[論文レビュー] Enhancement of magnetic resonance imaging with metasurfaces

Alexey Slobozhanyuk, Alexander N. Poddubny+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2015

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、1.5 TのMRIスキャナで、サンプルの下に配置されたワイヤー構造のメタサーフェスを用いて、サブ波長近場共鳴を介して局所的にRF磁界を増幅することで、磁気共鳴画像法（MRI）の信号対雑音比（SNR）を向上させる手法を提案している。実験では、1.5 TのMRIスキャナでSNRを最大3.5倍向上させ、静磁界（B0）を増加させることなく、スキャン時間を短縮したり、解像度を向上させたりする可能性を示した。この手法は低コストで安全であり、低磁界MRIシステムへの応用に適している。

ABSTRACT

Magnetic resonance imaging (MRI) is the cornerstone technique for diagnostic medicine, biology, and neuroscience. This imaging method is highly innovative, noninvasive and its impact continues to grow. It can be used for measuring changes in the brain after enhanced neural activity, detecting early cancerous cells in tissue, as well as for imaging nanoscale biological structures, and controlling fluid dynamics, and it can be beneficial for cardiovascular imaging. The MRI performance is characterized by a signal-to-noise ratio, however the spatial resolution and image contrast depend strongly on the scanner design. Here, we reveal how to exploit effectively the unique properties of metasurfaces for the substantial improvement of MRI efficiency. We employ a metasurface created by an array of wires placed inside the MRI scanner under an object, and demonstrate a giant enhancement of the magnetic field by means of subwavelength near-field manipulation with the metasurface, thus strongly increasing the scanner sensitivity, signal-to-noise ratio, and image resolution. We demonstrate experimentally this effect for a commercially available MRI scanner and a biological tissue sample. Our results are corroborated by measured and simulated characteristics of the metasurface resonator, and our approach can enhance dramatically functionalities of widely available low-field MRI devices.

研究の動機と目的

• 静磁界（B0）を増加させずに、1.5 Tの低磁界MRIの限界を克服し、信号対雑音比（SNR）を向上させること。
• 高磁界でのRF磁界の不均一性および高い比吸収率（SAR）に起因する臨床的利用および安全性の制限を解決すること。
• 設計されたサブ波長構造を用いて、画像化対象の近傍でRF磁界を局所的に増幅する、実用的で非侵襲的かつ安全な手法を開発すること。
• 受動的メタサーフェスの統合により、既存の低磁界MRIシステムで画像品質の向上、スキャン時間の短縮、または空間解像度の向上を実現すること。
• 今後の診断画像診断応用を想定し、ワイヤレスや埋め込み可能なメタサーフェス設計を検討すること。

提案手法

• 1.5 T MRIのラーマー周波数でファブリ・ペロー共鳴を達成するため、最適化された長さ（25.5 cm）、半径（0.1 cm）、格子周期（1 cm）を持つ非磁性の brass ワイヤーで構成されるワイヤーメタサーフェスを設計・製造する。
• 16チャンネルのTorso XL受信アレイを装備した標準的な1.5 T全身MRIスキャナ内に、生物学的サンプル（水フォントレット内の魚）を含め、メタサーフェスをその下に配置する。
• メタサーフェスの電磁気的応答を検証するため、時間領域有限要素ソルバー（CST Microwave Studio 2013）を用いてシミュレーションを行い、局所的なB1+磁界増幅能力を検証する。
• 同じコイル位置とパrameters（FOV: 300×300 mm²、TE: 20 ms、flip angle: 90°）を用いて、スピンエコー法を標準的に用いてMRIスキャンを実施し、メタサーフェス有無で比較する。
• 信号と雑音の画像を別々に取得することでSNRを測定：信号は領域内平均強度、雑音はRFオフスキャン時の同一ROIにおける標準偏差から算出する。
• 増幅されたB1+磁界による過剰励起を防ぐため、RFパルス出力を再最適化し、メタサーフェス統合後の正確な励起を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静磁界（B0）を変更せずに、サブ波長のワイヤーメタサーフェスを設計し、MRIスキャナの近場領域でRF磁界（B1+）を顕著に増幅できるか。
• RQ2 メタサーフェスは標準的な1.5 T MRIシステムでどの程度SNRを向上させられるか。また、その向上により、スキャン時間の短縮や画像解像度の向上が実際に測定可能か。
• RQ3 メタサーフェスはRF磁界分布および均一性にどのような影響を及ぼし、局所的増幅を実現しつつアーチファクトや安全上のリスクを引き起こさないよう調整可能か。
• RQ4 将来的な臨床的展開を想定し、実用的でウェアラブルまたは患者台統合型に実装可能なメタサーフェスが可能か。
• RQ5 実世界のMRI環境において、このような受動的で非磁性・非侵襲的メタサーフェスが実現可能なSNR向上の限界は何か。

主な発見

• 実験的MRIスキャンにおいて、ワイヤーメタサーフェスは1.5 Tで最大3.5倍の信号対雑音比（SNR）向上を達成した。これは勾配エコー法を用いた直接的なSNR測定で確認された。
• メタサーフェスを用いることで、メタサーフェスなしの1020秒のスキャンを120秒に短縮しても、同等の画像品質を維持でき、同等のSNRを達成するためのスキャン時間は最大8.5倍短縮可能である。
• 直接的なB0マッピングにより、メタサーフェスは静磁界（B0）を変化させず、既存のMRI安全性プロトコルと完全に整合していることが確認された。
• メタサーフェスの共鳴応答の数値的シミュレーションと実騹測定結果から、1.5 T MRIのラーマー周波数で強い局所的RF磁界（B1+）増幅が確認された。
• RFパルス出力を低下させることで過剰励起を防ぎつつも、3.5倍のSNR向上が達成されたことから、効果的な磁界制御と安全性が裏付けられた。
• メタサーフェス設計はスケーラブルであり、患者台やウェアラブル形態（例：金属ストリップをプリントしたジャケット）への統合が可能であり、将来的な非侵襲的かつ患者フレンドリーなMRI向上手法としての応用が可能である。