軽量3.0 T無冷媒MRIシステムの設計とテスト

工学 電気工学 医学 生命科学 バイオエンジニアリング 医用画像学
無冷媒MRIシステム 磁場安定性 小動物イメージング 材料分析 グラデーションコイル

軽量3.0 T液体ヘリウム不要MRIシステムの設計と試験

学術的背景

磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging, MRI）は、非侵襲的で放射線を使用しないイメージング技術として、医学診断や科学研究に広く応用されています。特に、小動物研究や材料分析分野では、高磁場MRIシステムがより高い空間分解能と豊富な組織コントラストを提供し、研究者に正確なイメージングデータを提供します。しかし、従来の3.0 T MRIシステムは液体ヘリウム冷却超伝導マグネットに依存しており、コストが高く、さらに液体ヘリウムの消費とメンテナンスが大きな経済的負担と環境影響をもたらしています。また、従来のMRIシステムは体積が大きく、設置や運転には広いスペースが必要であり、これが研究所や小型研究機関での利用を制限しています。

これらの問題を解決するために、近年、液体ヘリウム不要（cryogen-free）超伝導マグネット技術が注目されるようになりました。この技術は、効率的な伝導冷却経路と機械的減衰技術により、液体ヘリウムへの依存を排除し、システムの運用およびメンテナンスコストを大幅に削減します。しかし、液体ヘリウム不要MRIシステムは、特に高磁場条件下において、磁場の安定性や均一性に関して依然として課題があります。微小な磁場変動でも画像品質に著しい悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、軽量化、高性能、そして費用対効果の高い3.0 T液体ヘリウム不要MRIシステムの設計が現在のMRI技術開発における重要な方向性となっています。

論文出典

本論文はJinhao Liu、Miutian Wang*、Youheng Sun、Kaisheng Lin、Wenchen Wang、Yaohui Wang、Weimin Wang、Qiuliang Wang、Feng Liuによって共同執筆されました。研究チームは西安交通大学電気工学部、北京大学電子学院、北京大学未来技術学院生物医学工学科、クイーンズランド大学情報技術・電気工学部、中国科学院電工研究所に所属しています。本論文は2017年に『IEEE Transactions on Biomedical Engineering』誌に発表されました。

研究プロセスと結果

1. 液体ヘリウム不要超伝導マグネットの設計

研究チームはまず、約1100kgの軽量3.0 T液体ヘリウム不要超伝導マグネットを設計しました。磁場の長期的な安定性を確保するため、チームは熱伝導経路、振動隔離、機械的ダンピング、構造安定性の最適化を行いました。特に銅製の熱リングとアルミ製の熱放射シールドを採用することで、冷凍モーターによる磁場変動を減少させました。さらに、鋼製のネジを使用してマグネットベースを地面にしっかりと固定し、システム全体の構造安定性を向上させました。

2. 磁場の均一性と安定性の最適化

磁場の均一性を改善するため、研究チームは受動的および能動的なシェィミング技術を採用しました。受動的シェィミング法では、鉄片の配置を最適化し、180mm直径の球形体積（DSV）内でのピークtoピーク値とRMS誤差（RMSE）の均一性をそれぞれ22.41 ppmと3.69 ppmに低減しました。その後、アクティブシェィムコイルを使用してさらに4.18 ppmと1.02 ppmまで改善しました。

磁場の安定性に関しては、熱伝導経路と機械的減衰技術の最適化を通じて、磁場の変動幅を2.168 µTから0.004 µTに低減し、99.81%の減少を達成しました。高速フーリエ変換（FFT）解析により、最適化後の磁場変動は主に1 Hzの周波数に集中しており、これは冷頭の動作周波数と一致し、高次高調波の振幅も大幅に減少していることがわかりました。

