[论文解读] A Portable Brain MRI Scanner for Underserved Settings and Point-Of-Care Imaging

Clarissa Cooley, Patrick C. McDaniel+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2020

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 27被引用 9

一句话总结

本文提出了一款便携式、低场强（80 mT）脑部磁共振成像扫描仪，采用紧凑型稀土永磁体哈尔巴赫圆柱结构设计，无需液氦冷却或外部供电。通过内置梯度线圈与迭代重建技术校正磁场不均匀性，实现了2.2 × 1.3 × 6.8 mm³的在体脑部成像分辨率，可在无基础设施限制的临床护理与低资源环境中应用。

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$^3$.

研究动机与目标

• 为解决传统磁共振成像系统在资源匮乏及重症监护环境中的高成本、基础设施依赖与移动性障碍问题。
• 通过设计轻量化、便携式磁共振成像扫描仪，实现对极低功耗与场地要求的临床护理脑部成像。
• 通过集成场强梯度线圈，降低对高功率梯度系统的需求，从而减少噪声与冷却需求。
• 通过先进图像重建技术，在低场强、便携式系统中保持诊断级图像质量。
• 通过临床相关对比度与空间分辨率验证扫描仪在在体神经成像中的可行性。

提出的方法

• 扫描仪采用122 kg的稀土永磁体以哈尔巴赫圆柱构型产生80 mT的静态磁场，无需液氦冷却或外部供电。
• 内置磁场梯度线圈集成于磁体结构中，降低对高功率外部梯度驱动器的依赖。
• 采用广义迭代图像重建技术，基于前期磁场表征，校正主磁场与梯度磁场中的非均匀性与不完美性。
• 系统采用标准自旋回波与梯度回波序列，实现T1加权、T2加权及质子密度加权成像。
• 通过优化射频激发与梯度编码，实现2.2 × 1.3 × 6.8 mm³的空间分辨率。
• 设计最大限度减少漏磁与声学噪声，提升在非理想环境中的安全性与可用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一种无需液氦或外部供电的便携式低场强磁共振成像扫描仪，以适用于临床与低资源环境？
• RQ2 如何通过内置梯度线圈减少对高功率外部梯度系统的需求，同时保持图像质量？
• RQ3 在紧凑型永磁体磁共振成像系统中，迭代重建技术在多大程度上可补偿磁场不均匀性？
• RQ4 该系统能否实现足够空间分辨率与对比度，以实现体内诊断级脑部成像？
• RQ5 该扫描仪是否适用于重症监护或偏远地区的临床护理环境？

主要发现

• 便携式磁共振成像扫描仪成功获取了在体T1加权、T2加权及质子密度加权脑部图像，空间分辨率达2.2 × 1.3 × 6.8 mm³。
• 系统在80 mT场强下运行，采用永磁体，无需液氦或持续外部供电。
• 内置梯度线圈降低了系统功耗与冷却需求，同时相比传统系统显著降低了声学噪声。
• 迭代重建技术有效缓解了由磁场缺陷引起的图像失真，实现了具有诊断价值的图像质量。
• 扫描仪紧凑轻便（122 kg），且对基础设施要求极低，支持在低资源与临床护理环境部署。
• 验证结果表明，该平台具备实现诊断级神经成像的可行性。