Ultra-low-field MRI: techniques and instrumentation for hybrid MEG-MRI

Thumbnail Image

Files

isbn9789526046457.pdf (1.24 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2012-06-08
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2012

Department

Lääketieteellisen tekniikan ja laskennallisen tieteen laitos
Department of Biomedical Engineering and Computational Science

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

133

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 71

Abstract

Magnetic resonance imaging (MRI) is a medical imaging modality that can noninvasively produce images of the human body with excellent soft-tissue contrast. Conventionally, MRI is performed in magnetic fields above 1 T. On the other hand, magnetoencephalography (MEG) is a tool for functional brain imaging. In modern MEG, an array of highly sensitive superconducting quantum interference device (SQUID) sensors is used to measure the weak magnetic field around the head produced by neuronal activity in the brain. It has been demonstrated that SQUID sensors can be used to measure also MR signals, if the amplitudes of the MRI fields are reduced and a prepolarization approach is applied. Ultra-low-field (ULF) MRI refers to MRI with signal detection in fields around 100 μT, or even lower, and typically utilizes SQUID sensors for signal readout. The use of the same sensors in MEG and MRI offers significant benefits and allows us to develop a single device capable of both MEG and MRI. This Thesis introduces several techniques for ULF MRI and its combination with MEG. It is shown that the origin of MR signals can be encoded by preparing the sample consecutively with spatially different polarizing fields. It is also demonstrated that by carefully designing the polarizing-field time course, contrast in ULF MRI can be improved. This Thesis provides also a general method to reconstruct images, when the magnetic fields within the imaging region are nonlinear. In addition, this Thesis describes how to design self-shielded polarizing coils with weak stray fields. Finally, a device for hybrid MEG-MRI was developed based on a commercial whole-head MEG system. The developed polarization-encoding method may ultimately enable MRI without phase encoding and become essential when developing new kinds of magnetic imaging. The contrast enhancement achieved with time-dependent polarizing fields may be useful when ULF MRI is applied for new purposes. Because in ULF MRI the encoding gradients are relatively strong, conventional reconstruction methods produce image artifacts, whereas the developed general reconstruction method performs much better. The self-shielded polarizing coils are essential when ULF MRI is performed inside magnetically shielded rooms, since otherwise strong eddy currents may be induced in the conductive shielding layers. The developed instrumentation for hybrid MEG-MRI has been successfully used for brain imaging and establishes a solid basis for future research.

Magneettikuvaus (MRI) on lääketieteellinen kuvantamistekniikka, jolla voidaan tuottaa kajoamattomasti kuvia kehosta erinomaisella pehmeän aineen kontrastilla. Tavanomaisesti MRI:ssä käytetään yli 1 T:n magneettikenttiä. Toisaalta magnetoenkefalografia (MEG) on aivojen toimintaa mittaava kuvantamistekniikka. MEG:ssä käytetään erittäin herkkiä suprajohtavia SQUID-sensoreita, joilla aivojen sähköisen toiminnan tuottamaa heikkoa magneettikenttää mitataan pään ulkopuolella. SQUID-sensoreita voidaan käyttää myös MRI:ssä, jos kuvaukseen käytettävien magneettikenttien voimakkuuksia lasketaan. Tällöin kohde on kuitenkin usein esipolarisoitava. Matalakenttä-MRI:ssä MRI-signaaleja mitataan tavanomaisesti SQUID-sensoreilla noin 100 μT:n magneettikentässä. Samojen antureiden käyttäminen MEG:ssä ja MRI:ssä tuo monia etuja ja mahdollistaa yhdistetyn MEG-MRI-laitteen kehittämisen. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin uusia tekniikoita matalakenttä-MRI:hin ja yhdistettyyn MEG-MRI:hin. Työssä osoitettiin, että MRI-signaalien alkuperä voidaan koodata käyttämällä kuvauskohteen magnetointiin polarisaatiokenttiä, joilla on erilaiset kenttämuodot. Lisäksi työssä osoitettiin, että muotoilemalla polarisaatiokentän aikamuoto sopivasti kuvien kontrastia matalakenttä-MRI:ssä voidaan parantaa. Väitöskirjatyössä kehitettiin myös yleinen kuvanmuodostusmenetelmä, joka toimii silloinkin, kun magneettikentät kuvausalueella vaihtelevat hyvin epälineaarisesti. Lisäksi väitöskirjassa kuvataan, kuinka polarisaatiokelat voidaan suunnitella siten, että niiden tuottama hajakenttä on hyvin pieni. Tässä työssä kehitettiin myös yhdistettyä MEGMRI-laitetta koko pään kattavan kaupallisen MEG-laitteen pohjalta. Kehitetty polarisaatiokoodausmenetelmä voi mahdollistaa MRI:n ilman vaihekoodausta ja olla olennaisessa osassa, kun uusia magneettisia kuvausmenetelmiä kehitetään. Optimoiduilla polarisaatiokentän aikamuodoilla saavutettava hyvä kontrasti voi olla hyödyksi, kun matalakenttä-MRI:tä sovelletaan uusilla alueilla. Koska matalakenttä-MRI:ssä koodausgradientit ovat suhteellisen voimakkaita, tavanomaiset kuvanmuodostusmenetelmät voivat tuottaa kuviin vääristymiä. Työssä kehitetty yleinen kuvanmuodostusmenetelmä vähentää näitä vääristymiä huomattavasti. Polarisaatiokelat, jotka tuottavat vain heikon hajakentän, ovat olennaisia, kun MRI:tä tehdään magneettisesti suojatussa huoneessa, sillä muutoin suojahuoneen johtaviin levyihin voi indusoitua voimakkaita pyörrevirtoja. Työssä kehitettyä MEG-MRI-laitetta on käytetty aivojen kuvantamiseen, ja se antaa vankan pohjan jatkotutkimuksille.

Description

Supervising professor

Ilmoniemi, Risto

Thesis advisor

Ilmoniemi, Risto

Keywords

Ultra-low-field MRI, MEG-MRI, magnetic resonance imaging, magnetoencephalography, matalakenttä-MRI, magneettikuvaus, magnetoenkefalografia

Other note

Parts

  • [Publication 1]: J. O. Nieminen, M. Burghoff, L. Trahms, and R. J. Ilmoniemi. Polarization encoding as a novel approach to MRI. Journal of Magnetic Resonance, 202, 211–216, February 2010
  • [Publication 2]: J. O. Nieminen and R. J. Ilmoniemi. Solving the problem of concomitant gradients in ultra-low-field MRI. Journal of Magnetic Resonance, 207, 213–219, December 2010
  • [Publication 3]: J. O. Nieminen, J. Voigt, S. Hartwig, H.-J. Scheer, M. Burghoff, L. Trahms, and R. J. Ilmoniemi. Improved contrast in ultra-low-field MRI with time-dependent bipolar prepolarizing fields: theory and NMR demonstrations. Submitted
  • [Publication 4]: 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
  • [Publication 5]: 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 MEG system based on a commercial wholehead neuromagnetometer. Submitted

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-4645-7

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI