扩展 OPM-MEG 临床应用：一种高效的牙箍金属伪影自动抑制方法
拓展OPM-MEG在临床中的应用：一种有效自动抑制牙套金属伪影的方法
背景介绍
磁性脑电图（Magnetoencephalography, MEG）是一种通过多通道磁场测量传感器重建大脑神经电流分布和功能网络的技术。MEG相比于电生理学（Electroencephalography, EEG）在源空间分辨率上有显著优势，同时其磁场信号不受颅骨和头皮组织传导的干扰，在时间分辨率上也优于功能性磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）。因此，MEG在研究大脑功能与认知、癫痫的临床应用以及神经疾病研究中具有重要地位。
目前，MEG测量主要依赖两种设备：商用超导量子干涉装置（SQUID）和可穿戴光泵磁力计（Optically Pumped Magnetometer, OPM）设备。然而，SQUID设备成本高且体积庞大，需使用液氦冷却，操作成本很高。相比之下，OPM设备具有便携、可穿戴和靠近头皮的优势，满足未来临床应用和神经科学研究的需求。
然而，在实际临床中，许多患者由于治疗需要会配备金属植入物，如用于治疗癫痫的迷走神经刺激器、治疗心脏疾病的心脏起搏器、治疗牙科疾病的磁性材料等。这些金属材料在MEG记录过程中会产生强干扰，如何有效地抑制这些伪影是个重要的挑战。
本研究首次对金属伪影的时间、频率和时频特性进行了全面分析，聚焦于金属牙套伪影，通过呼吸和头部运动调制金属伪影，识别其次高斯分布和0.5-8Hz频段内的高绝对功率比。现有的金属伪影抑制算法在传统的SQUID-MEG设备中效果有限，针对这些问题，本研究提出了二阶盲源分离（SOBI）算法，通过多重时间延迟来分离OPM-MEG测量信号成分，并自主开发了一种自动伪影组分筛选方法。
论文来源
本文由Ruonan Wang, Kaiwen Fu, Ruochen Zhao, Dawei Wang, Zhimin Yang, Wei Bin, Yang Gao和Xiaolin Ning撰写，所属机构包括北京航空航天大学精密仪器与光电工程学院、山东大学的齐鲁医院放射科和广州中医药大学的第二附属医院等。论文发表于2024年的《NeuroImage》和《ScienceDirect》杂志。
研究流程
研究流程详述
伪影特性分析: a. 实验对象: 选取四位受试者佩戴牙套，测量呼吸和头部运动引起的金属伪影。 b. 测试设备: 采用第二代光泵磁力计设备 (QZFM Gen-2 OPM)，设置33个数据采集通道进行测量。 c. 特性分析: 分析所得数据的时间、频率和时频特性，确定金属伪影的主要频段位于0.5-8Hz之间，并具有次高斯分布。
算法实现: a. 二阶盲源分离方法(SOBI): 引入多重时间延迟参数，进行信号预处理（减去均值和空间解相关），计算滞后相关矩阵，并采用SOBI方法实现信号分离。 b. 自动伪影识别: 利用低频段内金属伪影的高绝对功率比、均方根值（RMS）和互信息方法，实现伪影组分的自动识别和扣除。
仿真实验: a. 静息态仿真数据: 通过线性回归形成带有伪影干扰的模拟MEG数据，采用SOBI、FastICA、Infomax和AMUSE四种算法进行对比。 b. 诱发态仿真实验: 仿真事件相关信号，叠加金属伪影干扰数据，计算每种算法的均方根误差（RMSE）和信噪比（SNR）以评估算法性能。
实际测试: a. 听觉诱发实验: 设定纯音刺激实验，使用上述四种算法处理包含金属伪影的MEG数据，计算信噪比和源定位准确性。
数据分析与结果
静息态实验分析:
- 评估指标: 采用归一化均方误差（NMSE）和Delta频段归一化电力误差（▽δ）评估伪影抑制效果。
- 结果: 所有被试数据中，提出的方法在NMSE和▽δ指标上表现最佳，显著抑制了金属伪影干扰，并且对源信号幅值的重建最为准确。
诱发态实验结果:
- 评估指标: 使用均方根误差（RMSE）和信噪比（SNR）评估伪影抑制效果，计算模拟诱发信号的准确性。
- 结果: 提出的SOBI分离识别方法在抑制伪影方面表现出色，重建的诱发态模拟波形幅度失真最小，且信噪比最高。
实际OPM-MEG听觉诱发实验结果:
- 伪影识别与抑制: 提出的伪影识别方法精确分离与识别金属伪影，通过互信息及频谱分析确认算法的有效性。
- 实验结果: 提出的方法显著提高了事件相关信号的信噪比，尤其在N100成分的响应中效果显著。
结论与前景
本研究利用光泵磁力计设备，首次对牙套金属伪影进行了全面的特性分析，提出的SOBI分离识别算法通过自动识别伪影组分，有效抑制和扣除了金属伪影，使得OPM-MEG设备能够更好地应用于临床。
研究亮点及意义
- 创新性: 首次对光泵磁力计设备中的金属伪影进行深入分析，提出基于二阶盲源分离和自动识别的金属伪影抑制方法。
- 实用性: 该方法对于牙套等金属引起的伪影具有显著抑制效果，提升了OPM-MEG在临床中的应用前景和数据质量。
- 前景: 随着光泵磁力计设备的小型化及其在传感器数量上的提升，未来结合空间滤波算法或深度学习技术，有望进一步提高伪影识别和抑制的效果。