动；当外壳插入(优选是“卡扣配合”)到开口中时，其相对于头盔的位置和方向是已知的，传感器相对于头盔的方向和移动方向很容易计算出来。这种布置允许在任何形状或尺寸的头盔中使用单个传感器外壳，并且头盔中的开口可以完全按需要间隔开和定向。还应当理解，头盔可以包括许多开口，但是可能不需要将传感器插入所有开口中，可能只需要使用一些开口(例如，在只有大脑的特定区域将被研究的情况下)；这进一步增加了根据本发明的设备的灵活性。另外或替代地，头盔中的一些开口可能安装有假外壳——即，该外壳以与配备传感器的外壳相同的方式延伸和缩回，以帮助将头盔舒适地定位在患者的头上，但没有安装任何传感器。
15.还应当理解，至少一个脑磁图场传感器和/或安装它/它们的外壳可以设置有示出脑磁图场传感器相对于外壳在头盔内朝向或远离人头方向的位置的标记。以这种方式，外壳的制造、一维移动的传感器、以及指示传感器传感端的轴向位置的标记的应用可以与三维头盔的制造分开。
16.头盔可以在开口之间设置有孔，和/或它可以具有围绕开口的开放格栅结构。这使得头盔较轻，因此佩戴起来不舒适感降低，并且还允许气流在参与者的头部和传感器周围循环，从而将多余的热量从参与者的头部带走，并再次有助于受检者舒适度(opm传感器可以达到大约40℃温度，虽然不会热到让人感到疼痛，但长时间忍受会让人感到不舒服)。可以提供更好的气流来去除多余的热量，参与者出汗的可能性降低，因此本发明本质上也比传统的布置更卫生，并且需要较少的密集清洁。孔或开口还减轻了头盔的重量，这有助于佩戴者的放松且增加舒适度。
17.在优选实施例中，头盔可以是刚性的，并且通过延伸该磁场传感器或每个磁场传感器，因此可以记录该开口或每个开口的定位精度。头盔可以由合适的材料制成，以提供所希望的刚度水平和材料的合适机械特性，从而允许形成开口和/或格栅结构以允许冷却和减轻重量。
18.在可替代的实施例中，可以选择头盔的材料以提供一定程度的柔韧性以适应佩戴者头部尺寸和形状的微小变化。可以提供紧固和保持机构以更好地将头盔固定于佩戴者。所述紧固和保持机构可以包括标记，使得可以记录和再现配合的程度和方向，以用于同一佩戴者的单独和重复的meg分析实例。这允许为一群佩戴者提供可重复使用的头盔。
19.本发明还提供一种制造或生产包括头盔的脑磁图(meg)设备的方法。提供的头盔根据预先确定的数据确定尺寸。头盔包括至少一个安装部件，用于将磁场传感器保持在头盔中或头盔上。当磁场传感器安装到头盔时，头盔可以包括在磁场传感器和佩戴者之间的材料层。可选地，头盔可以包括由安装部件限定的孔，使得磁场传感器可以接触使用者的身
体，或者物理接近佩戴者的身体，在其之间具有蒸汽间隙。
20.头盔将具有已知的几何形状，或者头盔的几何形状将利用成像技术精确测量。优选地，将使用3d成像。记录定义佩戴者解剖特征的性质和位置的医学成像数据。提供受检者头部的图像。为了精确地确定meg过程所需的传感器的位置，将受检者头部的解剖结构映射到头盔的几何形状，使得每个磁场传感器的位置和方向相对于大脑的结构是已知的。位置的精度可以根据所使用的医学成像方法来确定。然后，每个传感器应用在映射步骤期间确定的预定位置处。传感器到头盔内表面的距离，或者到另一个基准点，例如患者头骨的传感器安装部件的距离，根据预先确定的数据、meg背后的目的、临床诊断或其他相关因素来确定和设置。可以进行meg处理，并且根据结果的质量和/或根据在随后的成像和/或测量迭代中对更多或更少详细信息的需要来调整传感器与相关数据之间的距离。
附图说明
21.现在将通过实施例并参考附图来描述本发明，其中：
22.图1是根据本发明的用于将传感器安装到头盔上使得传感器可朝向或远离头盔内部移动的机构的示意性分解图。
23.图2是图1机构的侧视图；
24.图3(a)至3(c)是图1和图2的机构的每个元件的俯视图，以及
25.图4是用于安装图1至图3的机构的头盔的照片。
具体实施方式
26.图1以分解图示出了用于将传感器安装到头盔上的机构1，使得传感器可朝向或远离头盔内部移动，以提供根据本发明的meg设备。图2和3是同一机构1的侧视图和俯视图。机构1包括三个主要元件，内套环2、外套环4和内滑动件6；它们大体是圆柱形的，并且沿共同的纵向或圆柱的轴线xx分解示出，在使用中它们围绕该轴线组装。在使用中，三个元件嵌套在一起，其中外套环4最外，滑动件6最内，内套环2夹在它们之间。内套环2设有多个螺旋切口，这些螺旋切口形成滑动件6外表面的凸耳10滑动接合的通道。外套环4设置有纵向槽12，其也与凸耳10滑动接合(凸耳在径向方向上足够长以同时与切口和槽接合，使得凸耳相对于两者自由滑动，凸耳与切口和槽之间有足够的容差以允许这种自由滑动，但防止显著宽松的“游动”)。
