IEEE trans:用光泵磁强计测量电刺激诱发肌肉反应

2021-06-09 MedSci原创 MedSci原创

在电生理诊断中,肌肉信号,也称为复合肌肉动作电位 (CMAP),通常用表面电极在体表记录。这些肌电信号由不同的传出神经纤维的电刺激触发。记录的波形通过神经传导速度、信号幅度和远端运动潜伏期等衍生测量进

在电生理诊断中,肌肉信号,也称为复合肌肉动作电位 (CMAP),通常用表面电极在体表记录。这些肌电信号由不同的传出神经纤维的电刺激触发。记录的波形通过神经传导速度、信号幅度和远端运动潜伏期等衍生测量进行分析,并将结果手动与适合年龄的规范数据进行比较。 与目前使用表面电极的记录技术相比,磁传感具有潜在的优势,例如,它不需要电极与皮肤接触,从而避免了皮肤准备、可能的感染或过敏反应,并且身体组织不影响生理信号。些设备基于自旋极化铷原子的零场共振运行。产生的共振取决于施加的磁场强度;因此,这些设备能够测量低 pT 范围内的小磁场。这种系统的显着优点是不需要任何昂贵的液氦冷却和庞大的设备。 

本文成功地对周围神经支配的肌肉(拇短展肌)进行了平均和非平均磁测量。在磁屏蔽室(MSR)进行近端电刺激。 详细报告了磁测量的结果,并以神经电图数据作为参考进行了验证。最后, 讨论了OPMs在临床应用中的适用性。

Fig. 1. - Typical representative biomagnetic fields generated by neuro-electrical dipole sources (neuronal or muscular tissue) and their common amplitude densities in accordance with [1]–[5]. Typical interferences from the environment are additionally illustrated with their amplitude densities.

由神经电偶极子源(神经元或肌肉组织)产生的典型代表性生物磁场

 刺激电极位于受试者正中神经的位置。通过超声刺激电极与神经的距离最小化,并减少刺激整个神经所需的刺激强度。接下来,对受试者进行神经电图检查(ENG)。 一般来说,运动神经节段是通过在节段的近端和远端施加刺激电流并记录受支配肌肉的复合肌肉动作电位(CMAP)来检查的。默认情况下,振幅、潜伏期和神经传导速度(NCV)是根据两个记录的CMAP自动计算的。这些数值用于确定神经病理学。对皮肤温度进行监测,使温度保持在32到34度之间°C在测量过程中,避免对电生理变量产生任何生理影响,包括传导速度、远端潜伏期(DML)和波形 。 用电极记录拇短展肌(APB)在腹部肌腱中的复合肌肉动作电位。  

在无源磁屏蔽室内使用 OPM(4×QZFM 零场磁力计)测量磁感应,以减少外源性失真。使用 MSR (Vacuumschmelze GmbH&Co.KG, Hanau, Germany) 有效抑制来自环境的干扰,MSR用于抑制频率高于100Hz的电磁交流场。腔室的磁屏蔽将频率从 1Hz 以上开始的信号降低了大约 60dB,从而显着降低了环境磁噪声。因此,MSR 一般适用于成功测量生物磁信号,因为剩余环境磁场低于 50nT 。满足这一高技术标准的屏蔽室是 OPM 成功运行的先决条件。 记录的 OPM 信号在 30 个单次刺激上取平均值。

Fig. 12. - Multichannel OPM recording of electrically evoked muscle response via supramaximal median nerve stimulation. (a) shows the time-domain signals, and (b) shows the resulting heat map normalized to the max. available signal power.

磁电图测量

OPM 测量显示在 300Hz 处的平均 OPM 幅度响应约为 -8dB,从 100 到 450Hz 的线性衰减陡度约为 -0.027dB/Hz。此外,对于运动神经传导研究,只需对每个刺激部位进行一次试验(对受试者进行一次刺激)即可实现对典型常规变量的完整描述。远端刺激对于神经纤维的真实传导速度至关重要,因为单个近端刺激无法进行计算。对于神经传导速度,不包括肌肉去极化时间和神经肌肉接头传递,必须使用两个刺激部位:一个远端和一个近端 。由于覆盖生理信号的强烈刺激伪影的发生,无法实现磁力计附近的远端刺激。此外,这些敏感的传感器被刺激电流完全饱和。因此,光泵磁力计目前与传统电学方法相比没有显着的诊断优势。

对于神经肌肉疾病的准确诊断,在没有任何电刺激应用的情况下,借助单纤维 EMG 来识别收缩肌肉纤维的放电率和信号形状行为是很有价值的。因此,在大多数情况下,针电极的使用是不可避免的。记录的单纤维肌肉信号的典型持续时间 - 也称为单运动单位电位 (SMUP)  。但是OPM无法探测到。只有较大的生理信号进行磁性记录和分析。脑磁图和心磁图 (MCG)相比于肌电图更适用于临床。

E. Elzenheimer, H. Laufs, W. Schulte-Mattler and G. Schmidt, "Magnetic Measurement of Electrically Evoked Muscle Responses With Optically Pumped Magnetometers," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering

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