[論文レビュー] A Portable Brain MRI Scanner for Underserved Settings and Point-Of-Care Imaging

Clarissa Cooley, Patrick C. McDaniel+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2020

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、液体ヘリウムを用いず、外部電源も不要なコンactな希土類元素永久磁石ハルバッチシリンダー構造を採用した、携帯式で低磁場（80 mT）の脳MRIスキャナを提案する。組み込み型勾配コイルと反復的再構成技術により、磁場の不均一性を補正し、生体脳イメージングで2.2 × 1.3 × 6.8 mm³の分解能を達成。インfra構造の制約がなく、現場での使用や低リソース環境での利用が可能である。

ABSTRACT

Access to and availability of MRI scanners is typically limited by their cost, siting and infrastructure requirements. This precludes MRI diagnostics, the reference standard for neurological assessment, in patients who cannot be transported to specialized scanner suites. This includes patients who are critically ill and unstable, and patients located in low-resource settings. The scanner design presented here aims to extend the reach of MRI by substantially reducing these limitations. Our goal is to shift the cost-benefit calculation for MRI toward more frequent and varied use, including improved accessibility worldwide and point of care operation. Here, we describe a portable brain MRI scanner using a compact, lightweight permanent magnet, with a built-in readout field gradient. Our low-field (80 mT) Halbach cylinder design of rare-earth permanent magnets results in a 122 kg magnet with minimal stray-field, requiring neither cryogenics nor external power. The built-in magnetic field gradient reduces reliance on high-power gradient drivers, which not only lowers overall system power and cooling requirements, but also reduces acoustic noise. Imperfections in the encoding fields are mitigated with a generalized iterative image reconstruction technique, that uses prior characterization of the field patterns. Our system was validated using T1, T2 and proton density weighted in vivo brain images with a spatial resolution of 2.2 x 1.3 x 6.8 mm$^3$.

研究の動機と目的

• 未開拓地域や救急ケア環境における従来のMRIシステムの高コスト、インfra構造要件、移動性の障壁を克服すること。
• 最小限の電力と設置要件で実現可能な軽量で携帯可能なMRIスキャナの設計により、現場での脳イメージングを可能とすること。
• 統合された磁場勾配を用いることで、高出力の勾配システムへの依存を低減し、ノイズと冷却要件を削減すること。
• 高度な画像再構成技術を用いて、低磁場で携帯可能なシステムでも診断用の画像品質を維持すること。
• 臨床的に関連するコントラストと空間分解能を備えた、生体神経イメージングの実現可能性を検証すること。

提案手法

• 122 kgの希土類元素永久磁石をハルバッチシリンダー構造に配置し、液体ヘリウムや外部電源を不要にした80 mTの静的磁場を生成する。
• 高出力で外部に依存する勾配ドライバを減らすために、磁石構造に組み込み型の磁場勾配コイルを統合する。
• 事前に測定した磁場特性を用いて、主磁場および勾配磁場の不均一性や欠陥を補正する一般化反復的画像再構成手法を採用する。
• T1、T2、およびプロトン密度加重イメージングに、標準的なスピンエコーおよび勾配エコーシーケンスを採用する。
• 最適化されたRF励起と勾配符号化により、2.2 × 1.3 × 6.8 mm³の空間分解能を達成する。
• 漏れ磁場と音響ノイズを最小限に抑える設計により、非理想的な環境下でも安全性と使いやすさを向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨床的および低リソース環境下で、液体ヘリウムや外部電源を必要としない、携帯式の低磁場MRIスキャナを設計可能か？
• RQ2 組み込み型勾配コイルは、画像品質を維持しつつ、高出力の外部勾配システムへの依存をどの程度低減できるか？
• RQ3 反復的再構成技術は、コンactな永久磁石MRIシステムにおける磁場不均一性をどの程度補償できるか？
• RQ4 このようなシステムは、生体脳イメージングに必要な十分な空間分解能とコントラストを達成できるか？
• RQ5 このスキャナは、救急ケアや遠隔地での現場利用に実用的か？

主な発見

• 携帯式MRIスキャナは、T1、T2、およびプロトン密度加重脳イメージングを生体で実現し、空間分解能2.2 × 1.3 × 6.8 mm³を達成した。
• 永久磁石を用いた80 mTの動作により、液体ヘリウムや継続的な外部電源の必要性が解消された。
• 組み込み型勾配コイルにより、システムの電力と冷却要件が低減され、従来のシステムと比較して音響ノイズも低減した。
• 反復的再構成により、磁場欠陥に起因する画像歪みが効果的に低減され、診断に有用な画像品質が得られた。
• スキャナのコンactで軽量な設計（122 kg）と、最小限のインfra要件が、低リソース環境や現場での展開を可能にした。
• 検証により、携帯式で低磁場のMRIプラットフォームで診断品質の神経イメージングが実現可能であることが示された。