Combined ultra-low-field MRI and MEG: instrumentation and applications

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Ilmoniemi, Risto, Academy Prof., Aalto University, Finland
dc.contributor.author Vesanen, Panu
dc.date.accessioned 2013-05-20T09:00:27Z
dc.date.available 2013-05-20T09:00:27Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5178-9 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5177-2 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10181
dc.description.abstract Magnetic resonance imaging (MRI) is a noninvasive method that allows the study of the interior structure of matter. Today, MRI is widely used in medical diagnosis and research, thanks to its versatile contrast and the lack of ionizing radiation. Conventionally, the signal-to-noise ratio of an MRI measurement scales with the strength of the applied magnetic field. This has driven the development of MRI scanners towards fields of 3 T and above. Ultra-low-field (ULF) MRI is an emerging technology that uses microtesla-range magnetic fields for image formation. The low signal-to-noise ratio is partly compensated for by prepolarizing the sample in a field of 1 – 200 mT and using superconducting quantum interference devices (SQUIDs) for signal detection. Advantages of ULF MRI include unique low-field contrast mechanisms, flexibility in the sequence design, and the possibility to construct a silent scanner with an open geometry. ULF MRI is also compatible with magnetoencephalography (MEG), which uses SQUIDs to record the magnetic field produced by neuronal activity. With a hybrid scanner combining MEG and MRI, both the structure and function of the human brain can be studied with a single device. In this Thesis, a hybrid MEG-MRI device was designed, constructed, and tested. The system is based on a commercial whole-head MEG device that was modified to accommodate ULF-MRI functionality. In particular, the effects of the various magnetic fields applied inside a magnetically shielded room were studied. To prevent the harmful effects of the eddy currents caused by changing magnetic fields, a self-shielded polarizing coil was designed and constructed. Moreover, the conventional SQUID design was modified in order to develop sensor modules that tolerate the relatively strong polarizing field. Finally, the device was used to measure MEG data and ULF-MR images of the human brain. In addition to the instrumentation development, several applications of ULF MRI were investigated. A method for imaging electric current density was presented. The technique takes advantage of the flexibility of ULF MRI by encoding the signal in zero magnetic field. Furthermore, the temperature dependence of the MRI relaxation times was studied. Drastic variations were found as a function of the field strength. The results were used to reconstruct temperature maps using ULF MRI. The results presented in this Thesis demonstrate that upgrading MRI functionality into an existing commercial MEG device is a feasible concept. Such a device has the potential to enable new methods and paradigms for neuroscientific research. The possibility of taking advantage of the unique low-field contrast is an interesting subject for further research. en
dc.description.abstract Magneettikuvaus (MRI) on tekniikka, jolla voidaan noninvasiivisesti kuvantaa aineen sisäistä rakennetta. MRI ei tuota ionisoivaa säteilyä ja saatujen kuvien kontrastia voidaan manipuloida monipuolisesti, minkä vuoksi magneettikuvausta käytetään laajalti apuna lääketieteellisessä tutkimuksessa ja diagnoostiikassa. Perinteisesti magneettikuvauksen signaali-kohinasuhde kasvaa käytetyn kentän kasvaessa, mikä on ohjannut MRI-laitteiden kehitystä kohti yhä korkeampia kentän voimakkuuksia. Ultramatalan kentän (ULF) MRI on uusi tekniikka, jossa mikroteslaluokan magneettikenttiä käytetään kuvan muodostamiseksi. Matalaa signaali-kohinasuhdetta pystytään osittain kompensoimaan prepolarisoimalla näyte 1 – 200 mT kentässä ja käyttämällä suprajohtavia kvantti-interferenssilaitteita (SQUID) signaalin keräykseen. ULF MRI:n etuja ovat joustava ympäristö sekvenssikehitykseen, ainutlaatuiset kontrastimekanismit ja mahdollisuus rakentaa äänetön ja geometrialtaan avoin laite. ULF MRI on myös yhteensopiva magnetoenkefalografian (MEG) kanssa. Tämän ansiosta on mahdollista rakentaa hybridilaite, jolla pystytään kuvantamaan sekä ihmisaivojen rakennetta että toimintaa samanaikaisesti. Tämä väitöskirja käsittelee kuvatunlaisen MEG-MRI-laitteen suunnittelua, rakentamista ja testaamista. Laite