Method development for ultra-low-field magnetic resonance imaging and magnetoencephalography
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2014-04-29
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
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
84 + app. 70
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 42/2014
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.Description
Supervising professor
Ilmoniemi, Risto, Prof., Aalto University, Department of Biomedical Engineering and Computational Science, FinlandThesis advisor
Ilmoniemi, Risto, Prof., Aalto University, Department of Biomedical Engineering and Computational Science, FinlandKeywords
brain imaging, magnetic resonance imaging, MRI, ultra-low-field MRI, low-field MRI, magnetoencephalography, MEG, SQUID, GMR, mixed sensor, aivokuvantaminen, magneettikuvaus, ultramatalien kenttien MRI, matalien kenttien MRI, magnetoenkefalografia, SQUID-anturi, GMR-anturi
Other note
Parts
- [Publication 1]: J. Dabek, F. Sannholm, J. O. Nieminen, P. T. Vesanen and R. J. Ilmoniemi. Safety in simultaneous ultra-low-field MRI and MEG: Forces exerted on magnetizable objects by magnetic fields. In IFMBE Proceedings, 28: 74–77, Biomag 2010 Conference, Dubrovnik, Croatia, 2010.
- [Publication 2]: J. Dabek, J. O. Nieminen, P. T. Vesanen, R. Sepponen and R. J. Ilmoniemi. Improved determination of FID signal parameters in low-field MRI. Journal of Magnetic Resonance, 205: 148–160, 2010.
- [Publication 3]: N. Sergeeva-Chollet, H. Dyvorne, J. Dabek, Q. Herreros, H. Polovy, G. Le Goff, G. Cannies, M. Pannetier-Lecoeur and C. Fermon. Low field MRI with magnetoresistive mixed sensors. In Journal of Physics: Conference Series, 303: 012055, JEMS 2010 Conference, Krakow, Poland, 2011.
- [Publication 4]: J. Dabek, K. C. J. Zevenhoven, J. O. Nieminen, P. T. Vesanen, R. Sepponen and R. J. Ilmoniemi. Gradient-excitation encoding combined with frequency and phase encodings for three-dimensional ultra-low-field MRI. In IEEE EMBS Proceedings, 1093–1097, EMBC 2012 Conference, San Diego, CA, USA, 2012.
- [Publication 5]: J. Dabek, P. T. Vesanen, K. C. J. Zevenhoven, J. O. Nieminen, R. Sepponen and R. J. Ilmoniemi. SQUID-sensor-based ultra-low-field MRI calibration with phantom images: Towards quantitative imaging. Journal of Magnetic Resonance, 224: 22–31, 2012.
- [Publication 6]: J. Dabek, V. V. Nikulin and R. J. Ilmoniemi. Detecting millisecond-range coupling delays between brainwaves in terms of power correlations by magnetoencephalography. Submitted to Journal of Neuroscience Methods, 16 pages, 2014.
