TrueBOLD: Detection of brain activity with TrueFISP

• Antragsteller: Professor Klaus Scheffler, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320973753

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

TrueBOLD ist eine neue Technik zur Messung von neuronaler Aktivität beim Menschen mittels Magnetresonanztomographie basierend auf der sogenannten balanced SSFP Messbethode. Gewöhnlich werden Veränderungen der Sauerstoffsättigung des Blutes mit T2*-gewichteten echoplanaren Sequenzen (EPI) nachgewiesen, die empfindlich auf die statische Dephasierung um kleine und größere Gefäße herum reagieren. EPI ist nicht spezifisch für eine bestimmte Art von Gefäßarchitektur oder -größe, ist sehr sensitiv für grössere und unspezifische kortikale Venen, weist erhebliche räumliche Verzerrungen auf und stellt somit eine große Herausforderung bei der präzisen Koregistrierung zu anatomischen Messungen im Submillimeterbereich dar. Die vorgeschlagene Messung von BOLD-Signalen mit passband balanced SSFP, TrueBOLD, hat das Potenzial, diese Einschränkungen zu überwinden. Wir haben uns mit einer Reihe von Herausforderungen und Forschungsfragen beschäftigt, die mit der schnellen und zuverlässigen Implementierung von balanced SSFP bei 9,4T verbunden sind. Ein wichtiges Ergebnis dieses Projekts war die Demonstration der sehr spezifischen Empfindlichkeit von TrueBOLD für kleine kortikale Gefäße, die eine kortikal-laminarspezifische funktionelle Bildgebung ohne den Bias durch größere ableitende Venen ermöglicht. Wir haben auch gezeigt, dass die laminarspezifische funktionelle Bildgebung mit TrueBOLD eine höhere Signalstabilität und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis als die bestehenden Techniken aufweist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Multiline balanced SSFP for rapid functional imaging at ultrahigh field. Magnetic Resonance in Medicine, 79(2), 994-1000.
  Ehses, Philipp & Scheffler, Klaus
  
• The impact of vessel size, orientation and intravascular contribution on the neurovascular fingerprint of BOLD bSSFP fMRI. NeuroImage, 163, 13-23.
  Báez-Yánez, Mario Gilberto; Ehses, Philipp; Mirkes, Christian; Tsai, Philbert S.; Kleinfeld, David & Scheffler, Klaus
  
• Autofocusing‐based phase correction. Magnetic Resonance in Medicine, 80(3), 958-968.
  Loktyushin, Alexander; Ehses, Philipp; Schölkopf, Bernhard & Scheffler, Klaus
  
• The BOLD sensitivity of rapid steady‐state sequences. Magnetic Resonance in Medicine, 81(4), 2526-2535.
  Scheffler, Klaus; Heule, Rahel; Báez‐Yánez, Mario G.; Kardatzki, Bernd & Lohmann, Gabriele
  
• A 32‐channel multi‐coil setup optimized for human brain shimming at 9.4T. Magnetic Resonance in Medicine, 83(2), 749-764.
  Aghaeifar, Ali; Zhou, Jiazheng; Heule, Rahel; Tabibian, Behzad; Schölkopf, Bernhard; Jia, Feng; Zaitsev, Maxim & Scheffler, Klaus
  
• Impact of prospective motion correction, distortion correction methods and large vein bias on the spatial accuracy of cortical laminar fMRI at 9.4 Tesla. NeuroImage, 208, 116434.
  Bause, Jonas; Polimeni, Jonathan R.; Stelzer, Johannes; In, Myung-Ho; Ehses, Philipp; Kraemer-Fernandez, Pablo; Aghaeifar, Ali; Lacosse, Eric; Pohmann, Rolf & Scheffler, Klaus
  
• Intravascular BOLD signal characterization of balanced SSFP experiments in human blood at high to ultrahigh fields. Magnetic Resonance in Medicine, 85(4), 2055-2068.
  Pérez‐Rodas, Marlon; Pohmann, Rolf; Scheffler, Klaus & Heule, Rahel
  
• Multi‐parametric artificial neural network fitting of phase‐cycled balanced steady‐state free precession data. Magnetic Resonance in Medicine, 84(6), 2981-2993.
  Heule, Rahel; Bause, Jonas; Pusterla, Orso & Scheffler, Klaus
  
