本文介绍了一种适合儿童的研究方案，旨在通过减少儿科脑磁图（MEG）检查过程中的头部运动来提高数据质量。我们通过让家庭熟悉MEG环境、使用MEG模拟器训练儿童保持静止，并利用实时头部运动检测系统校正残余的头部运动伪影。
本文内容
摘要
摘要
脑磁图（MEG）是一种非侵入性神经影像技术，可直接测量由人脑电活动产生的磁场。与磁共振成像（MRI）相比，MEG 更安静，且较少引发幽闭恐惧症，因此在研究儿童脑功能方面具有良好的应用前景。然而，由于 MEG 传感器阵列在空间上固定且未固定于儿童头部，采集过程中头部运动产生的伪迹常常使儿童 MEG 数据的分析变得复杂。在 MEG 扫描期间尽量减少头部运动尤为困难，因为年幼儿童通常难以在实验任务中保持静止。本文介绍的方案旨在减少儿童 MEG 扫描期间的头部运动伪迹。在前往 MEG 实验室之前，研究人员会向家庭提供相关资料，以简单易懂的语言解释 MEG 系统及实验流程。在正式扫描前，将开展一次 MEG 适应性训练，使儿童熟悉研究人员及 MEG 实验流程，并在 MEG 模拟器中训练其保持头部静止。为帮助儿童适应新颖的 MEG 环境，所有操作流程均通过一个太空任务的故事情节进行讲解。为减少因焦躁不安导致的头部运动，儿童将通过趣味性强且具有吸引力的实验范式接受训练和评估。此外，在数据采集过程中，采用实时头部运动追踪系统对儿童残余的头部运动伪迹进行补偿。实施这些儿童友好的操作流程对于提高数据质量、降低纵向研究中的受试者流失率，以及确保家庭获得积极的科研参与体验至关重要。
引言
脑磁图（Magnetoencephalography, MEG）是一种非侵入性的功能神经影像技术，用于测量人脑神经电活动所产生的磁场1,2。由于脑源与传感器之间的生物组织不会导致信号弥散，MEG相较于脑电图（electroencephalography, EEG）具有优异的时间分辨率和更高的空间分辨率。此外，MEG检查无需暴露于强噪声、辐射或磁场中，准备时间短，且受试者在整个检测过程中可由家长或护理人员陪同。综上所述，这些特点使MEG成为研究儿童典型与非典型脑功能发育的有力工具2。
为了使用脑磁图（MEG）测量大脑反应，受试者必须将头部伸入一个头盔状装置内，该装置内固定排列着超导传感器阵列。在整个MEG记录过程中，受试者必须保持头部静止不动，因为头部相对于传感器位置的任何变化都会导致神经磁信号分布质量下降，并妨碍对神经活动源的精确定位。源定位不准确必然会导致在源功率、功能连接性以及网络分析中的统计推断出现偏差3。
在儿科脑磁图（MEG）评估过程中，由于多种原因，尽量减少头部运动可能尤为困难。首先，在成人MEG系统中对年幼儿童进行检测存在问题，因为儿童的头部明显小于成人，头盔与儿童头皮之间的间隙增大，导致头部运动不受约束。其次，全新的MEG环境——一台大型设备被封闭在无窗的磁屏蔽室内——可能使年幼儿童感到恐惧，而焦虑可能导致头部运动。第三，若未经训练，儿童可能无法充分理解或遵守在整个实验过程中保持静止的要求。最后，对于耐受无聊能力有限的儿童而言，某些MEG实验可能耗时过长或过于枯燥，从而引发躁动和头部运动伪影。
