Unconventional MRI scanner technology and intelligent dynamics
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2023-11-20
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
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
146 + app. 192
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 195/2023
Abstract
Medical imaging provides valuable information about the internal structure and function of the body. In magnetic resonance imaging (MRI), a scanner device communicates with atomic nuclei in the tissues via magnetic fields to obtain data suitable for image reconstruction. Another imaging technology, magnetoencephalography (MEG), detects electrical brain activity via the weak magnetic fields it generates. In this Thesis, unconventional MRI theory, methods, instrumentation and software were developed for applications that have requirements such as compatibility with other technology, portability, silent operation, open geometry, high spatial accuracy or low cost. In particular, a full-scale human brain scanner was designed and constructed that is capable of both MEG and MRI. MRI theory is expanded to allow spatial and temporal variations in the magnetic field direction. This enables, for instance, precise analysis and flexible use of an MRI approach where the main magnetic field is separated into two parts: a polarizing field and a readout field. Such MRI relaxes constraints related to field strength and homogeneity. The use of a lower readout field can be combined with detection by highly sensitive superconducting quantum interference devices (SQUIDs), also used in MEG. Arrays of different types of SQUID sensors are studied regarding their MRI performance as well as their suitability for hybrid MEG-MRI. Superconductivity – the quantum phenomenon where a material completely loses its electrical resistivity below a critical temperature – is used not only in the SQUID sensors but also in pulsed polarizing magnets. Besides the theory of supercurrents, also current flow in normal conducting structures is considered, and the results are used for field coil designs and to analyze thermal magnetic noise as well as eddy currents induced by MRI magnetic fields. This is further applied to the design and construction of a magnetically shielded room and of low-noise thermal superinsulation. Low noise is also important in the developed MRI electronics, such as an ultra-low-noise amplifier for the readout field and gradients. A method is introduced for achieving high spatial accuracy by exploiting the multichannel acquisition and highly accurate signal model at low fields. Another method, zero-field-encoded current density imaging, allows the full 3D measurement of electric currents in volume using MRI. Rotary scanning acquisition significantly simplifies the hardware requirements for MRI. Finally, a versatile approach for solving problems is introduced: Dynamical coupling for additional dimensions (DynaCAN), or pulse-waveform coupling, uses specifically designed pulse waveforms to couple with the dynamics of a target system such as a device component. Several different use cases are described, with a detailed experimental demonstation in the case of suppressing eddy currents. Initial results from simulations also suggest that the approach could be used for neuromodulation or brain stimulation.Lääketieteellinen kuvantaminen tarjoaa arvokasta tietoa elimistön sisäisestä rakenteesta ja toiminnasta. Magneettikuvauksessa (MRI) kuvantamislaite kommunikoi kudosten atomiydinten kanssa magneettikenttien välityksellä keräten kuvan rekonstruoimiseen sopivaa dataa. Toinen kuvantamismenetelmä, magnetoenkefalografia (MEG), mittaa aivojen sähköistä toimintaa sen tuottamien magneettikenttien kautta. Tässä väitöskirjassa kehitettiin uudenlaista magneettikuvauksen teoriaa, menetelmiä, laitteistoa ja ohjelmistoa sovelluksiin, joissa tarvitaan esim. yhteensopivuutta muiden teknologioiden kanssa, siirrettävyyttä, avointa geometriaa, suurta paikkatarkkuutta tai matalaa kustannusta. Erityisesti suunniteltiin ja rakennettiin MEG:n ja MRI:n yhdistävä kuvantamislaite ihmisaivoille. MRI-teoria laajennetaan sallimaan magneettikentän suunnan variaatiot ajassa ja paikassa. Tämä mahdollistaa mm. tarkan analyysin ja joustavuutta MRI-lähestymistavassa, jossa päämagneettikenttä on jaettu kahteen osaan: polarisaatio- ja mittauskenttään. Tällainen MRI lieventää vaatimuksia liittyen kenttävoimakkuuksiin ja -homogeenisuuksiin. Pienempää mittauskenttää voidaan käyttää yhdessä äärimmäisen herkkien suprajohtavien