3. 勾配コイルとRFコイルの設計

研究チームは、ピーク振幅200 mT/mの二層勾配コイルを設計し、高度なシールド技術により漏れ磁場を1.2ガウス以内に制限しました。さらに、小型動物のイメージング用に8チャンネル直交型バードケージRFコイルを開発しました。このコイルは無負荷時の共振周波数が131 MHzで、負荷後は127 MHzとなり、良好なRF磁場の均一性を示しました。

4. MRIシステムコンソールの開発

研究チームは、ソフトウェア定義無線（SDR）概念に基づき、自作のMRIコンソールを開発しました。このコンソールは、アナログフロントエンド-A/D-フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）-D/A-アナログフロントエンドのフレームワークを採用し、RF波形生成、勾配計算、データ保存、通信などの機能を実現しました。デジタルプリエンファシス技術により、勾配コイルが引き起こす渦電流を効果的に補償し、さらに画像品質を向上させました。

5. 動物と材料のイメージング実験

研究チームは、マウス脳イメージング実験において、高速スピンエコー（FSE）シーケンスとエコー平面拡散強調画像（EP-DWI）シーケンスを採用し、ナビゲーターエコー補正技術を用いて磁場変動による画像のアーティファクトを成功裏に除去しました。実験結果によると、このシステムはマウス脳の出血や梗塞領域を鮮明に表示でき、従来のMRIシステムよりも解像度と品質が大幅に向上していました。

さらに、研究チームは単一点イメージング（SPI）技術を使用してプラスチックギアの高解像度イメージングを行い、圧縮センシング（CS）技術を適用することでスキャン時間を10時間以上から約5時間に短縮しました。石油コア分析実験では、反転回復（IR）およびCarr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）シーケンスを使用してコアのT1-T2二次元スペクトルを取得し、石油採取や準備過程に関する詳細なパラメータ解析を提供しました。

結論と意義

本研究の特長は、軽量化かつ高性能な3.0 T液体ヘリウム不要MRIシステムを成功裏に設計・試験し、それが小動物のイメージングや材料分析において卓越したイメージング能力と安定性を示した点です。磁場の均一性と安定性を最適化し、先進的な勾配コイルとRFコイルを開発し、自作MRIコンソールを導入することで、研究チームは高磁場条件での液体ヘリウム不要MRIシステムの技術的課題を克服しました。このシステムの応用により、MRIシステムの運用およびメンテナンスコストを削減するとともに、脳科学研究、材料特性評価、産業検査など多岐にわたる分野での活用可能性を広げています。

研究のハイライト

  1. 磁場安定性の最適化：熱伝導経路の最適化と機械的減衰技術により、磁場変動幅を99.81%低減し、画像品質を大幅に向上。
  2. 磁場均一性の向上：受動的および能動的シェィミング技術を採用し、磁場均一性を4.18 ppmに向上し、高解像度イメージングに対応。
  3. 勾配コイルとRFコイルの設計：二層勾配コイルと直交型バードケージRFコイルの設計により、漏れ磁場を効果的に制限し、RF磁場の均一性を向上。
  4. MRIコンソールの開発：FPGAベースの自作コンソールにより、効率的なRF波形生成と勾配補償を実現し、システム性能をさらに向上。
  5. 応用価値：このシステムは、小動物脳イメージング、プラスチックギアの欠陥検出、石油コア分析での成功例を示し、科学研究および産業分野での幅広い可能性を提示。

その他の有益な情報

研究チームは、この液体ヘリウム不要MRIシステムが2023年8月以降継続して稼働しており、優れた安定性と信頼性を示していることを指摘しています。そのコンパクトなサイズと液体ヘリウム不要という特性により、特にスペースが限られた研究機関や高層ビルでの設置に適しており、MRIシステムのスペースおよび設置コストをさらに削減しています。今後、研究チームはシステムのスキャン効率をさらに最適化することを目指しており、特に圧縮センシング技術の加速係数の面で、イメージング速度と実用性をさらに向上させる計画です。

本研究を通じて、液体ヘリウム不要MRI技術は高磁場条件での応用において重要な一歩を踏み出し、MRI技術の普及と促進に新たな解決策を提供しました。