为解决儿童脑磁图（MEG）研究中长期存在的头部运动问题，本文介绍了近期在硬件和方法学方面的进展，这些进展已应用于澳大利亚悉尼麦考瑞大学KIT-麦考瑞脑研究中心所采用的儿童友好型MEG研究方案中。正如该实验室此前发表的一篇论文所述4，通过安装全球首套全头部儿童专用MEG系统，并配备定制化头盔型杜瓦瓶，解决了传统成人尺寸、松配合头盔杜瓦瓶不适合约三至六岁儿童头部的问题。这种硬件改进使传感器平均而言更贴近儿童头皮，从而提升了信噪比5,6。近期，KIT-麦考瑞脑研究中心进一步开发了多项创新流程，以克服前述导致头部运动的因素，进而提高数据质量。
本方案中的所有步骤均通过一个叙事场景进行讲解，使儿童参与者积极投入到一次"宇航员太空任务"的情境中。该叙事方式不仅能够减少儿童对脑磁图（MEG）研究的恐惧感，还能使其体验更加有趣和兴奋。将这些步骤整合到适合儿童的MEG研究流程中，对于提高数据质量、降低纵向研究中的参与者流失率，以及确保家庭在参与研究过程中获得积极体验具有重要意义。
方案
本研究方案已获得麦考瑞大学人类研究伦理委员会的批准。
1. 脑磁图（MEG）熟悉资源
- 在前往MEG实验室之前，向家庭提供相关资源以了解MEG，例如适合儿童阅读的科普文章7，用以解释MEG和MSR；提供详细描述完成MEG实验各步骤的故事板（例如，补充图1）；以及为家长或看护人准备的MEG信息手册（例如，补充图2）。
2. 脑磁图熟悉阶段
注意：熟悉化阶段通常持续30分钟，包括MSR介绍（5分钟）、练习数字化（5分钟）以及MEG模拟器训练，含实验任务的练习（20分钟）。应在数据采集前1至7天内完成熟悉化阶段。
- MSR 简介
- 带儿童参观 MSR"宇宙飞船"）墙上装饰有与太空相关的艺术画作，以强化太空任务的主题。
- 让孩子练习仰卧，将头部放入头盔形杜瓦瓶中。
- 告诉孩子尽量保持不动，以便飞船能够保持航向并到达最终目的地。
- 数字化：
- 让孩子坐在高脚椅上，并为其戴上聚酯泳帽（"宇航员头盔") 包含五个标记线圈。通过将边缘向上折叠来安装松配合的盖子。 注意： 线圈将数据发送至连续运动追踪单元。
- 在儿童颈部周围放置一个发射器和三个接收器。
- 让孩子展示他们最标准的“静止姿势”，并在他们保持不动时给予频繁的积极鼓励。
注意： 这有助于在数字化过程中尽量减少头部移动，以免影响后续与MEG传感器配准的准确性8. - 使用数位笔（参见 材料表记录三个基准点（鼻根点及左右耳前点）和五个标记线圈的位置，以及头部表面的形状。注意：该数据将用于后续确定儿童头部相对于MEG传感器的位置。
- 取下儿童颈部的帽套、发射器和三个接收器。
- MEG 模拟器：
- 将儿童带到配备MEG模拟器的房间（参见 材料表 第9步和第10步在 补充图1），一台完整的MEG系统全尺寸模型。该MEG模拟器配有太空主题的贴纸，配备有模拟头盔杜瓦瓶、床、按钮盒，以及位于模拟杜瓦瓶上方用于视觉显示的屏幕
- 通过模拟一次练习太空任务的叙述，简要描述脑磁图（MEG）扫描流程（即保持静止不动并参与练习性实验任务）。
- 为儿童佩戴“宇航员头盔”——一种在前部装有运动检测器的聚酯泳帽（参见 材料表).
