[논문 리뷰] Portable Low-cost MRI System based on Permanent Magnets/Magnet Arrays

Shao Ying Huang, Zhi Hua Ren외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 24.

Advanced MRI Techniques and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 영구자석 또는 자석 어레이를 주요 자기장 원천으로 사용하는 이동식이자 저비용의 MRI 시스템을 검토한다. 이는 환자 진료 현장 및 자원이 제한된 환경에서의 영상 촬영을 가능하게 한다. 비선형 기울기 필드와 고도의 재구성 기법을 활용함으로써 고른 자기장 균일도가 요구되지 않게 되어, 더 큰 해부학적 부위(예: 머리)의 영상 촬영이 가능한 소형, 경량, 유지보수 불필요한 스캐너를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 영구자석 또는 자석 어레이를 이동식 및 저비용 MRI 시스템의 주요 자기장 원천으로 사용할 수 있는지 탐색하는 것.
• 소형화된 MRI 스캐너에서 충분한 영상 부피와 자기장 균일도를 확보하는 데 직면한 과제를 해결하는 것.
• 균일한 자기장에 의존도를 줄이는 비선형 기울기 필드 인코딩 및 재구성 기법의 최근 발전을 검토하는 것.
• 자석 구성, 자기장 패턴, 그리고 RF 코ils 및 재구성 방법과의 통합에 대한 종합적 개요를 제공하는 것.
• 진정으로 이동식이며 저비용인 MRI 시스템을 실현하기 위한 핵심 기술적 과제와 향후 연구 방향을 규명하는 것.

제안 방법

• 정적 자기장(B0)의 주요 원천으로 영구자석 또는 자석 어레이를 사용하여 전원 및 냉각제가 필요 없도록 한다.
• 기존의 기울기 필드의 선형 변화 요구 조건을 초월하여 비선형 기울기 필드를 사용해 공간 인코딩을 수행한다.
• 비균일하고 비선형적인 자기장 패턴을 처리할 수 있는 고도의 이미지 재구성 알고리즘을 적용하여, 높은 균일도 없이도 공간 인코딩을 가능하게 한다.
• 자석 기하학, 자기장 분포, 영상 품질 간의 상호작용을 분석하며, 머리 및 신체 영상에 적합한 자기장 패턴에 초점을 맞춘다.
• 소형화, 자기장 강도, 공간 인코딩 능력 측면에서 최적화된 다양한 자석 어레이 구성(예: 할바흐 어레이, 맞춤형 배열)을 검토한다.
• 영구자석 시스템의 비균일한 자기장 환경에 맞춰진 고도의 RF 코ils 및 신호 수신 전략 통합을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고르지 않은 균일도가 요구되지 않는 조건에서, 영구자석 어레이는 어떤 방식으로 임상적으로 유의미한 자기장 프로파일을 제공할 수 있는가?
• RQ2 이동식 MRI 시스템에서 자석 크기, 무게, 자기장 강도, 영상 부피 간의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 기존의 선형 기울기 필드를 사용할 수 없는 상황에서, 비선형 기울기 필드가 MRI에서 효과적인 공간 인코딩을 얼마나 잘 수행할 수 있는가?
• RQ4 영구자석 어레이는 비균일한 자기장 패턴을 생성하기 때문에, 이를 처리하는 데 가장 효과적인 이미지 재구성 기법은 무엇인가?
• RQ5 진정으로 이동식이며 저비용이고 임상적으로 실용적인 MRI 시스템을 영구자석을 사용해 개발하는 데 직면한 핵심 기술적 및 실용적 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 비선형 기울기 필드는 자기장이 균일하지 않은 상황에서도 효과적으로 공간 정보를 인코딩할 수 있어, 소형 영구자석 시스템의 사용을 가능하게 한다.
• 특히 할바흐 구조를 포함한 영구자석 어레이는 인간의 머리와 같은 임상적으로 중요한 부위의 영상 촬영을 지원할 수 있도록 맞춤형 자기장 패턴을 생성할 수 있다.
• 압축 센싱 및 반복적 방법을 포함한 고도의 재구성 알고리즘은 비균일한 자기장에서 확보된 데이터로부터 영상 품질을 크게 향상시킨다.
• 영구자석의 사용은 전원, 냉각, 유지보수의 필요성을 제거하여, 환자 진료 현장 및 자원이 제한된 환경에서 이상적인 시스템을 만든다.
• 자석 어레의 자기장 비균일성과 공간적 비선형성은 주의 깊은 설계와 校정이 필요하지만, 견고한 재구성 기법과 결합하면 진단 수준의 영상 촬영을 방해하지 않는다.
• 최근의 발전은 오직 영구자석과 비선형 기울기 필드만을 사용하여 뇌의 T1-가중 및 T2-가중 영상을 생성할 수 있는 개념 증명 시스템을 보여주었다.