[论文解读] Portable Low-cost MRI System based on Permanent Magnets/Magnet Arrays

Shao Ying Huang, Zhi Hua Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2018

Advanced MRI Techniques and Applications被引用 4

一句话总结

本文综述了采用永磁体或磁体阵列作为主磁场源的便携式、低成本磁共振成像（MRI）系统，实现了床旁和资源有限环境下的医学影像。通过利用非线性梯度场和先进的重建技术，该方法降低了对高场均匀性的依赖，从而实现紧凑、轻便且免维护的扫描仪，适用于头部等较大解剖结构的成像。

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.

研究动机与目标

• 探讨将永磁体或磁体阵列作为便携式和低成本磁共振成像系统主磁场源的可行性。
• 解决在微型化磁共振扫描仪中实现足够成像体积和磁场均匀性的挑战。
• 综述近年来在非线性梯度场编码和重建技术方面的进展，以减少对均匀磁场的依赖。
• 全面概述磁体构型、磁场分布及其与射频线圈和重建方法的集成。
• 识别实现真正便携式、低成本磁共振成像系统所面临的关键技术挑战和未来研究方向。

提出的方法

• 采用永磁体或磁体阵列作为静磁场（B0）的主要来源，消除了对电源和液氦冷却的需求。
• 采用非线性梯度场进行空间编码，突破了传统对磁场梯度线性变化的要求。
• 应用先进的图像重建算法，可处理非均匀和非线性的磁场分布，实现在无需高均匀性的条件下进行空间编码。
• 分析磁体几何形状、磁场分布与图像质量之间的相互作用，重点关注适用于头部和全身成像的磁场分布模式。
• 综述了各种磁体阵列构型（如Halbach阵列、定制排列）在紧凑性、磁场强度和空间编码能力方面的优化。
• 考虑了与永磁体系统非均匀磁场环境相适配的射频（RF）线圈和信号接收策略的集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计永磁体阵列，以在不依赖高均匀性的情况下提供足够且可用的磁场分布用于磁共振成像？
• RQ2 在便携式磁共振成像系统中，磁体尺寸、重量、磁场强度与成像体积之间的权衡关系是什么？
• RQ3 当传统线性梯度不可行时，非线性梯度场在磁共振成像中实现有效空间编码的潜力有多大？
• RQ4 哪些图像重建技术在处理永磁体阵列产生的非均匀磁场分布时最为有效？
• RQ5 在开发真正便携式、低成本且临床可行的磁共振成像系统时，采用永磁体面临的关键技术与实际挑战有哪些？

主要发现

• 即使磁场不均匀，非线性梯度场也能有效编码磁共振成像中的空间信息，从而支持使用紧凑型永磁体系统的应用。
• 特别是Halbach构型的永磁体阵列，可生成定制化的磁场分布，支持对临床相关体积（如人体头部）的成像。
• 先进的重建算法（包括压缩感知和迭代方法）显著提升了在非均匀磁场下采集数据的图像质量。
• 采用永磁体可消除对电源、冷却系统和维护的需求，使系统特别适用于床旁和资源有限的环境。
• 磁体阵列中的磁场不均匀性和空间非线性性虽需精心设计与校准，但结合稳健的重建方法，仍可实现诊断级成像质量。
• 近期进展已展示出概念验证系统，仅使用永磁体和非线性梯度场即可生成脑部的T1加权和T2加权图像。