- 邀请儿童躺在模拟器中，并观看他们选择的视频。如果儿童表现出紧张情绪，可先用玩具演示实验流程。
注意： 每当儿童头部移动超过预设阈值（例如 5 mm）时，运动追踪系统（参见 材料表将自动暂停视频，并等待实验人员手动重新启动视频以恢复运动基线。 - 当儿童完成模拟器训练的这一部分后，使用另一组独特的刺激材料对该儿童进行实验任务的训练。
- 任务训练结束时，向儿童颁发一份宇航员训练证书。
3. MEG 数据采集过程
注意：数据采集过程通常持续约30分钟，包括数字化（5分钟）、在磁屏蔽室内安置受试者（5分钟）以及数据采集（约20分钟，具体时长取决于实验范式的长度）。
- 初步步骤
- 在儿童到达前约15分钟，进行一次持续30至60秒的空房间记录，以识别MEG系统检测到的任何显著外部噪声8。
- 当儿童到达时，确认其衣物上未佩戴或体内未携带任何磁性材料，因为磁性材料会扭曲MEG信号（参见图1B中因受试者身上金属导致信号噪声的示例）。
注意：如果家长或看护人希望陪同儿童进入磁屏蔽室（MSR），他们也必须移除所有磁性材料。
- 数字化
- 在开始数字化之前，确认儿童是否需要上厕所，因为在完成数字化步骤后，直到MEG数据采集会话结束前都不能取下头帽。
- 重复上述"MEG适应性训练会话"部分中所述的数字化流程。
注意：如果在实验过程中头帽移动超过5 mm，则应在实验结束时进行第二次数字化
- MSR设置
- 将儿童带入MSR（"太空舱"）。
注意：此步骤需要两名研究人员——一名作为"辅助研究员"进入MSR陪同儿童（也可根据需要让家长或看护人一同进入），另一名作为"主研人员"在MSR外部操作MEG数据采集系统。MSR设置通常耗时约5分钟。 - 在MSR内部设置设备（辅助研究员）
- 请儿童将头部放入头盔状杜瓦瓶中。
- 检查儿童头部是否居中对齐，使头顶尽可能接近但不接触杜瓦瓶后部。
- 确保儿童感到舒适、放松，并在MEG记录期间尽量保持静止。
- 在设置过程中，可通过杜瓦瓶上方的屏幕播放儿童选择的视频，以保持其注意力和兴趣。
- 在MSR外部设置设备（主研人员）
- 进行实验前/基线标志线圈测量，以记录头部相对于头盔杜瓦瓶的初始位置。
- 利用初始标志线圈测量结果和数字化获得的头部形状数据，完成儿童头部与传感器阵列之间的共配准。
注意：这些准备性测量可用于直观检查头部在杜瓦瓶内的位置，确保其正确就位。若未满足该条件，需重新调整儿童头部位置，并在开始数据采集前再次进行共配准。
- 将儿童带入MSR（"太空舱"）。
- 数据采集
- 当确认头部相对于头盔杜瓦瓶的位置合适后，启动MEG记录和实验任务。
- 使用一种名为实时头部运动监测（Real-Time Head Movement, ReTHM）的儿童MEG软件系统9，持续记录头部运动情况。
- 结束实验
- 实验任务完成后，关闭ReTHM并终止MEG记录。进行实验后标志线圈测量，以获取相对于头盔杜瓦瓶的最终头部位置。
注意：该测量可提供对实验期间整体头部运动的简单可视化检查。 - 为感谢儿童的参与，赠送其一个礼品袋（"宇航员套装"），并向家庭支付相应的时间与交通费用作为补偿。
- 实验任务完成后，关闭ReTHM并终止MEG记录。进行实验后标志线圈测量，以获取相对于头盔杜瓦瓶的最终头部位置。
结果
常见的脑磁图信号
常见的 MEG 信号如图1所示，包括正常的 MEG 信号（图1A）；由于受试者身上有金属导致的 MEG 信号噪声（图1B），此时应解锁传感器，打开磁屏蔽室（MSR）门，请受试者移除身上的所有金属物品，然后将金属物体带出磁屏蔽室，并在执行第3.5节所述步骤前进行自动调谐；来自电子设备的干扰（图1C，最常见于手机），此时应关闭所有电子设备或将它们移离磁屏蔽室；下颌紧绷产生的信号（图1D），此时应提醒受试者在整个 MEG 记录过程中保持下颌放松；α波（图1E；定义为1秒时间内连续出现8至12个波），此时应确认受试者未入睡（若受试者清醒则可继续实验）；以及磁通量被困（图1F）；此时应解锁传感器并开启线圈加热器5分钟。如果在后续自动调谐后磁通量仍存在，则标记受影响的通道，以便在后续数据分析中予以剔除。
