Method development for ultra-low-field magnetic resonance imaging and magnetoencephalography

Abstract

Ultra-low-field (ULF) magnetic resonance imaging (MRI) can be combined with magnetoencephalography (MEG) in a hybrid MEG-MRI device using superconducting quantum interference device (SQUID) sensors for measuring both MRI (structural imaging) and MEG (functional imaging) signals. The MEG-MRI device, which has an open structure, is situated in a magnetically shielded room to suppress magnetic field noise. The ULF-MRI device can be operated with relaxed safety considerations compared to conventional MRI because of the absence of very strong magnetic fields. MEG has grown into an important multichannel neuroimaging modality in the past 20 years with research and clinical applications. Low-field (LF) MRI, with field strength between that of ULF and conventional MRI, cannot accommodate MEG today but may grow in importance with the development of giant-magnetoresistive (GMR) mixed sensors.

In this dissertation, methods for MRI and MEG have been developed, with an emphasis on ultra-low- and low-field applications. The necessary physical and signal-processing basis is reviewed, accompanied by new methodological improvements. The safety of low magnetic fields is investigated, modelling of the free induction decay (FID) signal underlying MRI is improved and the developed gradient-excitation-encoding method is tested by simulation. A new quantitative method for ULF-MRI device calibration and determination of, for example, sample water content is developed and validated. GMR mixed sensors are applied in LF MRI, resulting in a high signal-to-noise ratio and contrast-to-noise ratio. Eventually, a new method for power correlations between brainwaves is developed and tested on MEG data. The presented methods aim at improvements in the use of the two imaging modalities.

Ultramatalien kenttien magneettikuvaus (ultra-low-field magnetic resonance imaging, ULF-MRI) ja magnetoenkefalografia (MEG) voidaan yhdistää MEG-MRI-laitteessa käyttäen ultraherkkiä magneettikenttäantureita (superconducting quantum interference device eli SQUID-antureita), jotka mittaavat sekä MRI- (rakenteellinen kuvantaminen) että MEG-signaalit (funktionaalinen kuvantaminen). Avararakenteinen MEG-MRI-laite sijoitetaan magneettikenttähäiriöiden vaimentamiseksi magneettisesti suojattuun huoneeseen. Koska voimakkaita magneettikenttiä ei käytetä ULF-MRI-laitteessa, huomioon otettavia turvallisuusnäkökohtia on vähemmän. Monikanavainen MEG on kasvanut viimeisen 20 vuoden aikana tärkeäksi aivokuvantamismenetelmäksi, jolla on sovelluksia sekä tutkimuksessa että kliinisesti. MEG:tä ei toistaiseksi voida yhdistää matalan kentän (low-field, LF) MRI:hin, jossa kentänvoimakkuus on ULF-MRI:n ja tavanomaisen MRI:n väliltä, mutta LF-MRI:n merkitys saattaa kasvaa suureen magnetoresistanssiin (giant magnetoresistance, GMR) perustuvien anturien (GMR mixed sensor) kehittyessä.

Tässä väitöskirjatyössä on kehitetty menetelmiä MRI:hin ja MEG:hen, painottaen ultramatalan ja matalan kentän sovelluksia. Uusiin menetelmällisiin parannuksiin tutustutaan tarvittavan fysikaalisen perustan ja signaalinkäsittelyn myötä. Työssä on tutkittu matalien magneettikenttien turvallisuutta, parannettu MRI:n perustana olevan vaimenevan sinisignaalin (free induction decay, FID) mallinnusta ja simuloitu uutta kehitettyä gradienttivirityskoodausmenetelmää (gradient-excitation encoding). ULF-MRI-laitteen kalibrointiin ja esimerkiksi näytteen vesimäärän arviointiin on kehitetty uusi kvantitatiivinen menetelmä, jonka toiminta varmistettiin mittauksin. LF-MRI:ssä on sovellettu GMR-antureita, joilla saatiin kuvia voimakkaalla signaalilla ja vahvalla kontrastilla suhteessa kohinaan. Aivoaaltojen välisten tehokorrelaatioiden arviointiin on kehitetty uusi menetelmä ja sitä testattiin MEG-mittauksin. Esitetyt menetelmät tähtäävät parannuksiin MRI- ja MEG-kuvantamismenetelmien käytössä.