[논문 리뷰] A Portable Brain MRI Scanner for Underserved Settings and Point-Of-Care Imaging

Clarissa Cooley, Patrick C. McDaniel외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 27.

Advanced MRI Techniques and Applications참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 냉각제를 사용하지 않고 외부 전원이 필요 없는 소형 희토류 영구자석 할바흐 실린더 구조를 사용한 이식 가능하고 저자기장(80 mT) 뇌 MRI 스캐너를 제시한다. 내장된 기울기 코ils와 반복적 재구성 기법을 통해 자기장 비균일성을 보정함으로써 생체 내 뇌 영상에서 2.2 × 1.3 × 6.8 mm³ 해상도를 달성하여 기초 시설이 제한된 환경에서도 진료 현장에서의 사용이 가능하다.

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$^3$.

연구 동기 및 목표

• 기초의료 및 비상 상황에서 전통적인 MRI 장비의 높은 비용, 기초 시설 요구, 이동성 문제를 해결하기 위해.
• 최소한의 전력과 현장 요구 조건을 갖춘 경량 이식형 MRI 스캐너를 설계하여 진료 현장에서의 뇌 영상 가능성을 높이기 위해.
• 통합된 자기장 기울기 시스템을 통해 고출력 기울기 시스템에 대한 의존도를 줄여 소음과 냉각 요구를 낮추기 위해.
• 고급 영상 재구성 기법을 통해 저자기장 및 이식형 시스템에서도 진단 수준의 영상 품질을 유지하기 위해.
• 임상적으로 관련된 대조와 공간 해상도를 갖춘 생체 내 뇌 영상 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 스캐너는 냉각제나 외부 전원 없이도 80 mT의 정적 자기장을 생성하기 위해 122 kg의 희토류 영구자석을 할바흐 실린더 구조로 사용한다.
• 고출력 외부 기울기 드라이버에 대한 의존도를 줄이기 위해 자기장 기울기 코ils를 자석 구조에 내장한다.
• 일반화된 반복적 영상 재구성 기법을 사용하여 사전에 캐릭터화된 자기장 데이터를 바탕으로 주 자기장 및 기울기 자기장의 비균일성과 결함을 보정한다.
• T1-, T2-, 그리고 프로톤 밀도 가중 영상에 표준 스핀에코 및 기울기에코 시퀀스를 적용한다.
• 최적화된 RF 자극 및 기울기 인코딩을 통해 2.2 × 1.3 × 6.8 mm³의 공간 해상도를 확보한다.
• 산만한 자기장과 소음의 최소화를 통해 비이상적인 환경에서도 안전성과 사용성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비용이 많이 들고 기초 시설이 필요하며 이동성이 제한된 임상 및 저자원 환경에서 냉각제나 외부 전원 없이도 작동하는 이식 가능 저자기장 MRI 스캐너를 설계할 수 있는가?
• RQ2 내장된 기울기 코일은 이미지 품질을 유지하면서도 고출력 외부 기울기 시스템의 필요성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 반복적 재구성 기법은 소형 영구자석 MRI 시스템에서 자기장 비균일성을 얼마나 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ4 이러한 시스템은 생체 내 진단용 뇌 영상에 필요한 충분한 공간 해상도와 대조를 확보할 수 있는가?
• RQ5 이 스캐너는 중증 치료나 원격 환경에서의 진료 현장 사용에 실현 가능할까?

주요 결과

• 이식 가능 MRI 스캐너는 2.2 × 1.3 × 6.8 mm³ 공간 해상도로 생체 내 T1-, T2-, 프로톤 밀도 가중 뇌 영상을 확보하였다.
• 스캐너는 영구자석을 사용해 80 mT에서 작동하며, 냉각제나 연속적인 외부 전원이 필요 없다.
• 내장된 기울기 코일은 시스템의 전력 소모와 냉각 요구를 줄였고, 기존 시스템 대비 소음도 감소시켰다.
• 반복적 재구성 기법은 자기장 결함으로 인한 영상 왜곡을 효과적으로 보완하여 진단에 유용한 영상 품질을 달성하였다.
• 스캐너의 소형 경량 설계(122 kg)와 최소한의 기초 시설 요구 조건은 저자원 및 진료 현장 환경에서의 배치를 가능하게 하였다.
• 검증 결과, 이식 가능 저자기장 MRI 플랫폼에서 진단 수준의 신경 영상이 실현 가능함을 입증하였다.