[논문 리뷰] 3He Lung Imaging in an Open Access, Very-Low-Field Human MRI System

R. W. Mair, Mirko I. Hrovat외 8명|ArXiv.org|2004. 03. 18.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 간단한 전자석을 사용한 개방형 기하학적 구조를 가진 저비용, 개방형, 매우 낮은 자기장(5 mT 이하) MRI 시스템을 이용해 체내 3He 폐 영상 촬영을 수행한다. 이 시스템은 수면자세와 우각자세와 같은 다양한 환자 위치에서 기능적 폐 영상 촬영을 가능하게 하여 기존 고자기장 MRI의 중력 관련 제약을 극복하며, 한 명의 자원자로부터 2차원 영상에서 4 mm의 평면 해상도를 달성하였다.

ABSTRACT

The human lung and its functions are extremely sensitive to gravity, however the conventional high-field magnets used for most laser-polarized 3He MRI of the human lung restrict subjects to lying horizontally. Imaging of human lungs using inhaled laser-polarized 3He gas is demonstrated in an open-access very-low-magnetic-field (< 5 mT) MRI instrument. This prototype device employs a simple, low-cost electromagnet, with an open geometry that allows variation of the orientation of the imaging subject in a two-dimensional plane. As a demonstration, two-dimensional lung images were acquired with 4 mm in-plane resolution from a subject in two orientations: lying supine, and sitting in a vertical position with one arm raised. Experience with this prototype device will guide optimization of a second-generation very-low-field imager to enable studies of human pulmonary physiology as a function of subject orientation.

연구 동기 및 목표

• 비전통적인 환자 위치에서 체내 3He 폐 영상 촬영에 적합한 저비용, 개방형 MRI 시스템을 개발하는 것.
• 기존 고자기장 MRI가 수면자세에 국한되어 환자 위치 제약을 초래함에 따라 폐 기능의 중력 의존성 연구를 제한하는 문제를 해결하는 것.
• 레이저 극화된 3He 기체를 통기성 대조제로 사용하여 환자 위치에 따른 인간 폐 생리학을 영상 촬영하는 것.
• 간단한 저자기장 전자석을 이용한 개방형 기하학적 구조가 진단 수준의 폐 영상 촬영에 적합한지의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 수평형 베어링 구조를 가진 매우 낮은 자기장(5 mT 이하) MRI 시스템을 사용하여 유연한 환자 위치 조절을 가능하게 한다.
• 자체 제작한 저비용 전자석을 활용하여 3He MRI에 적합한 안정적이고 균일한 자기장을 생성한다.
• T2*-가중 영상 시퀀스에서 폐 신호를 향상시키기 위해 레이저 극화된 3He 기체를 통기성 대조제로 투여한다.
• 2차원 영상 시퀀스를 구현하여 평면 해상도 4 mm로 기능적 폐 통기 패턴을 캡처한다.
• 수면자세와 한쪽 팔을 들어 올린 우각자세의 두 가지 다른 환자 위치에서 영상 촬영을 수행하여 중력 영향을 평가한다.
• 프로토타입 시스템을 활용하여 두 번째 세대의 매우 낮은 자기장 영상 장치를 개선하고 폐 생리학 연구에 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5 mT 이하의 매우 낮은 자기장 강도를 가진 매우 낮은 자기장, 개방형 MRI 시스템에서 3He 폐 영상 촬영이 성공적으로 수행될 수 있는가?
• RQ2 이 시스템의 개방형 기하학적 구조가 우각자세 및 수면자세에서 폐 통기 영상 촬영에 의미 있는 기여를 할 수 있는가?
• RQ3 레이저 극화된 3He 기체가 이러한 낮은 자기장 강도에서 진단 수준의 폐 영상 촬영에 필요한 신호 대 잡음비(SNR)를 제공할 수 있는가?
• RQ4 환자 위치가 이 저자기장 시스템에서 3He MRI로 시각화된 통기 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 저비용, 개방형 MRI 시스템이 폐 기능의 중력 의존적 변화를 연구하는 데 실용적인 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입 매우 낮은 자기장 MRI 시스템은 한 명의 환자에서 평면 해상도 4 mm로 2차원 3He 폐 영상 촬영에 성공하였다.
• 수면자세와 우각자세 모두에서 영상 촬영이 가능하여 중력 의존적 통기 패턴 연구의 가능성을 입증하였다.
• 낮은 자기장 강도에도 불구하고 레이저 극화된 3He 기체가 기능적 폐 영상 촬영에 필요한 충분한 신호를 제공하였다.
• 시스템의 개방형 설계 덕분에 수면자세 외에도 앉아서 한쪽 팔을 들어 올린 자세와 같은 비수면자세에서도 안전하고 실용적인 스캔이 가능하였다.
• 이 결과는 저비용, 매우 낮은 자기장 MRI가 환자 위치에 따른 폐 생리학 연구에 실용적으로 활용될 수 있음을 검증하였다.
• 본 연구는 종단적 및 중력 의존적 폐 기능 연구에 최적화된 두 번째 세대 시스템 개발의 기초를 제공한다.