27.当三个元件2、4、6组装在它们的嵌套位置并且外套环4相对于内套环2旋转(或反之亦然)时，槽12将推动滑动件6上的凸耳10围绕纵轴在环形方向上移动。因为凸耳10被保持在螺旋切口8内，所以凸耳10也将遵循它们的螺旋路径，并且内滑动件6将旋转并沿机构1的轴线纵向平移，致使保持在滑动件6内的meg传感器(示意性地用附图标记14示出)沿着共同的轴线移动。轴向移动量将是螺旋切口8相对于轴线的角度以及内套环2、外套环4之间的相对旋转运动量的函数。有许多径向标记16设置在外套环4边缘的周围，并且当机构1被组装时，设置在内套环2的外边缘上的标记18与径向标记16对齐，以给出滑动件6沿轴线移动了多远的视觉指示；径向标记16之间的间距优选地选择为对应于滑动件6的预定的纵向移动量(例如，可以设置径向标记16并且选择切口8的螺旋角，使得相邻径向标记之间的圆周距离等于0.1mm或0.5mm或1mm的滑动件6的纵向移动)。
28.使用时可以固定内套环2，并通过握住外套环4的外侧转动外套环4，或者固定外套环4，并利用内套环2顶部的滚花20转动内套环2。图4示出了具有多个开口42的头盔40，每个开口42的形状和构造都被设计为容纳和可释放地保持如上所述的机构1(在图4中，开口42适于容纳机构的内套环2，但它们同样可以适于容纳外套环4)。每个机构1可以具有外套环4和滑动件6，以保持meg场传感器(图4中未示出)，该传感器可以相对于头盔40准确地向内或向外移动；头盔40及其开口42的形状和构造被精确制造，以便以高精度知道开口42的位置和轴向方向，从而可以很容易且准确地确定meg场传感器相对于头盔40内的受检者头部的位置和方向。利用旋转运动来驱动传感器的轴向运动固有地阻止反转，这是有利的，因为它意味着传感器不会被轴向推离其所希望的位置。头盔40形成为格栅结构，这意味着头盔佩戴起来很轻，并且还能够消散由传感器产生的热量。在一些实施例中，有一个下颏带44，它将头盔保持在相对于受检者头部的固定位置。
29.在优选实施例中，头盔是基于成人平均头部尺寸的3d打印头盔40。头盔几何形状可以基于某些人类特征(包括年龄、性别和/或影响头骨尺寸和形状的医疗状况)的标准尺寸和形状数据来确定。头盔由刚性材料制成。可以选择任何合适的已知材料。结构的刚性将传感器相对于佩戴者保持在固定位置，并且将传感器相对于彼此保持在固定的方向。
30.在另一个实施例中，头盔可以通过铸造、塑料注射成型工艺或类似的此类方法制造。
31.为了准确地确定传感器安装机构1相对于佩戴者的基本解剖结构的位置，并将此信息与头盔上的特定位置相关联，通过成像捕获的数据可用于记录头盔的已知形状，并确定佩戴者的解剖特征。可以将佩戴者解剖结构特定方面的位置，包括骨骼和软组织的位置映射成
32.适当的粒度。作用电位和单个神经元的位置可以根据用于记录相关解剖数据的扫描技术来确定。
33.可以使用任何合适的技术来确定头盔的形状和尺寸，包括使用相机或其他设备进行3d扫描，或者从制造日志和cad模型中获取的简单设计数据。可以使用任何可用的医学成像过程来捕获解剖数据。
34.一旦确定了与头盔的几何形状和佩戴者解剖特征相关的数据，就可以确定并记录传感器阵列相对于头部的位置和方向。每个传感器相对于基本解剖结构的位置被记录下来并用于确定大脑中磁活动的性质和原因。
35.由于opm可以达到大约40度的温度，在一个优选实施例中，头盔设计有开放的“格栅”结构，以允许空气流动，将热量从头部带走。发明人已经注意到高成功率成年人的扫描。
36.在可替代的实施例中，特别是在使用者中存在非标准头部尺寸和形状的情况下，头盔可以由较柔韧的材料形成。头盔可以通过已知的保持和调节机构来调节以适合使用者，其中一些可以包括记录使头盔适合特定佩戴者所需的调节的装置。然后，当头盔适合于佩戴者时，可以记录头盔的尺寸并且佩戴者的基本解剖结构相应地映射到头盔上。
37.使用柔性材料是可能的，因为用于每个磁场传感器的安装部件具有固定的定向和可变的轴向位置。因此，每个磁场传感器的接近度不受头部对头盔内表面上的压力或头盔材料或构造中的弹性的影响。
38.当然可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例做出许多变
化。例如，切口、凸耳和槽可能比图中所示的要少或多(尽管我们发现四个提供了足够的运动和定位精度，同时没有引入太多的摩擦来抑制元件的轻易移动)，以及可以选择切口的螺旋角度以增加或减少与元件的相对旋转运动相关的轴向运动量。
39.在上面描述了各种不同的变化或可替代布置的情况下，应当理解，本发明的实施例可以包括这些变化和/或替代的任何适当的组合。