磁共振成像（MRI）扫描仪的使用通常受到成本和基础设施要求的限制。在这里，我们报道了一种便携式脑磁共振成像扫描仪的设计和测试，该扫描仪使用了一种紧凑、轻便的永磁稀土磁体和一个内置的读出场梯度。122 kg低磁场（80 mT）磁铁有一个Halbach圆筒产生最小杂散场的设计，既不需要低温也不需要外部电源。内置磁场梯度降低了对高功率梯度驱动器的依赖，降低了对电源和冷却的总体要求，以及降低噪音。采用广义迭代图像重建方法，消除了编码域中的缺陷利用先前场模式特征的技术。在健康成人志愿者中，扫描仪可以产生T1加权、T2加权和质子密度加权脑图像，空间分辨率为2.2 × 1.3 × 6.8 mm₃。未来不同版本的扫描仪可以提高脑部核磁共振成像在治疗点的可及性，特别是对危重病人。

图1|便携式核磁共振脑扫描仪原型

a、扫描仪的主要组件位于直径56厘米的磁铁（橙色圆柱体）内部。功放控制台和计算机未显示。 参与者的肩膀保持在磁铁外面，从而实现了轻巧，小孔的设计，适合只有头。 患者台从扫描仪推车上卸下，以方便运输。 b、主扫描仪的爆炸计算机辅助设计（CAD）模型组件（从左到右）：螺旋发射/接收射频头盔线圈； 哈尔巴赫磁缸； 两轴梯度线圈； 和射频屏蔽。c、对应于b中分解图的照片。

图2| 永磁低场磁体设计

a、B0 = 80 mT圆柱型Halbach磁体的外径为56 cm，长度为48 cm，总重量为122 kg（80 kg稀土材料）。该照片显示了磁铁的上侧（服务端），其直径为35.3厘米。磁铁的下侧（肩部侧）的孔口直径为27厘米，这是由于直径32厘米的1''增压磁铁环位于肩部附近，从而减轻了磁场衰减。 b、磁铁上端的特写照片。 NdFeB磁体包含在方形横截面玻璃纤维管中。两个主磁体层的半径分别为20.5和25 cm。白色塑料垫片托盘包含较小的NdFeB磁体，以进一步优化磁场。 c、CAD模型，显示了包含Halbach磁体的N52级（灰色）和N42级（白色）NdFeB 立方体的分布，已针对x方向上的内置单调读出编码字段进行了优化。 d、匀场之前在构造的磁体分布中，在轴向18×for20 magnetcm₂平面上测得的磁场图。 17×14 cm₂的椭圆形勾勒出大致的大脑尺寸。 e、用于微调磁场的匀场磁铁分布的CAD模型。较小的匀场磁铁的轴向位置是固定的，但是尺寸（<¼'立方）和偶极子方向是变化的。 f，匀场磁体的实测场图，显示了x场线性的改善。

图3| 为梯度线圈设计

带导线的a为Gy和Gz梯度线圈压配合到3D打印的分层圆柱体中。 Gy梯度线圈在外表面，而Gz梯度线圈在内表面。 分层的形状允许磁铁内最大直径（34.8厘米）和长度（42.7厘米）。 b，c为Gy（b）和Gz（c）梯度线圈的电流密度轮廓，采用流函数边界元方法进行了设计，针对20 cm ROI中的线性度进行了优化。 d，e为Gy（d）和Gz线圈（e）中1 A驱动电流的测量梯度线圈场图。 Gy和Gz线圈的效率分别为0.6和0.8 mT m_-1A_-1。

