NAT BME:用于脑部磁共振成像的便携式扫描仪

神经系统疾病是全球第二大死亡原因，也是致残的主要原因 。磁共振成像（MRI）是评估这些疾病的参考标准，磁共振利用软组织对比成像颅内解剖结构。然而核磁共振扫描仪价格昂贵，需要特殊的基础设施，而且不能移动。 本文开发一种便携式、低成本的脑成像MRI设备，可以扩大MRI神经成像的使用范围，并使护理点（POC）诊断成为可能。在急诊医学中，神经成像是核磁共振检查的主要检查方式。例如，POC-MRI可以检测到颅内压升高的细微迹象，这些迹象与头部外伤、中风、血肿或脑积水有关。神经重症监护病房的危重病人也有类似的需求。将这些不稳定的病人运送到固定的核磁共振扫描仪上是很困难或不安全的。这些负担可以通过POC床边MRI扫描仪解决。总的来说，一个便携式核磁共振头部扫描仪能够在中心放射科之外进行经济高效的操作，它可以通过检测时间紧迫的病理和通知POC的临床管理来改善患者的预后。

头部专用永磁体由稀疏排列的钕（NdFeB）稀土磁体组成，呈哈尔巴赫柱面结构。哈尔巴赫圆柱体的B0方向与圆柱体轴线横向。 将B0方向定义为z方向，并沿圆柱体轴标记y方向。理想的偶极Halbach结构由永磁段组成，其磁化方向为绕圆柱方位20旋转4π。这导致磁体内部横向磁场均匀，磁体外部磁场为零。本质自屏蔽设计是便携式应用的理想选择，杂散场会对操作和安全造成危害。此外，与其他永磁体设计不同，Halbach磁体不需要重型、高磁导率（铁/钢）磁轭来引导磁通线，从而产生有效的强度重量比。内置的梯度设计降低了磁铁成本和尺寸，并显著降低了整个系统的电源/冷却需求和噪音。所构建的磁体组件长度为49 cm，外径为57 cm，内径为35 cm，肩部的孔进入直径为27 cm。磁体使用80 kg钕铁硼材料，构造的组件重量为122 kg。B0场在目标直径为20厘米的球形体积上平均为80公吨，包含7.6公吨的内置读数梯度。

当磁铁的内置磁场变化用于x维图像编码时，使用可切换梯度线圈进行y和z方向的相位编码。梯度线圈的效率得益于紧凑的、几何形状以无屏蔽绕组。这种屏蔽层通常用于防止超导磁体和低温恒温器导电部件上的涡流。由于钕铁硼磁体是由烧结材料制成的，不支持显著的感应涡流，消除了对屏蔽层的需要。与传统的B0扫描相比，梯度扫描和B0扫描的梯度噪声要低得多。 内置的梯度排除了梯度回波的标准形成，从而限制了基于自旋回波序列的MRI采集方法。与高场MRI相比，低B0场导致低射频加热和更长的自旋相干时间（T2弛豫时间）。虽然本文演示了一种利用内置梯度作为读出梯度的三维（3D）编码方法，但也可以将该梯度用作二维（2D）成像的切片选择梯度，其相位编码用于平面内编码。使用MATLAB（MathWorks）和图形处理单元（gpu）实现的迭代共轭梯度算法求解图像。与广义重建技术的比较表明，利用编码场的先验信息可以实现失真的改善。然而，一些图像失真仍然存在于Gx线性较小的边缘。

但是，广义重建算法并没有完全解决图像失真问题。非线性和由此产生的误差在永久读出梯度Gx中最为严重，其在17cm圆形感兴趣区的平均误差为6.8%，最大误差为46.6%。这导致图像中体素的非线性映射，为了提高重建模型的精度，在数据采集过程中，场探针可用于跟踪B0场的全局或局部变化。

总之，本文设计了一种专门的便携式脑成像设计，而不是通用的全身诊断设备。头部相对于躯干的较小尺寸自然有助于缩小扫描仪的尺寸，有助于实现仅适合头部周围的小直径、短孔设计。其次，使用一个由优化的稀土材料阵列组成的低场磁体来产生静态B0场。避免了低温和外部电流源的需要。与超低场下严重的信噪比损失相比，50-200毫安时范围内的低场磁铁为POC应用所需的信噪比、安全性、成本和占地面积提供了一个可行的折衷方案。第三，没有将B0磁体设计成均匀的，而是在图像编码中加入了空间场变化。这使得磁铁尺寸减小，并且消除了对传统读出梯度电磁系统的需要，降低了扫描仪的噪声、功率和冷却要求。最后，利用摩尔定律来放松硬件限制，并用先进的图像重建方法解决由此产生的问题，有效地将负担从硬件转移到软件。

Cooley, C.Z., McDaniel, P.C., Stockmann, J.P. et al. A portable scanner for magnetic resonance imaging of the brain. Nat Biomed Eng (2020). https://doi.org/10.1038/s41551-020-00641-5