超高磁場動物MRIシステムの技術的更新

学術的背景

動物用磁気共鳴画像（MRI）システムは、臨床前研究において重要な地位を占めており、通常、従来の人間用MRIシステムよりも優れた画像性能を提供します。しかし、システムコンポーネントの多様性と統合デバッグの複雑さのため、これらのシステムの高性能を実現することは困難です。特に、超高磁場動物MRIシステムでは、極めて高い磁場強度と勾配磁場を生成する必要があり、同時に磁場の均一性と安定性を確保する必要があります。さらに、システムの設置、保守、デバッグにおいても、磁場シールド、機械的結合、熱管理など多くの側面を考慮する必要があります。市場にはすでにいくつかの商用動物MRIシステムが存在しますが、ハードウェア性能（超伝導磁石や勾配コイルなど）に関する最新の技術的更新については、詳細な報告が不足しています。

本論文は、Yaohui Wang、Guyue Zhou、Haoran Chen、Pengfei Wu、Wenhui Yang、Feng Liu、Qiuliang Wangらによって執筆され、2024年にnpj Imaging誌に掲載されました。研究チームは、中国科学院電気工学研究所、華中科技大学、クイーンズランド大学などの機関から構成されています。この論文では、7テスラ（T）の動物用MRIシステムの設計、製造、測定、統合プロセスを詳細に説明し、超伝導磁石と勾配コイルにおける技術的なハイライトを紹介しています。

研究のプロセスと結果

1. 超伝導磁石の設計

研究チームは、アクティブシールド方式の7T動物用MRI超伝導磁石を設計し、NbTi超伝導線を使用して巻線しました。磁石コイル構造は、4つの並列ソレノイドコイルを含み、これらのコイルは主磁場強度に寄与するだけでなく、中心磁場分布の不均一な高調波成分を大幅に減少させ、10 ppm（百万分の一）の均一性を持つ磁場領域を形成しました。従来の二重コイルシールドパターンとは異なり、この磁石は三コイルシールドパターンを採用し、5ガウス線の範囲を軸方向で±2.95メートル、半径方向で±1.85メートルに縮小し、商用システムの±3メートルと±2メートルを上回りました。このコンパクトなシールド設計により、システムの設置と保守が容易になりました。

2. 勾配コイルの設計

勾配コイルの設計では、ローレンツ力を最小化する戦略を採用し、超高静磁場環境下で勾配コイルの残留力を0.1ニュートン未満に抑えました。超シールド最適化戦略により、勾配コイルの最大漏洩磁場強度は4ガウスに最小化されました。勾配コイルの磁場強度は200 mT/mで、均一性は±2.5%です。さらに、勾配コイルのスルーレート（slew rate）は、最適化設計により、Z軸で503.9357 T/m/s、X軸で1070.3454 T/m/s、Y軸で929.9312 T/m/sに達しました。

3. 磁石の測定とシム調整

磁石は7.02 Tの磁場強度で測定され、磁場ロックは核磁気共鳴（NMR）プローブを使用して行われました。7時間以上の連続サンプリング後、磁場強度の減衰率は0.0494 ppm/hと測定され、MRIアプリケーションに十分な安定性を示しました。その後、研究チームは超伝導シムコイルとパッシブシム鉄片を使用して磁場を均一化し、最終的に130ミリメートルの球体体積内で磁場均一性を7.66 ppmに改善しました。

4. システム統合とデバッグ

研究チームは、MRIシステムのデバッグ用に専用の画像処理ソフトウェアパッケージを開発しました。このソフトウェアは、脂肪抑制、水抑制、動的増強スキャン、運動アーチファクト抑制、拡散画像、血管画像など、さまざまなパルスシーケンスをサポートしています。このソフトウェアを使用して、研究チームはファントム、果物、生物体の磁気共鳴画像を取得することに成功しました。例えば、スピンエコー（SE）シーケンスを使用してファントムとオレンジの画像を取得し、信号対雑音比（SNR）は167.6に達しました。さらに、研究チームはラット実験を行い、ラットの頭部の生理構造を明らかにする画像を取得し、目立つアーチファクトや外部ノイズの干渉は観察されませんでした。

結論と意義

本研究では、7T動物用MRIシステムの開発に成功し、超伝導磁石と勾配コイルにおける技術的なハイライトを紹介しました。磁石の超シールド設計により、5ガウス線の範囲が大幅に縮小され、システムの安全性と利便性が確保されました。超伝導シムとパッシブシムを組み合わせることで、磁場均一性は7.66 ppmに達し、磁場安定性は0.0494 ppm/hとなり、標準的なMRI操作に十分な性能を発揮します。勾配コイルの設計では、ローレンツ力と漏洩磁場を最小化することで、システムの機械的安全性と画像品質が確保されました。

このシステムの開発は、動物モデルの科学研究に強力なプラットフォームを提供し、特に超高磁場MRI技術のハードウェア更新において重要な科学的価値と応用の可能性を持っています。今後、研究チームはシステムの機能をさらに最適化し、より多くの科学的成果を生み出すことを目指します。

研究のハイライト

1. 超シールド設計：磁石の三コイルシールドパターンにより、5ガウス線の範囲が大幅に縮小され、商用システムを上回りました。
2. 磁場均一性と安定性：超伝導シムとパッシブシムを組み合わせることで、磁場均一性は7.66 ppm、安定性は0.0494 ppm/hに達しました。
3. 勾配コイルの最適化：ローレンツ力と漏洩磁場を最小化し、システムの機械的安全性と画像品質を確保しました。
4. 専用画像処理ソフトウェア：さまざまなパルスシーケンスをサポートし、ファントム、果物、生物体の高品質な画像を取得することに成功しました。

その他の価値ある情報

研究チームは、超伝導磁石と勾配コイルの設計パラメータ（コイル寸法、電流密度、磁場均一性など）を詳細に説明し、関連分野の研究者にとって貴重な技術的参考資料を提供しました。さらに、研究チームが開発した専用画像処理ソフトウェアと統合プラットフォームは、今後の機能拡張と最適化の基盤となります。

本研究は、超高磁場動物MRIシステムのハードウェア設計と統合において重要な進展を遂げ、臨床前研究に強力な技術的支援を提供します。