Combined ultra-low-field MRI and MEG: instrumentation and applications
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-05-24
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
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.
Author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
70 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 87/2013
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.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.Description
Supervising professor
Ilmoniemi, Risto, Academy Prof., Aalto University, FinlandThesis advisor
Ilmoniemi, Risto, Academy Prof., Aalto University, FinlandKeywords
magnetic resonance imaging, MRI, ultra-low-field MRI, magnetoencephalograhy, MEG, MEG-MRI, SQUID, magneettikuvaus, ultramatalan kentän MRI, magnetoenkefalografia
Other note
Parts
- [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.
- [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.
- [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.
- [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.
- [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.
- [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.
