[논문 리뷰] Portable magnetic resonance imaging of patients indoors, outdoors and at home

Teresa Guallart‐Naval, José Miguel Algarín외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 07.

Advanced MRI Techniques and Applications참고 문헌 56인용 수 61

한 줄 요약

이 연구는 영구 자석으로 구성된 할바흐 자석을 기반으로 한 저비용이자 이동성이 뛰어난 70 mT의 말초 MRI 스캐너를 개발하여, 실험실, 사무실, 야외, 집 등 다양한 환경에서 인간 무릎의 생체 내 영상을 촬영할 수 있도록 하였다. 진단적 영상 품질을 손상시키지 않고도 실현 가능하며, 다양한 전자기 간섭과 전원 공급 조건에도 불구하고 모든 스캔에서 임상적으로 타당한 신호 대 잡음비(SNR ≈11–19)를 확보하고 해부학적 구조와 금속성 식입물을 명확히 시각화하였다. 이는 기존의 임상 환경을 벗어난 접근성 있고 현장에서 활용 가능한 MRI의 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통제된 임상 환경 외부에서 기능할 수 있는 저비용·이동식 MRI 시스템을 개발하는 것.
• 다양한 실제 환경(실내 사무실, 야외 장소, 집 환경 포함)에서 저장력 말초 MRI 스캐너의 진단적 영상 품질을 평가하는 것.
• 고장력 MRI에서 심각한 아티팩트를 유발하는 금속성 식입물이 저장력 촬영에서 명확하게 시각화될 수 있음을 입증하는 것.
• 다양한 전자기간섭(EMI) 및 전원 공급 조건(배터리 및 발전기 운영 포함) 하에서 시스템 성능을 평가하는 것.
• 기존 고장력 시스템의 한계를 극복하여 현장 진료 및 가정의료용 MRI를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 20 cm 구형 부피 내에서 균일한 자기장을 생성하기 위해 맞춤 제작된 70 mT 영구 자석을 할바흐 구조로 사용.
• 약 3.07 MHz(70 mT에서 수소 라르마 주파수)에 튜닝된 단일 RF 송수신 코ils를 사용하여 신호를 자극하고 수신.
• 오픈소스 MaRCoS 플랫폼을 기반으로 한 제어 전자장치를 사용하여 유연한 시퀀스 제어 및 실시간 데이터 수집을 구현.
• 이동성을 확보하기 위해 바퀴를 장착한 이동식 구조(총 무게 ≈250 kg)에 스캐너를 장착.
• 모든 영상은 일관된 파rameter를 가진 3D 터보 스핀 에코(3D-TSE) 시퀀스를 사용하여 촬영.
• 이미지 재구성 및 후처리는 표준 MRI 기법을 사용하였으며, 고급 노이즈 제거나 슈퍼레졸루션 기법은 적용하지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저장력·이동식 MRI 스캐너가 집이나 야외와 같이 통제되지 않은 비임상 환경에서도 진단적으로 유용한 영상을 생성할 수 있는가?
• RQ2 다양한 전원 공급원과 환경에서 발생하는 전자기간섭(EMI)이 이동식 저장력 MRI의 영상 품질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고장력 MRI에서 심각한 아티팩트를 유발하는 금속성 식입물이 저장력 촬영에서 명확하게 시각화될 수 있는가?
• RQ4 다양한 EMI 및 전원 공급 조건에서의 여러 배치 환경에서도 영상 품질과 신호 대 잡음비(SNR)가 임상적으로 타당한 수준을 유지하는가?
• RQ5 저비용·이동식 MRI 시스템이 현장 진료 및 가정의료 응용에 얼마나 널리 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 이동식 70 mT 말초 MRI 스캐너는 자율성 있는 봉사자 무릎의 3D-TSE 영상을 다섯 가지 다른 환경에서 성공적으로 촬영하였다: MRI 물리 실험실, 사무실, 발전기로 구동된 야외, 전원 콘센트가 있는 야외, 그리고 집.
• 모든 스캔은 약 12분 이내에 완료되어 임상적으로 타당한 스캔 시간을 충족하였다.
• 신호 대 잡음비(SNR)는 가장 큰 전자기간섭이 있는 야외 환경(발전기 구동)에서 약 ≈11에서 가장 낮고, 집 환경에서는 약 ≈19까지 범위를 보였으며, 모두 진단 평가에 충분하였다.
• 다양한 EMI 스펙트럼에도 불구하고 모든 영상에서 핵심 해부학적 구조, 조직 대비, 그리고 금속성 대퇴골 식입물의 선명한 시각화를 유지하였다.
• 기존 고장력 MRI에서 심각한 자화율 아티팩트를 유발하는 금속성 식입물이 모든 저장력 촬영에서 선명하게 정의되어 나타났다.
• 운반 중 타일 바닥을 이동하거나 느슨한 커넥터 재연결과 같은 환경 변화에 대해 높은 내구성을 보였으며, 이동 후 최소한의 설정 조정만으로도 복구되었다.