• BOLD sensitivity and vessel size specificity along CPMG and GRASE echo trains. Magnetic Resonance in Medicine, 86(4), 2076-2083.
  Scheffler, Klaus; Engelmann, Jörn & Heule, Rahel
  
• High‐resolution neural network‐driven mapping of multiple diffusion metrics leveraging asymmetries in the balanced steady‐state free precession frequency profile. NMR in Biomedicine, 35(6).
  Birk, Florian; Glang, Felix; Loktyushin, Alexander; Birkl, Christoph; Ehses, Philipp; Scheffler, Klaus & Heule, Rahel
  
• Unshielded bent folded‐end dipole 9.4 T human head transceiver array decoupled using modified passive dipoles. Magnetic Resonance in Medicine, 86(1), 581-597.
  Avdievich, Nikolai I.; Solomakha, Georgiy; Ruhm, Loreen; Henning, Anke & Scheffler, Klaus
  
• Accelerated MRI at 9.4 T with electronically modulated time‐varying receive sensitivities. Magnetic Resonance in Medicine, 88(2), 742-756.
  Glang, Felix; Nikulin, Anton V.; Bause, Jonas; Heule, Rahel; Steffen, Theodor; Avdievich, Nikolai & Scheffler, Klaus
  
• MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPHY (MRT) IMAGING, EMPLOYING RF RECEIVE COILS WITH TEMPORAL SENSITIVITY PROFILE MODULATION. Patent number: 11378634 Type: Grant, Filed: August 4, 2020, Date of Patent: July 5, 2022 Assignee: Max-Planck-Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften e. V.
  Klaus Scheffler; Jonas Bause; Alexander Loktyushin & Kai Buckenmaier
  
• Optimized ultrahigh field parallel transmission workflow using rapid presaturated TurboFLASH transmit field mapping with a three‐dimensional centric single‐shot readout. Magnetic Resonance in Medicine, 89(1), 322-330.
  Bosch, Dario; Bause, Jonas; Geldschläger, Ole & Scheffler, Klaus
  
• FastPtx: a versatile toolbox for rapid, joint design of pTx RF and gradient pulses using Pytorch’s autodifferentiation. Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, 37(1), 127-138.
  Bosch, Dario & Scheffler, Klaus
  
• Functional mapping of sensorimotor activation in the human thalamus at 9.4 Tesla. Frontiers in Neuroscience, 17.
  Charyasz, Edyta; Heule, Rahel; Molla, Francesko; Erb, Michael; Kumar, Vinod Jangir; Grodd, Wolfgang; Scheffler, Klaus & Bause, Jonas
  
• Prediction of motion induced magnetic fields for human brain MRI at 3 T. Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, 36(5), 797-813.
  Zhou, Jiazheng; Hagberg, Gisela E.; Aghaeifar, Ali; Bause, Jonas; Zaitsev, Maxim & Scheffler, Klaus
  
• Reconfigurable dipole receive array for dynamic parallel imaging at ultra‐high magnetic field. Magnetic Resonance in Medicine, 90(4), 1713-1727.
  Nikulin, Anton V.; Glang, Felix; Avdievich, Nikolai I.; Bosch, Dario; Steffen, Theodor & Scheffler, Klaus
  
• Intra‐scan RF power amplifier drift correction. Magnetic Resonance in Medicine, 92(2), 645-659.
  Aghaeifar, Ali; Bosch, Dario; Heule, Rahel; Williams, Sydney; Ehses, Philipp; Mauconduit, Franck & Scheffler, Klaus
  
• Submillimeter balanced SSFP BOLD–functional MRI accelerated with 3D stack‐of‐spirals at 9.4 T. Magnetic Resonance in Medicine, 92(1), 186-201.
  Iyyappan, Valsala Praveen; Veldmann, Marten; Bosch, Dario; Scheffler, Klaus & Ehses, Philipp
  
• Macrovascular contributions to resting-state fMRI signals: A comparison between EPI and bSSFP at 9.4 Tesla. Imaging Neuroscience, 3.
  Ramadan, Dana; Mueller, Sebastian; Stirnberg, Ruediger; Bosch, Dario; Ehses, Philipp; Scheffler, Klaus & Bause, Jonas