[论文解读] Portable magnetic resonance imaging of patients indoors, outdoors and at home

Teresa Guallart‐Naval, José Miguel Algarín+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 56被引用 61

一句话总结

本研究展示了一款基于永磁体排列的70 mT便携式肢体MRI扫描仪，成本低廉，可在实验室、办公室、户外及家中等多种环境中实现人体膝关节的在体成像，且诊断图像质量不受影响。尽管存在不同的电磁干扰和电源条件，所有扫描均达到了临床可用的信噪比（SNR ≈11–19），并清晰显示了解剖结构与金属植入物，证明了在传统临床环境之外实现可及性、床旁MRI的可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可在受控临床环境之外运行的低成本、便携式MRI系统。
• 评估低场肢体MRI扫描仪在多种真实世界环境（包括室内办公室、户外场所及家庭环境）中的诊断图像质量。
• 证明在高场MRI中会引起严重伪影的金属植入物在低场成像中仍能清晰可视化。
• 评估系统在不同电磁干扰（EMI）和电源条件（包括电池与发电机供电）下的性能表现。
• 通过克服传统高场系统局限，实现床旁及家庭医疗护理中的MRI应用。

提出的方法

• 系统采用自研的70 mT永磁体，呈Halbach排列，可在20 cm球形区域内产生均匀磁场。
• 使用一个中心频率约为3.07 MHz（70 mT下质子拉莫频率）的单通道射频发射/接收线圈，用于信号激励与接收。
• 控制电子系统基于开源MaRCoS平台，支持灵活的序列控制与实时数据采集。
• 扫描仪安装于带轮移动支架上（总重≈250 kg），可在不同地形与环境中灵活移动。
• 所有图像均采用参数一致的3D快速自旋回波（3D-TSE）序列获取，覆盖所有环境场景。
• 图像重建与后处理采用标准MRI技术，未使用高级去噪或超分辨率算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 低场便携式MRI扫描仪是否能在非受控、非临床环境（如家庭与户外）中生成具有诊断价值的图像？
• RQ2 来自不同电源与环境背景的电磁干扰（EMI）如何影响便携式低场MRI的图像质量？
• RQ3 在高场MRI中会引起严重伪影的金属植入物，是否能在低场成像中清晰可视化？
• RQ4 在不同EMI与电源条件下的多种部署场景中，图像质量与信噪比（SNR）是否仍保持临床可接受水平？
• RQ5 低成本便携式MRI系统在多大程度上可支持床旁与家庭医疗护理应用？

主要发现

• 该便携式70 mT肢体MRI扫描仪成功在五种不同环境中获取了志愿者膝关节的3D-TSE图像：MRI物理实验室、办公室、使用发电机供电的户外环境、使用市电插座的户外环境，以及家中。
• 所有扫描均在约12分钟内完成，符合临床可接受的扫描时间。
• 信噪比（SNR）在最嘈杂的户外环境（发电机供电）中约为11，在家中环境中约为19，均足以满足诊断评估需求。
• 尽管电磁干扰频谱各异，所有图像均保持了关键解剖结构、组织对比度，以及对金属股骨植入物的清晰显示。
• 该金属植入物在标准高场MRI中通常会引起严重磁敏感伪影，但在所有低场成像中均呈现清晰锐利的轮廓。
• 系统表现出对环境变化的强健性，包括在瓷砖地面上运输及重新连接松动连接器后，仅需极少重新设置即可恢复运行。