数据采集期间的头部运动
在图2中展示了儿童MEG数据在应用ReTHM校正前后的对比结果。数据来自一名三岁男孩，其在15分钟内被动聆听听觉音调。数据经过去噪10、带通滤波11（1–15 Hz）、基线校正并进行平均。所有传感器的均方根（RMS）磁波形（右侧列）被计算出来。扫描过程中的平均头部运动为44.3 mm。如图所示，ReTHM有效补偿了与运动相关的伪影，从而获得了更聚焦的等磁场轮廓图（在RMS波形峰值处；(A)）、畸变更小的RMS磁波形（B），以及在双侧听觉脑叶中更具生物学意义的源重建结果（C）。
图1：常见脑磁图（MEG）信号的示例。（A）正常的MEG信号。（B-F）由以下因素引起的MEG信号噪声：（B）受试者身上的金属（具体为背心肩带上的小金属扣导致的噪声），（C）电子设备的干扰，（D）咬紧下颌，（E）α波，以及（F）被困住的磁通量。对于图C、E和F，横轴的时间尺度为10秒间隔，纵轴的幅度尺度为32768 A/D。请点击此处查看该图的放大版本。
图 2。实时头部运动（ReTHM）校正前后儿童脑磁图（MEG）数据对比。 数据来自一名3岁男童，其在15分钟内被动聆听听觉音调。扫描过程中平均头部运动为44.3 mm。（A）校正后，均方根（RMS）波形峰值处的等磁场轮廓图更加集中；（B）RMS磁信号波形畸变减少；（C）双侧听觉脑叶的源重建结果更具生物学意义。 请点击此处查看该图的放大版本。
补充图1：以故事板形式展示完成“宇航员训练”（即 MEG 实验）的10个简单步骤。该故事板会在家庭前往 MEG 实验室前发送给他们，旨在帮助儿童建立对数据采集过程的预期，并激发他们对“宇航员训练”的期待与兴趣。在数据采集当天，儿童将随着实验的推进逐步跟随故事板完成各项步骤，并在完成每一步后获得一枚印章。照片的使用已获得家长书面知情同意。 请点击此处查看该图的高清版本。
补充图2： 一份面向家长或监护人的脑磁图（MEG）信息说明表，内容包括对MEG、磁屏蔽室（MSR）的介绍、数据采集当天的流程说明以及着装要求。本照片已获得家长书面知情同意后复制使用。请点击此处查看该图的放大版本。
讨论
近年来，脑磁图（MEG）已被确立为研究大脑发育神经机制的一种有价值的无创神经影像技术1。然而，扫描过程中的头部运动严重阻碍了高质量MEG数据的获取，尤其是在对儿童群体进行评估时。为解决这一问题，本文提出了一种儿科MEG研究方案，该方案基于KIT-麦考瑞脑研究实验室先前发表的一篇论文中所述的流程4。
关键步骤包括：（1）向儿童提供MEG熟悉化资源，使其在到实验室之前即可了解MEG实验的相关内容，这些资源包括一篇适合儿童阅读的科普文章7，用于解释MEG系统和磁屏蔽室（MSR）；一个包含完成MEG实验10个简单步骤的故事板（补充图1）；以及一份面向家长和看护者的MEG信息说明单（补充图2）；（2）在正式MEG数据采集前安排一次熟悉化训练环节，使儿童熟悉MEG实验流程，并训练其在MEG模拟器内躺卧时保持头部静止；（3）采用被动式或"游戏化"的实验范式，以减少因无聊或焦躁导致的头部移动；（4）在数据采集过程中，使用实时头部运动监测系统（ReTHM）9持续追踪头部运动。ReTHM获取的数据可用于MEG数据预处理阶段对头部运动伪迹进行离线校正。
