基于光学磁力计的高密度肌磁图揭示诱发肌肉活动的时空模式

《Advanced Materials Technologies》：High-Density Magnetomyography With Optical Magnetometers Reveals Spatiotemporal Patterns of Evoked Muscle Activity

　　

肌磁图（MMG）作为肌电图（EMG）的一种非接触式替代方法具有巨大潜力。然而，体内肌磁场（myomagnetic field）的时空动态仍 largely 未知，这限制了信号的可解释性，进而限制了MMG的应用。本研究通过在肌肉沿线扫描一个由六个三轴光学泵浦磁力计（OPMs）组成的网格，在69×2个有效位置对体内小指展肌（abductor digiti minimi muscle）的肌磁场进行测量，同时通过电刺激诱发可重复的肌肉收缩。以此方式，以高密度（1 mm采样步长）测量复合肌肉动作场（CMAF），并将其演变过程基于3D扫描和磁共振图像参照至底层解剖结构。研究人员使用一个模型来模拟预期信号，该模型提示临床相关的神经支配区（IZ）表现为方位角CMAF分量的零交叉（zero-crossing）。基于此，通过将零交叉投影至皮肤，在三位受试者中展示了非接触式IZ定位。估计的IZ定位与同时记录的64通道表面肌电图（sEMG）估计值偏差为1.7 mm至4.1 mm。通过首次在体内实现毫米级肌肉磁活动的时空映射，本研究为MMG在生物医学应用中的使用铺平了道路。

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一、研究背景与意义

肌电图（EMG）是研究骨骼肌生理活动的重要手段，通过测量生物电信号来评估神经肌肉功能。然而，EMG依赖皮肤-电极接触，受电极阻抗、参考电极类型与放置位置等因素影响，且无法在皮肤烧伤或伤口等情况下使用。肌磁图（MMG）通过测量肌肉活动产生的磁场提供了一种非接触式替代方案。与电位信号相比，磁场受生物组织畸变影响较小，理论上具有更优的信号保真度。然而，MMG的实际应用面临诸多挑战：体内骨骼肌肌磁场的时空动态特性 largely 未知；既往研究多采用离体样本，缺乏对磁场各分量及其与EMG关系的理解；传感器通道数有限且间距过大（通常超过15 mm），无法实现高分辨率空间采样；此外，尚无研究将磁力计定位与EMG记录及肌肉三维解剖结构相关联。这些限制严重制约了MMG信号的可解释性和临床应用潜力。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，研究人员开展了一项探索性研究，旨在：获得骨骼肌体内三轴磁场沿肌肉方向1 mm空间采样步长的离散时空图谱；实现MMG与高密度表面肌电图（HD-sEMG）同步记录；将磁力计和电极位置相互关联并对应至底层解剖结构；将实验时空磁场模式与前向模型进行比较；分别利用MMG和HD-sEMG估计临床相关的神经支配区（IZ）位置。研究在三位健康男性受试者（27至37岁）的小指展肌（ADM）上进行，通过电刺激尺神经诱发可重复的肌肉收缩。研究首次实现了体内毫米级肌磁活动的时空映射，验证了MMG作为EMG非接触式替代方案的可行性，并展示了MMG在神经支配区定位方面的临床应用潜力。

三、关键技术方法

研究在德国柏林磁屏蔽室（BMSR-2.1）内进行，受试者为三名健康男性志愿者。主要技术方法包括：使用六个三轴零场光学泵浦磁力计（OPMs）构成3×2传感器网格，通过逐次平移手部位置实现沿肌肉方向1 mm步长的顺序扫描采样，共获得69个有效空间位置；同步使用64通道表面肌电图（sEMG）网格（电极间距4 mm）记录复合肌肉动作电位（CMAP）；采用外部三脚线圈系统进行磁力计增益校正；利用3D扫描仪和磁共振成像（MRI）将传感器位置与肌肉解剖结构配准；构建基于Biot-Savart定律和Rosenfalck动作电位模型的肌磁前向模型用于模拟预期信号。

四、研究结果

增益校正结果： 通过外部线圈调制对各OPM通道进行增益校正，发现存在一个异常通道其校正因子随时间在6.42至10.70之间变化，校正后残差显著降低，表明增益校正在MMG信号处理中至关重要。

顺序扫描质量评估： 通过三次对照测量计算Pearson相关系数（PCC），各磁场分量的中位PCC值约为94%–99%，证明顺序扫描方法具有较高的可重复性。受试者3因轻度感觉异常导致相关性略低。

波形空间变化量化： 计算不同空间间隔下CMAF和CMAP的PCC，发现轴向分量（B_z）随空间变化最大，径向分量（B_ρ）次之，方位角分量（B_φ）空间相关性最高。主成分分析显示第一主成分（PC1）解释的方差占比为40%–97%，表明不同空间位置处磁场矢量的时间演化复杂度不同。

时空演变特征： 将31个刺激块的数据合并后，每个OPM行获得69个间隔1 mm的独特采样位置。时空热图显示各受试者间CMAF模式定性一致，存在从正到正再到负的极性翻转特征，首次在IZ位置出现波瓣反转。结合MRI和3D扫描，研究人员将磁场矢量演变与ADM解剖结构直接关联，观察到上下两行OPM数据高度相似，支持肌肉周围磁场具有圆柱对称性的假设。前向模型定性捕捉了B_φ分量的早期和晚期特征，但中期阶段存在约30 mm的位置偏差。

神经支配区定位： 在sEMG中通过单差分记录的首波零交叉标准方法定位IZ，在MMG中通过方位角B_φ分量首波零交叉并投影至皮肤表面进行定位。两种方法的估计偏差仅为1.7 mm至4.1 mm，与肌肉约50 mm的长度相比误差极小，验证了MMG用于非接触式IZ定位的可行性。

五、讨论与结论

讨论部分指出，与既往使用SQUID的研究相比，本研究通过1 mm有效间距和MRI/3D扫描实现了对肌磁场时空动态与三维解剖结构关系的直接观察。轴向分量随空间变化最为剧烈，而方位角分量虽总体相关性高，但关键信息如IZ位置可通过单轴测量提取。不同空间位置处磁场矢量的时间演化复杂度不同，这对MMG系统的传感器间距和矢量分量配置提出了明确要求。研究结论表明，通过顺序扫描策略实现了体内骨骼肌肌磁场的高密度时空映射，验证了MMG在神经支配区无创定位方面的临床应用潜力，为MMG在神经肌肉疾病诊断和康复评估等生物医学应用中的进一步发展奠定了基础。