Novel RF-pulses and parallel-transmit methods for compensation of signal loss in functional MRI at 3 and 7 Tesla
Final Report Abstract
Mit diesem Projekt sollte verbesserte und neue Methodik der funktionellen Bildgebung entwickelt werden. Das dank seiner hohen Sensitivität zumeist verwendete Gradient-Echo Echo-Planar Imaging (EPI) leidet unter starken Signalverlusten im Bereich der anatomisch Bedingten Lufträume im Schädel, was die Darstellung einiger Hirnregionen beeinträchtigt, welche in neurodegenerativen oder psychischen Erkrankungen eine wichtige Rolle spielen. Mit Hilfe besonderer RF-Anregungspulse, unter Verwendung der relativ neuen Technik der „parallel RF Transmission“ (pTX) sowie Anordnungen mehrerer lokal wirkender RF-Sendeantennen, sollten diese Artefakte reduziert werden. Im ersten Teil des Projekts konnte dieses Ziel bei 3T mit der Methode des „parallel z-Shim“ weitestgehend erreicht werden. Die örtlich begrenzten Sendefelder der Mehrkanal-Sendespulen erlauben hier eine Anpassung der Anregungspulse zur Kompensation der ebenso örtlich auftretenden Signalverluste, ohne die Darstellung ursprünglicher „intakter“ Hirnregionen zu kompromittieren. Bei der hohen Magnetfeldstärke von 7T hingegen ist das Sichtfeld der einzelnen Sendeelemente nicht mehr ausreichend räumlich begrenzt, was zu dem Schluss führte, dass parallel z-Shim bei diesen Feldstärken ungeeignet ist. Im Zweiten Teil des Projekts wurden besondere, sogenannte Spectral-Spatial (SPSP) Anregungspulse für herkömmliche klinische Einkanal-Scanner für die fMRT entwickelt. Hierzu musste zunächst das Verhältnis zwischen Signalverlust und gewebe- und anatomisch bedingten Abweichungen von der „Soll-Feldstärke“ charakterisiert werden. Dieser Wert „α“ wurde ermittelt und zur Berechnung on RF-Pulsen verwendet, die eine gleichmäßige Signal-Anregung ermöglichen, und zwar gleichzeitig in nicht, moderat oder gar stark von Signalverlust betroffenen Regionen. Es wurde weiterhin festgestellt, dass ein Wert für α gleichermaßen für alle Bereiche im Kopf gilt - damit wurde der dritte Teil Projekts hinfällig, in dem spekuliert wurde, dass für eine optimale Korrektur mit Hilfe von pTX lokal nachjustiert werden muss. Indessen erfreuten sich Neuentwicklungen mit „simultaneous multi-slice imaging“ in der fMRT großer Beliebtheit, weil sie die EPI-Abtastraten durch das gleichzeitige Messen von bis zu 8 Schichten drastisch reduzieren können. Anlass genug, um die optimierten RF-Pulse aus Teil zwei zu Multi-Schicht Pulsen weiterzuentwickeln. Dies war sehr erfolgreich, und es konnten die ersten fMRT Messungen überhaupt mit dieser Art von Anregungspulsen präsentiert werden. In einer folgenden, ursprünglich auch nicht vorgesehenen Studie wurde „SMS-pTX“ entwickelt, ein gänzlich anderes Konzept zur gleichzeitigen Anregung mehrerer Schichten mit Hilfe von parallel RF transmission. Indem Schichten nur durch die am nähesten gelegenen RF-Sendeelemente angeregt werden, kann die Gesamt-Sendeleistung für die Multischicht-Anregung stark reduziert werden. Dieses ist insofern von großem praktischem Belang, als dass die erlaubte RF-Einstrahleistung aus Gründen der Patientensicherheit je nach Anwendung sehr restriktiv sein kann. Als ein weiteres Nebenprodukt des Projekts wurde eine nahe zu artefaktfreie EPI-Sequenz („IDEA EPI“) ohne die bekannten EPI-Geister entwickelt und angewendet. Wie sich schnell herausstellte, passte die Methode unvorhergesehen gut in den Rahmen dieses Projekts: durch das Einfügen kleiner Gradientenpulse konnte die Sequenz so verändert werden, dass sie ohne zusätzliche Messzeit gleichzeitig zwei signalverlustfreie Bilder sowohl der Hirnregionen ohne und mit den Signalauslöschungen liefert. Diese Bilder können dann zu einem Bild zusammengefügt werden, in dem alle Regionen nahezu ohne Signalverlust dargestellt werden.
Publications
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Simultaneous Multi-Slice Spectral-Spatial Excitations for Reduced Signal Loss Susceptibility Artifact in BOLD fMRI. Magn Reson Med.
Anderson RJ, Poser BA, Stenger VA
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SMS-pTX: Simultaneous multi-slice acquisition by parallel transmission. Magn Reson Med.
Poser BA, Anderson RJ, Guerin B, Setsompop K, Deng W, Mareyam A, Serano P, Wald LL, Stenger VA
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Three-dimensional Fourier-encoding of simultaneously excited slices: generalized acquisitions and Reconstruction framework. Magn Reson Med.
Zahneisen B, Poser BA, Ernst TE, Stenger VA
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Spectral Decomposition of Susceptibility Artifacts for Spectral-Spatial RF Pulse Design. Magn Reson Med 68(6):1905-10; 2012
Yang C, Poser BA, Deng W, Stenger VA
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Single-shot echo-planar imaging with Nyquist ghost compensation: Interleaved Dual-Echo with Acceleration (IDEA) echo-planar imaging (EPI). Magn Reson Med 69(1):37-47; 2013
Poser BA, Barth M, Goa PE, Deng W, Stenger VA
