[論文レビュー] Portable magnetic resonance imaging of patients indoors, outdoors and at home

Teresa Guallart‐Naval, José Miguel Algarín+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 56被引用数 61

ひとこと要約

本研究では、永久磁石を用いたハルバッハ磁石構造を採用した低コストで携帯可能な70 mTの末梢MRIスキャナを構築し、ラボ、オフィス、屋外、自宅など多様な環境で被検体の膝の画像を撮影することに成功した。診断に必要な画像品質を損なわず、変動する電磁界干渉や電源条件にもかかわらず、すべてのスキャンで臨床的に有用な信号対雑音比（SNR ≈11–19）が得られ、解剖学的構造および金属インプラントが明確に可視化された。本研究は、従来の臨床的環境を超えた、アクセス可能でポイント・オブ・ケアを想定したMRIの実現可能性を示した。

ABSTRACT

Mobile medical imaging devices are invaluable for clinical diagnostic purposes both in and outside healthcare institutions. Among the various imaging modalities, only a few are readily portable. Magnetic resonance imaging (MRI), the gold standard for numerous healthcare conditions, does not traditionally belong to this group. Recently, low-field MRI start-up companies have demonstrated the first decisive steps towards portability within medical facilities, but these are so far incompatible with more demanding use cases such as in remote and developing regions, sports facilities and events, medical and military camps, or home healthcare. Here we present in vivo images taken with a light, home-made, low-field extremity MRI scanner outside the controlled environment provided by medical facilities. To demonstrate the true portability of the system and benchmark its performance in various relevant scenarios, we have acquired images of a volunteer's knee in: i) an MRI physics laboratory; ii) an office room; iii) outside a campus building, connected to a nearby power outlet; iv) in open air, powered from a small fuel-based generator; and v) at the volunteer's home. All images have been acquired within clinically viable times, and signal-to-noise ratios (SNR) and tissue contrast suffice for 2D and 3D reconstructions with diagnostic value, with comparable overall image quality across all five situations. Furthermore, the volunteer carries a fixation metallic implant screwed to the femur, which leads to strong artifacts in standard clinical systems but appears sharp in our low-field acquisitions. Altogether, this work opens a path towards highly accessible MRI under circumstances previously unrealistic.

研究の動機と目的

• 制御された臨床的環境外でも動作可能な低コストでポータブルなMRIシステムの開発。
• 多様な実世界の環境（屋内オフィス、屋外、自宅など）における低磁場末梢MRIスキャナの診断画像品質の評価。
• 高磁場MRIで深刻なアーティファクトを引き起こす金属インプラントが、低磁場撮影でも明確に可視化可能であることを示すこと。
• 電磁界干渉（EMI）および電源条件（バッテリー駆動、発電機駆動など）の変動下でのシステム性能の評価。
• 従来の高磁場システムの制限を克服し、ポイント・オブ・ケアおよび自宅医療用MRIを実現すること。

提案手法

• 20 cmの球状体積内で一様な磁場を発生させるために、独自に設計された70 mTの永久磁石をハルバッハ配置で使用。
• 70 mTにおけるプロトンのラーモア周波数（約3.07 MHz）に合わせて調整された単一のRF送信／受信コイルを信号の励起および受信に使用。
• 制御エレクトロニクスは、オープンソースのMaRCoSプラットフォームに基づき、柔軟なシーケンス制御とリアルタイムデータ取得を可能にした。
• 全重量約250 kgの車輪式で移動可能な構造にスキャナを搭載し、多様な地形や環境での移動を可能にした。
• すべての画像は、すべての環境で一貫したパrametersを用いた3Dターボスピンエコー（3D-TSE）シーケンスで取得した。
• 画像再構成および後処理は、標準的なMRI技術を用い、高度なノイズ低減やスーパーレゾリューション処理は適用しなかった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低磁場でポータブルなMRIスキャナは、自宅や屋外など制御されていない非臨床的環境でも診断に有用な画像を生成できるか？
• RQ2 多様な電源および周囲環境に起因する電磁界干渉（EMI）は、ポータブル低磁場MRIの画像品質にどのように影響するか？
• RQ3 高磁場MRIで深刻なアーティファクトを引き起こす金属インプラントは、低磁場撮影でも明確に可視化できるか？
• RQ4 電磁界干渉（EMI）および電源条件の変動が生じる複数の展開環境において、画像品質および信号対雑音比（SNR）は臨床的に許容できる水準を維持するか？
• RQ5 低コストでポータブルなMRIシステムは、どの程度ポイント・オブ・ケアおよび自宅医療の応用を支援できるか？

主な発見

• ポータブルな70 mT末梢MRIスキャナは、5つの異なる環境（MRI物理学ラボ、オフィス、発電機駆動の屋外、コンセント接続の屋外、自宅）で被検者の膝の3D-TSE画像を正常に取得した。
• すべてのスキャンは約12分で完了し、臨床的に許容可能なスキャン時間であった。
• 信号対雑音比（SNR）は、最もノイズの強い屋外環境（発電機駆動）で約11、自宅環境で約19の範囲にあり、両者とも診断評価に十分な水準であった。
• 変動するEMIスペクトルにもかかわらず、すべての画像で重要な解剖学的構造、組織コントラスト、金属性大腿骨インプラントの鋭い可視化が維持された。
• 通常の高磁場MRIで深刻な感受性アーティファクトを引き起こす金属インプラントが、すべての低磁場撮影で明確に定義された形状で可視化された。
• 輸送中のタイル張りの歩道走行やコネクタの緩みの再接続など、環境の変動に強く、輸送後のセットアップも最小限に抑えられた。