Applying functional magnetic resonance imaging in 7 T magnetic field

Työssä tutustuttiin ydinmagneettiseen resonanssiin fysikaalisena ilmiönä ja esitettiin sen muodostavan magneettikuvantamisen (MRI) perustan. Tarkasteltiin kuvakontrastiin vaikuttavia tekijöitä ja perustyypin kuvantamistekniikoita, spinkaikua ja gradienttikaikua. Näistä jälkimmäinen on perustana funktionaalisessa magneettikuvantamisessa (fMRI), jossa sovelletaan nopeaa kuvantamistekniikkaa (EPI). Tämän jälkeen esiteltiin aivojen anatomiaa ja yleistä toiminnallista rakennetta. Lisäksi määriteltiin kognitiivisen neurotieteen käsite ja merkitys aivojen tutkimuksen näkökulmasta. Aivojen erilaisten kognitiivisten prosessien mittaaminen ja havaitseminen magneettikuvantamisen avulla on perustava tutkimustavoite funktionaalisessa magneettikuvantamisessa. Veren happitason vaihtelut neuronaalisen aktiivisuuden seurauksena, tunnettu BOLD-ilmiö, mahdollistaa perustavan fMRI-kuvaustekniikan. Pohdittiin fMRI:llä saavutettavaa signaali-kohinasuhdetta (SNR) ja esitettiin tämän parantamiseksi voimakkaamman päämagneettikentän B0 käyttöä. Lisäksi analysoitiin BOLD fMRI-signaalin avaruudellista ja ajallista resoluutiota. Jälkimmäistä rajoittaa vähintään 6 sekunnin hemodynaaminen viive. Luvun 4 lopussa perehdyttiin fMRI-kuvantamisen soveltavaan esimerkkiin aivojen aktivaatioverkostoista luonnollisten ärsykkeiden kokeessa. Seuraavaksi arvioitiin 7 teslan päämagneettikentän käytön olennaisia vaikutuksia fMRI-kuvantamiseen. Poikittainen relaksaatioaika T2* lyhenee ja on aivojen harmaalle aineelle keskimäärin 33 ms sekä vastaavasti valkoiselle aineelle 27 ms. Jälkimmäisessä havaitaan suurta heterogeenisuutta. BOLD-signaalin suhteellinen muutos kasvaa magneettikentän voimistuessa, mikä mahdollistaa 7 T fMRI-kuvien erinomaisen kontrastin. Fysiologinen kohina on hallitseva kohinatermi suurilla magneettikentillä. Tätä pienennetään parantamalla resoluutiota, jonka optimaaliset arvot ovat 2–6 mm3 7 teslan kentässä. Tästä huolimatta SNR pysyy riittävän hyvänä. BOLD herkkyys paranee voimakkaammilla magneettikentillä ja tarkentamalla resoluutioita. Herkkyys on huipussaan vokselin koolla 2–8 mm3 ja kaikuajan ollessa samansuuruinen kuin vastaava relaksaation T2* arvo. 7 T fMRI-kuvantamisen suurimpia haasteita ovat ensiksi suskeptibiliteetti ja B0-epähomogeenisuus. Näiden korjaamiseksi pienennetään vokselin kokoa eli kuvataan tarkalla resoluutiolla ja sovelletaan aktiivisia sekä dynaamisia B0-shimming tekniikoita. Toiseksi B1-kenttä on hyvin epähomogeeninen, minkä syynä on ihmisen pään kokoluokkaa oleva RF-aallonpituus (noin 13 cm 7 teslan kentässä protoniytimien Larmor-taajuudella 296 MHz). Tämän ratkaisuna esitetään sekä passiivinen RF-shimming että aktiivinen alue- ja viipalekohtainen B1-shimming. Eräs jälkimmäisenä mainituista menetelmistä on RF-tehoa ja B1-kentän variaatiokerrointa (COV) minimoiva algoritmi. Kolmanneksi ongelmallista pään liikettä rajoitetaan pään pidikkeillä kuten muovinaamioilla, kouluttamalla koehenkilöitä MRI-simulaattoreilla ja lopullisten kuvien korjausalgoritmeilla, esimerkiksi yhteisrekisteröinnillä. Neljänneksi kuvattavaan kohteeseen imeytyvä RF-teho, SAR, on yksi monimutkaisimmista osa-alueista MRI-tutkimuksessa. SAR kasvaa neliöllisesti kenttien B0 ja B1 suhteen. Tämä rajoittaa kuvauksen viipaleiden määrää ja toistoajan valintaa. Erittäin nopea ja tarkan resoluution rinnakkaiskuvantaminen (PI) mahdollistaa RF-pulssien lukumäärän vähentämisen. PI-menetelmät havaitaan hyvin edullisiksi, varsinkin voimakkaiden kenttien fMRI-kuvauksissa.Physical phenomenon nuclear magnetic resonance imaging was introduced as a basis of magnetic resonance imaging (MRI). Contrast mechanisms and basic imaging techniques, spin echo and gradient echo, were discussed. The latter is a basis of functional MRI (fMRI) where fast imaging methods, such as echo planar imaging (EPI), are applied. Thereafter the anatomy and known functional structure of human brain was described. Furthermore concept of cognitive neuroscience and it’s role in brain research was defined. Measuring and detecting different cognitive processes of the brain using MRI is fundamental research objective in fMRI. This is based on blood oxygenation level dependence, known as the BOLD-effect. The attainable signal-to-noise ratio (SNR) was considered and applying higher magnetic field B0 presented as a solution for improving SNR. In addition fMRI BOLD-signal spatial and temporal resolution was analyzed. The latter is limited by at least 6 second hemodynamic delay. At the end of chapter 4 an example of fMRI imaging was demonstrated, in which activation networks of the brain were studied using natural stimuli. Next using 7 T magnetic field in fMRI was evaluated and it’s effects described. Transverse relaxation time T2* turns out to be shorter, for gray matter (GM) of brain 33 ms and white matter (WM) 27 ms on average. A great deal of heterogeneity is observed for WM T2* value. A BOLD-signal relative change increase as the magnetic field is higher, which permits an excellent contrast for 7 T fMRI images. Physiological noise is the dominant source of noise with high magnetic field strengths. This can be reduced by improving resolution, which has optimal values of 2–6 mm3 with 7 T field. Satisfactory SNR is maintained regardless. BOLD sensitivity increases with higher field strength and resolution. The maximum value for sensitivity is achieved with 2–8 mm3 voxel size and when echo time equals the value of T2*. The greatest challenges for 7 T fMRI are firstly susceptibility and B0 inhomogeneity. Solutions for these are using smaller voxels with better resolution together with applying active and dynamic B0-shimming. Secondly there is a great deal of B1 inhomogeneity, which is mainly caused by RF wavelength of a size of human brain (ca. 13 cm in 7 T field with proton Larmor frequency 296 MHz). For correcting the problem both passive RF-shimming and active area and slice selective B1-shimming is applied. As one of the active shimming methods optimization algorithm is presented, which minimizes RF power together with B1 field coefficient of variation (COV). Thirdly the problematic head motion is reduced with head restraints such as thermoplastic masks, patient training with MRI simulators and image motion correction algorithms, for example coregistration. Fourthly the absorbed RF-power, SAR, is one of the most complex research areas in MRI. SAR increases quadratically with magnetic fields B0 and B1. This limits the amount of slices and choice of repetition time. Applying very high temporal and spatial resolution parallel imaging (PI) permits usage of reduced number of RF-pulses. PI-methods are very beneficial, especially in high field functional magnetic resonance imaging