[論文レビュー] Portable Low-cost MRI System based on Permanent Magnets/Magnet Arrays

Shao Ying Huang, Zhi Hua Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2018

Advanced MRI Techniques and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、静磁場源として永久磁石または磁石アレイを用いた、携帯性で低コストなMRIシステムについてレビューする。非線形勾配場と高度な再構成技術を活用することで、高均一な磁場を必要とせず、頭部などの大きな解剖的領域を対象としたコンactで軽量かつメンテナンスフリーなスキャナの実現が可能になる。

ABSTRACT

Portable low-cost MRI systems have the potential to enable point-of-care and timely MRI diagnosis, and to make this imaging modality available to routine scans and to underdeveloped areas. With simplicity, no maintenance, no power consumption, and low cost, permanent magnets or arrays are attractive to use as a source of magnetic field to realize portability and low cost for a scanners. However, when taking the Fourier imaging approach and using linear gradient fields, homogeneous fields are required, thus either a bulky magnet is needed, or the imaging volume is too small to image an organ if the magnet is scaled down. Recently, with the progress on image reconstruction based on non-linear gradient field, field patterns without spatial-linearity can be used as spatial encoding magnetic fields to encode MRI signals for imaging. As a result, the requirements for the homogeneity of the field can be relaxed, which allows permanent magnets(arrays) with reduced sizes, reduced weight to image bigger volumes covering organs such as a head. It offers chances to construct a truly portable low-cost MRI scanner. For this exciting potential application, permanent magnets(arrays) have attracted increased attention. A magnet(array) is strongly associated with the imaging volume, reconstruction methods, and RF excitation and coils, etc. through field patterns and homogeneity. This paper offers a review on permanent magnets(arrays) of different kinds, especially those can be used for spatial encoding towards the development of portable and low-cost MRI systems. It is aimed to familiarize the readers with relevant knowledge, literature, and the latest updates of the development on permanent magnets for MRI. Perspectives on and challenges of using permanent magnets to supply a patterned magnetic field, without spatial-linearity nor high homogeneity, for reconstruction in a portable setup are discussed.

研究の動機と目的

• 永久磁石または磁石アレイを、携帯性で低コストなMRIシステムにおける主磁場源として使用する可能性を検討すること。
• 小型化されたMRIスキャナにおいて、十分なイメージング体積と磁場均一性を達成する課題に対処すること。
• 均一な磁場に依存しない非線形勾配場符号化と再構成技術の最新の進展をレビューすること。
• 磁石構成、磁場分布、およびRFコイルや再構成手法との統合に関する包括的な概要を提供すること。
• 永久磁石を用いた真正に携帯性で低コストなMRIシステムを実現するための主な技術的課題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• 静磁場（B0）の主な源として永久磁石または磁石アレイを用い、電力供給および冷却材の必要性を排除する。
• 空間符号化に非線形勾配場を採用し、従来の勾配場の線形変化という要件を越える。
• 非均一で非線形な磁場パターンに対応できる画像再構成アルゴリズムを適用し、高均一性を必要としない空間符号化を可能にする。
• 磁石の幾何形状、磁場分布、画像品質の関係を分析し、頭部および体部イメージングに適した磁場パターンに焦点を当てる。
• コンパクト性、磁場強度、空間符号化能力を最適化した磁石アレイ構成（例：ハルバッハアレイ、カスタム配置）をレビューする。
• 永久磁石システムの非均一な磁場環境に適合した、RFコイルおよび信号受信戦略の統合を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高均一性を必要としない条件下で、永久磁石アレイをどのように設計すれば、MRIに十分で有用な磁場プロファイルを提供できるか。
• RQ2 携帯型MRIシステムにおいて、磁石のサイズ、重量、磁場強度、イメージング体積の間で生じるトレードオフは何か。
• RQ3 従来の線形勾配が不適切な状況下で、非線形勾配場が空間符号化にどの程度効果的に機能できるか。
• RQ4 永久磁石アレイが生成する非均一な磁場パターンに対処するのに最も効果的な画像再構成技術は何か。
• RQ5 永久磁石を用いた真正に携帯性で低コストかつ臨床応用可能なMRIシステムを開発するにあたり、主な技術的および実用的課題は何か。

主な発見

• 非線形勾配場は、磁場が均一でない場合でも、MRIにおける空間情報の符号化を効果的に行うことができ、コンパクトな永久磁石システムの利用を可能にする。
• 特にハルバッハ構成を含む永久磁石アレイは、人間の頭部など臨床的に重要な体積を対象としたイメージングを可能にする、特徴的な磁場パターンを生成できる。
• 圧縮センシングや反復的手法を含む高度な再構成アルゴリズムは、非均一な磁場から得られたデータの画像品質を顕著に向上させる。
• 永久磁石の使用により、電力供給、冷却、保守の必要性がなくなり、ポインター・オブ・ケアおよびリソース制限のある環境に最適なシステムとなる。
• 磁石アレイにおける磁場の不均一性および空間的な非線形性は、注意深い設計とキャリブレーションを要するが、堅牢な再構成技術と組み合わせることで、診断品質の画像を実現可能である。
• 最近の発展により、非線形勾配と永久磁石のみを用いて、脳のT1加重画像およびT2加重画像を生成するプロトタイプシステムの実証がなされた。