图4 | MRI脉冲序列图。

质子密度加权序列显示了3D RARE脉冲序列。射频施加90°激发 pulse脉冲（3.2 ms； 100 kHz扫描），然后是一列180°re重聚焦脉冲（1.6 ms； 100 kHz扫描）。脉冲的相位遵循相位循环方案，可防止将最终的FID和频谱回波混合在一起。 Gx读数梯度是内置的永磁体编码领域，因此在整个收购过程中不断应用。 Gy梯度产生沿回波序列变化的相位编码斑点 为了在y维度上划分数据，在每个镜头中完成23种编码。 Gz相位编码点在镜头之间逐渐增加，要求 97个重复时间段来完成编码。信号采集在较窄的FID回波和较宽的频谱回波之间交替。加上一个初始反转脉冲，该序列被转换为T1加权。在T2加权序列中，Gy相位编码的顺序 重新排列笔触，以便在TEeff = 167 ms处捕获k空间的中心。

图5 为健康成人志愿者大脑的3D T2，T1和质子密度加权图像。

显示了所获取的23个分区的子集。图像分辨率=〜2.2×1.3×6.8 mm₃。前五行显示了使用基于广义前向模型的重建方法重建的图像。第1行（参与者1；男性； 63岁）：用3D RARE采集的质子密度（PD）图像（重复时间/ TEeff = 2,900 ms / 14 ms；采集时间= 9:24 min；两个平均值）。第2行（参与者1）：使用具有反转功能的3D RARE采集的T1加权图像（反转时间/重复时间/ TEeff = 400 ms / 1,830 ms / 14 ms;采集时间= 11:46 min;四个平均值）。第3行（参与者1）：使用3D RARE序列获取的T2加权图像（重复时间/ TEeff = 3,000 ms / 167 ms；采集时间= 9:42 min；两个平均值）。第4行（参与者2；男性； 63岁）：用3D RARE序列采集的T2加权图像（重复时间/ TEeff = 3,000 ms / 167 ms；采集时间= 9:42 min；两个平均值）。第5行（参与者3；女性； 53岁）：用3D RARE序列获取的T2加权图像（重复时间/ TEeff = 3,000 ms / 167 ms；采集时间= 19:24 min； 四个平均值）。第5行（参与者3； FFT）：使用常规FFT重建而不是通用方法重建的T2数据。最后一张图片展示了当场图未包含在重建模型中时由非线性编码场引起的几何失真。对于第1-5行所示的图像采集，图像中测得的SNR分别为127、80、68、65和124。

此扫描仪设计可作为开发和临床验证便携式MRI设备的基础，以实现可负担的POC检测， 评估和监视各种医疗应用，以及讨论的诊断全脑成像应用 （例如，对于 四肢和新生儿成像）。而且，扩展一般将MRI设计从传统约束中解放出来的概念 可能会导致具有极高便携性的更奇特的设计，例如手持设备。产生有限FOV的设备直接在单面扫描仪下面的图像或配置文件可用于各种实时紧急和紧急护理适应症，例如软组织病理学（例如胸腔积液，需要引流或硬膜下/硬膜外血肿的四肢脓肿）的检测，勾画和连续监测，或为介入程序提供指导。这样的设备具有补充或替代其他（通常是次优或更有限的）便携式成像模式的作用的潜力。

总而言之，我们介绍了MRI扫描仪架构基于紧凑，轻便，低磁场的永磁体阵列，内置场变化，用于MRI读出编码和用于相位编码的高效电磁梯度线圈。我们的设计利用先进的图像重建方法来校正磁场缺陷，从而使硬件摆脱了传统约束。与传统的MRI扫描仪设计不同，由于磁体的尺寸适中，缺乏低温剂以及内在的安全性低场，磁性自屏蔽Halbach配置。都低功耗也促进了移动性和POC潜力内置的读取梯度可提供低功耗和低噪音的效果。体内脑图像显示了扫描仪在POC上临床应用的潜力，这可能将MRI的使用范围扩大到目前服务不足的患者人群受传统MRI限制。

                                            编辑：科研任务部  王浩

                                                                           2021年1月26日

参考文献：Cooley C Z, McDaniel P C, Stockmann J P, et al. A portable scanner for magnetic resonance imaging of the brain[J]. Nature Biomedical Engineering, 2020: 1-11.

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