[论文解读] 3He Lung Imaging in an Open Access, Very-Low-Field Human MRI System

R. W. Mair, Mirko I. Hrovat+8 more|ArXiv.org|Mar 18, 2004

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 32被引用 4

一句话总结

本研究在低成本、开放式、极低场（低于5 mT）的磁共振成像系统中，利用结构简单的电磁铁实现了体内3He肺部成像。该系统可在多种体位（如仰卧和直立）下实现功能性的肺部成像，克服了传统高场强MRI在重力影响下的限制，单名志愿者的二维图像中实现了4 mm的平面分辨率。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、开放式磁共振成像系统，适用于非传统体位下的体内3He肺部成像。
• 克服传统高场强MRI的局限性，后者限制受试者仅能保持仰卧体位，从而限制了对重力依赖性肺功能的研究。
• 利用激光极化3He气体作为通气对比剂，实现人体肺部生理功能随体位变化的成像。
• 验证使用结构简单、低场强电磁铁实现开放结构的诊断级肺部成像的可行性。

提出的方法

• 采用极低场（低于5 mT）磁共振成像系统，具有开放式水平孔道设计，以实现灵活的受试者体位。
• 使用自主研发的低成本电磁铁，生成稳定且均匀的磁场，适用于3He磁共振成像。
• 通过吸入激光极化的3He气体作为通气对比剂，增强T2*-加权成像序列中的肺部信号。
• 实施平面分辨率为4 mm的二维成像序列，以捕捉功能性肺通气模式。
• 在两种不同体位下采集图像：仰卧位和直立位（单臂上举），以评估重力对通气的影响。
• 利用原型系统指导第二代极低场成像仪的设计改进，以优化用于肺部生理学研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在场强低于5 mT的极低场、开放式磁共振成像系统中成功实现3He肺部成像？
• RQ2 该系统的开放式结构是否允许在直立和仰卧体位下实现有意义的肺通气成像？
• RQ3 激光极化的3He气体是否能在如此低的场强下提供足够的信噪比以实现诊断级肺部成像？
• RQ4 在该极低场系统中，受试者体位如何影响通过3He磁共振成像所显示的通气分布？
• RQ5 低成本、开放式磁共振成像系统能否作为研究重力依赖性肺功能变化的可行平台？

主要发现

• 原型极低场磁共振成像系统成功在人体受试者中获取了平面分辨率为4 mm的2D 3He肺部图像。
• 成像在仰卧和直立体位下均得以实现，证明了该系统研究重力依赖性通气模式的能力。
• 尽管磁场强度极低，激光极化的3He气体仍提供了足够的信号用于功能性肺部成像。
• 系统的开放式设计使得在非仰卧体位（包括单臂上举的坐姿）下安全且实际地进行扫描成为可能。
• 结果验证了使用低成本、极低场磁共振成像系统进行涉及体位变化的肺部生理学研究的可行性。
• 本研究为开发第二代优化用于纵向研究和重力依赖性肺功能研究的系统奠定了基础。