perustuu kaupalliseen koko pään kattavaan MEG-laitteeseen, johon yhdistettiin ULF MRI -toiminnallisuus. Väitöskirjatyössä tutkittiin, miten magneettisesti suojatun huoneen sisällä pulsoivat magneettikentät käyttäytyvät. Pulsoimisesta syntyvien haitallisten pyörrevirtojen kumoamiseksi kehitettiin polarisaatiokela, joka synnyttää vain pienen hajakentän ympärilleen. Lisäksi SQUID-sensoreita kehitettiin kenttäkestoisemmiksi siten, että ne säilyttävät toimintakykynsä myös voimakkaiden polarisaatiopulssien jälkeen. Lopulta laitetta käytettiin mittaamaan MEG-signaalia ja ULF MR -kuvia ihmisen aivoista. Yllä kuvatun laitteistokehityksen lisäksi väitöskirjassa tutkittiin myös ULF MRI:n sovelluksia. Virrantiheyden kuvantamiseksi kehitettiin menetelmä, jossa käytetään hyväksi ULF MRI:n joustavuutta koodaamalla hyötysignaali ilman ulkoista magneettikenttää. Lisäksi relaksaatioaikojen lämpötilariippuvuutta tutkittiin. Merkittäviä vaihteluja löydettiin riippuen kentän voimakkuudesta. Saatuja tuloksia käytettiin lämpötilakarttojen muodostamiseen. Tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavat, että kaupalliseen MEG-laitteeseen on mahdollista lisätä MRI-toiminnallisuus. Tämänkaltainen laite mahdollistaa uusien aivotutkimusmenetelmien kehittämisen. Ainutlaatuisen matalakenttäkontrastin hyödyntäminen on mielenkiintoinen aihe tuleville tutkimuksille. fi
dc.format.extent 70 + app. 75
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 87/2013
dc.relation.haspart [Publication 1]: P. T. Vesanen, J. O. Nieminen, K. C. J. Zevenhoven, J. Dabek, J. Simola, J. Sarvas, and R. J. Ilmoniemi. The spatial and temporal distortion of magnetic fields applied inside a magnetically shielded room. IEEE Transactions on Magnetics, 48, 53–61, January 2012.
dc.relation.haspart [Publication 2]: J. O. Nieminen, P. T. Vesanen, K. C. J. Zevenhoven, J. Dabek, J. Hassel, J. Luomahaara, J. S. Penttila, and R. J. Ilmoniemi. Avoiding eddy-current problems in ultra-low-field MRI with self-shielded polarizing coils. Journal of Magnetic Resonance, 212, 154–160, September 2011.
dc.relation.haspart [Publication 3]: J. Luomahaara, P. T. Vesanen, J. Penttila, J. O. Nieminen, J. Dabek, J. Simola, M. Kiviranta, L. Gronberg, C. J. Zevenhoven, R. J. Ilmoniemi, and J. Hassel. All-planar SQUIDs and pickup coils for combined MEG and MRI. Superconductor Science and Technology, 24, 075020, June 2011.
dc.relation.haspart [Publication 4]: P. T. Vesanen*, J. O. Nieminen*, K. C. J. Zevenhoven, J. Dabek, L. T. Parkkonen, A. V. Zhdanov, J. Luomahaara, J. Hassel, J. Penttila, J. Simola, A. I. Ahonen, J. P. Makela, and R. J. Ilmoniemi. Hybrid ultra-low-field MRI and magnetoencephalography system based on a commercial whole-head neuromagnetometer. Magnetic Resonance in Medicine, in press, 2013.
dc.relation.haspart [Publication 5]: P. T. Vesanen, J. O. Nieminen, K. C. J. Zevenhoven, Y.-C. Hsu, and R. J. Ilmoniemi. Current-density imaging using ultra-low-field MRI with zero-field encoding. Submitted to Magnetic Resonance Imaging, 2013.
dc.relation.haspart [Publication 6]: P. T. Vesanen, K. C. J. Zevenhoven, J. O. Nieminen, J. Dabek, L. T. Parkkonen, and R. J. Ilmoniemi. Temperature dependence of relaxation times and temperature mapping in ultra-low-field MRI. Submitted to Journal of Magnetic Resonance, 2013.
dc.subject.other Medical sciences en
dc.subject.other Physics en
dc.title Combined ultra-low-field MRI and MEG: instrumentation and applications en
dc.title Yhdistetty ultramatalan kentän MRI ja MEG: instrumentaatio ja sovelluksia fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos fi
dc.contributor.department Department of Biomedical Engineering and Computational Science en
dc.subject.keyword magnetic resonance imaging en
dc.subject.keyword MRI en
dc.subject.keyword ultra-low-field MRI en
dc.subject.keyword magnetoencephalograhy en
dc.subject.keyword MEG en
dc.subject.keyword MEG-MRI en
dc.subject.keyword SQUID en
dc.subject.keyword magneettikuvaus fi
dc.subject.keyword ultramatalan kentän MRI fi
dc.subject.keyword magnetoenkefalografia fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5178-9
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ilmoniemi, Risto, Academy Prof., Aalto University, Finland
dc.opn Hennig, Jürgen, Prof., University Medical Center Freiburg, Germany
dc.rev Braginski, Alexander, Prof., Forschungszentrum Jülich, Germany
dc.rev Ehnholm, Gösta, Dr., Philips Medical Systems MR Finland, Finland
dc.date.defence 2013-05-24


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account