高质量脑磁图（MEG）数据的获取在很大程度上取决于儿童在陌生的MEG环境中感到舒适自在。为了帮助儿童建立这种舒适感，研究人员应在正式开始数据采集之前，投入时间使儿童及其家庭熟悉MEG环境和相关流程。这可以通过向儿童及其家长提供以简单易懂语言解释MEG流程的MEG相关资料来实现。此外，可邀请家庭在数据采集前访问MEG实验室，与研究人员见面，并练习MEG测试流程。通过在MEG模拟器上的训练，儿童能够潜移默化地理解在MEG检测过程中保持头部静止的重要性。尽管MEG熟悉化过程需要研究人员和家庭在数据收集过程中额外投入时间，但其在提升MEG数据质量、减少后续MEG数据采集所需时间和成本方面的优势，显然超过了这一不足。此外，儿童在熟悉化环节中的表现和配合程度，可用于判断其是否适合被邀请参加正式的MEG数据采集。
为了尽量减少因躁动导致的扫描过程中头部运动，最好采用一种被动的实验范式，该范式无需提供指令、外显注意或主动参与。例如，可通过听觉oddball范式获得可靠的诱发反应12，在此范式中，受试者在观看无声视频的同时被动聆听一系列听觉音调。对于需要外显反应的研究，研究人员应尽量将实验任务嵌入到具有吸引力的游戏式范式中11，以提高受试者的配合度，并在任务过程中最大限度地减少躁动。在视觉实验中，使用与脑磁图（MEG）兼容的眼动仪几乎不需要额外的准备时间，但对于确保儿童注视视觉刺激的位置至关重要13。
可以使用实时头部运动追踪技术校正任何残留的头部运动伪影。例如，ReTHM 获取的数据可存储在 MEG 记录文件中，并在数据采集过程中用于补偿头部运动，从而将头部相对于传感器的定位恢复至运动前水平，以实现最佳的源重建，这对于后续的源水平数据分析至关重要14。
本方案的实施旨在提高儿童脑磁图（MEG）数据的质量，降低纵向研究中受试者的失访率，并确保家庭在参与MEG研究过程中获得愉快的体验，最终目标是增进我们对典型和非典型人群中早期大脑发育的理解。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到了澳大利亚研究理事会基金 CE110001021、DP170103148 和 DP170102407 的支持。魏赫（Wei He）获得了麦考瑞大学研究奖学金（MQRF，IRIS 项目：9201501199）的支持。汉娜·拉帕波特（Hannah Rapaport）获得了澳大利亚政府研究培训计划（RTP）和麦考瑞大学研究卓越奖学金（MQRES）的支持。罗伯特·A·塞缪尔（Robert A Seymour）获得了英国伯明翰阿斯顿大学和澳大利亚悉尼麦考瑞大学博士生奖学金的支持。保罗·F·索曼（Paul F. Sowman）得到了澳大利亚国家健康与医学研究理事会（1003760）和澳大利亚研究理事会（DE130100868）的支持。作者感谢金泽工业大学和横河电机公司在建立金泽工大-麦考瑞脑研究实验室过程中的合作。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5 标记线圈组 | 日本金泽工业大学（KIT）与横河电机株式会社 | PQ11MKA | |
| Fastrak 数字仪 – 3D | 美国佛蒙特州科彻斯特，波尔海默斯公司 | 1A0383-001 | 手写笔输入板 |
| 脑磁图（MEG） | 日本金泽工业大学（KIT）与横河电机株式会社 | PQ1160C | |
| MEG 模拟器 | Fino，新南威尔士州，澳大利亚 | ||
| MoTrack 系统 | 美国宾夕法尼亚州心理软件工具公司 | MTK-09314-1307 | 运动追踪系统 |
| 聚酯帽 | Speedo | N/A | 产品编号：SPE11733.435 |
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重印与许可