kvantti-interferenssilaitteiden (SQUID) kanssa, joita myös MEG:ssä käytetään. Erilaisten SQUID-anturien asennelmien MRI-suorituskykyä ja soveltuvuutta MEG-MRI-hybridilaitteeseen tarkastellaan. Suprajohtavuutta – kvantti-ilmiötä, jossa materiaalin sähkövastus häviää kokonaan tietyn kriittisen lämpötilan alapuolella – käytetään SQUID-anturien lisäksi pulssitettavissa polarisointimagneeteissa. Supravirtojen teorian ohella tarkastellaan myös virran kulkua tavallisissa johtavissa rakenteissa, ja tuloksia käytetään kenttäkelojen suunnitteluun ja termisen magneettisen kohinan sekä MRI-kenttien aiheuttamien pyörrevirtojen analyysiin. Tätä käytetään edelleen magneettisuojahuoneen ja matalakohinaisen termisen supereristeen suunnittelussa ja toteutuksessa. Matalakohinaisuus on keskeistä myös kehitetyssä elektroniikassa, kuten ultramatalakohinaisessa vahvistimessa mittauskenttää ja gradienttejä varten. Korkean paikkatarkkuuden saavuttamiseen esitellään menetelmä, joka perustuu monikanavaiseen mittaukseen ja matalissa kentissä hyvin tarkkaan signaalimalliin. Toinen MRI-menetelmä, nollakenttäkoodattu virrantiheyskuvantaminen, tuottaa täyden 3D-kuvan sähkövirran kulusta tilavuudessa. Kiertopyyhkäisymittaus puolestaan yksinkertaistaa MRI-laitevaatimuksia. Lisäksi esitellään monikäyttöinen lähestymistapa ongelmien ratkaisuun: Dynaamisessa pulssimuotokytkennässä (DynaCAN) käytetään pulssimuotoja, jotka ovat tarkoin sunniteltu kytkeytymään kohdesysteemin, kuten laitteen osan, dynamiikkaan. Tälle esitellään useampi käyttötarkoitus sekä yksityiskohtaisempi demonstraatio haitallisten pyörrevirtojen kumoamisessa. Alustavat simulaatiotulokset viittaavat siihen, että lähestymistapaa voisi käyttää myös neuromodulaatiossa tai aivostimulaatiossa.Description
Supervising professor
Parkkonen, Lauri, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, FinlandThesis advisor
Ilmoniemi, Risto, Prof. Emeritus, Aalto University, FinlandKeywords
MRI, MEG, magnetism, superconductivity, electronics, software, DynaCAN, magnetismi, suprajohtavuus, elektroniikka, ohjelmistot
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Zevenhoven KCJ, Busch S, Öisjöen F, Hatridge M, Ilmoniemi RJ and Clarke J. Conductive shield for ultra-low-field magnetic resonance imaging: Theory and measurements of eddy currents. Journal of Applied Physics, 115:103902, March 2014.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014163DOI: 10.1063/1.4867220 View at publisher
-
[Publication 2]: Zevenhoven KCJ, Mäkinen AJ and Ilmoniemi RJ. Superconducting receiver arrays for magnetic resonance imaging. Biomedical Physics & Engineering Express, 6:015016, January 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004032701DOI: 10.1088/2057-1976/ab5c61 View at publisher
-
[Publication 3]: Vesanen PT, Nieminen JO, Zevenhoven KCJ, Dabek J, Parkkonen LT, Zhdanov AV, Luomahaara J, Hassel J, Penttilä J, Simola J, Ahonen AI, Mäkelä JP and Ilmoniemi RJ. Hybrid ultra-low-field MRI and magnetoencephalography system based on a commercial whole-head neuromagnetometer. Magnetic Resonance in Medicine, 69:1795, June 2013.
DOI: 10.1002/mrm.24413 View at publisher
-
[Publication 4]: Zevenhoven KCJ, Dong H, Ilmoniemi RJ and Clarke J. Dynamical cancellation of pulse-induced transients in a metallic shielded room for ultra-low-field magnetic resonance imaging. Applied Physics Letters, 106:034101, January 2015.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014138DOI: 10.1063/1.4906058 View at publisher
-
[Publication 5]: Vesanen PT, Nieminen JO, Zevenhoven KCJ, Hsu Y-C and Ilmoniemi RJ. Current-density imaging using ultra-low-field MRI with zero-field encoding. Magnetic Resonance Imaging, 32:766, July 2014.
DOI: 10.1016/j.mri.2014.01.012 View at publisher
-
[Publication 6]: Zevenhoven KCJ and Alanko S. Ultra-low-noise amplifier for ultralow-field MRI main field and gradients. Journal of Physics: Conference Series, 507:042050, May 2014.
DOI: 10.1088/1742-6596/507/4/042050 View at publisher
-
[Publication 7]: Hsu Y-C, Zevenhoven KCJ, Chu Y-H, Dabek J, Ilmoniemi RJ and Lin F-H. Rotary scanning acquisition in ultra-low-field MRI. Magnetic Resonance in Medicine, 75:2255, June 2016.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201903132241DOI: 10.1002/mrm.25676 View at publisher
-
[Publication 8]: Mäkinen AJ, Zevenhoven KCJ and Ilmoniemi RJ. Automatic spatial calibration of ultra-low-field MRI for high-accuracy hybrid MEG–MRI. IEEE Transactions on Medical Imaging, 38:1317, March 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304510.DOI: