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Functional Magnetic Resonance Imaging at High Spatiotemporal Resolution using EPI Combined with Different k-Space Undersampling Techniques at 3 Tesla

Domsch, Sebastian

German Title: Funktionelle Magnetresonanztomographie bei Hoher Räumlicher und Zeitlicher Auflösung bei Verwendung von EPI Kombiniert mit Verschiedenen k-Raum Unterabtastungstechniken bei 3 Tesla

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Abstract

In functional magnetic resonance imaging (fMRI), major drawbacks of the commonly used echo-planar imaging (EPI) sequence are limited spatial specificity due to blurring and distortions as well as signal cancellation in areas affected by susceptibility gradients, such as the orbitofrontal cortex (OFC). In contrast, segmented EPI techniques facilitate ultra-high spatial but low temporal resolution. In this work, an EPI sequence with optimized slice-dependent echo time was developed avoiding signal drop outs in the OFC in 50 % of all subjects during fMRI (N = 12) compared to a standard EPI sequence. The average number of activated voxels detected in the OFC was thereby increased by a factor of 6.3. It was further shown for the first time that the spatial specificity in EPI fMRI at 3 T can be improved by increasing the matrix size in combination with the parallel imaging factor beyond conventional EPI parameter settings. By using the proposed high-resolution compared to a standard EPI protocol, the multi-subject analysis of a simple fingertapping task (N = 6) and a sophisticated motivation task (N = 15) showed robust and clearly less blurred activation in the sensorimotor cortex (SMC) and in the nucleus accumbens (NAcc), respectively. The number of separable clusters detected in the SMC and in the NAcc was thereby increased by a factor of 2.7 and 1.4, respectively. In order to perform fMRI at ultra-high spatial and high temporal resolution, a segmented EPI sequence was highly accelerated (R = 8) with the so-called UNFOLD technique. Both, the MR sequence and data post-processing were optimized facilitating the robust detection of neuronal activation at 0.7 x 0.7 mm2 resolution and half-brain coverage. Last but not least, a novel filtering strategy is proposed minimizing temporal coherences in UNFOLD datasets and thus improving the detectability of neuronal activation. By using the proposed filter compared to a standard filter, the number of activated voxels detected in the SMC (N = 5) was increased up to a factor of 1.4.

Translation of abstract (German)

Große Nachteile der in der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) häufig verwendeten echoplanaren Bildgebungssequenz (EPI) sind die niedrige räumliche Spezifität aufgrund von Verschmierungsartefakten und Verzerrungen, sowie Signalauslöschungen in Bereichen hoher Suszeptibilitätssprünge wie z.B im Orbitofrontalen Cortex (OFC). Im Gegensatz dazu ermöglichen segmentierte EPI Techniken extrem hohe räumliche Auflösungen bei jedoch schlechter Zeitauflösung. In dieser Arbeit wurde eine optimierte EPI Sequenz mit schichtabhängiger Echozeit entwickelt, wodurch Signalauslöschungen im OFC in 50 % aller Probanden einer fMRT Studie (N = 12) im Vergleich zu einer standard EPI Sequenz vermieden wurden. Die durchschnittliche Anzahl von aktivierten Voxeln im OFC wurde dabei um den Faktor 6.3 erhöht. Desweiteren wurde zum ersten mal gezeigt, dass die räumliche Spezifität in EPI fMRT bei 3 T deutlich verbessert werden kann, indem die Matrixgröße in Kombination mit dem Beschleunigungsfaktor einer parallelen Bildgebungstechnik über konventionelle EPI Parametereinstellungen hinaus erhöht wird. Bei Verwendung des vorgestellten hochauflösenen imVergleich zu einem standard EPI Protokoll, zeigte die Gruppenanalyse einer Fingertapping-Studie (N = 6) und einer komplexen Motivations-Studie (N = 15) robuste und deutlich weniger verwischte Aktivierung im Sensomotorischen Kortex (SMC) bzw. im Nucleus Accumbens (NAcc). Die Anzahl der unterscheidbaren aktivierten Cluster im SMC und im Nacc wurden dabei um den Faktor 2.7 bzw. 1.4 erhöht. Um fMRT bei extrem hoher räumlicher und hoher zeitlicher Auflösung durchführen zu können, wurde eine segmentierte EPI Sequenz mithilfe der sog. UNFOLD Technik effektiv beschleunigt (R = 8). Durch Optimierung der Messsequenz und der Datennachverarbeitung konnte bei guter Volumenabdeckung robuste neuronale Aktivierung bei einer Auflösung von 0.7 x 0.7 mm2 detektiert werden. Nicht zuletzt wird eine neue Filterstrategie vorgestellt, mit der zeitliche Kohärenzen in UNFOLD-Datensätzen minimiert, und so die Detektierbarkeit neuronaler Aktivierung verbessert werden kann. In einer fMRT Studie (N = 5) wurde durch Verwendung des vorgestellten Filters im Vergleich zu einem standard Filter die Anzahl der aktivierten Voxel im SMC um einen Faktor von bis zu 1.4 erhöht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schad, Prof. Dr. Lothar Rudi
Date of thesis defense: 19 June 2013
Date Deposited: 09 Jul 2013 07:07
Date: 2013
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Mannheim > Zentrum für Biomedizin und Medizintechnik (CBTM)
Subjects: 530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
Controlled Keywords: FMRT
Uncontrolled Keywords: Funktionelle Magnetresonanztomographie
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