Anatomical and Functional Human Imaging at 9.4 T

Abstract

In this work, human magnetic resonance imaging at a field strength of 9.4 T was investigated, using high resolution anatomical as well as functional imaging. The thesis is subdivided into three parts concerning susceptibility-induced imaging, high resolution anatomical imaging with acquisition weighting, and functional imaging using spin-echo and gradient-echo echo planar imaging (EPI). The first topic, susceptibility-induced imaging, discusses acquisition and post-processing of maps of the apparent transverse relaxation time T2*, phase images and susceptibility-weighted images. In order to optimize T2*-weighted sequences at 9.4 T, T2* has to be known for different tissue types in the brain. For a resolution of 350 um x 350 um x 2.0 mm, gray and white matter T2* were determined to be 21 ms and 28 ms, respectively. Furthermore, T2* values in several structures were measured, such as putamen (17 ms), globus pallidus (11 ms), and optic radiation (21 ms). With the echo time set to a mean T2* value of gray and white matter, phase images were acquired. To remove unwanted phase variations, a combination of phase unwrapping and filtering was required. After postprocessing, these images with a nominal resolution of 130 um in-plane and 1.5 mm slice thickness displayed small structures within the cortex such as stripes similar to the stripe of Gennari. For a highly detailed display of venous structures, susceptibility-weighted imaging (SWI) is ideally suited, since the contrast generated by the paramagnetic deoxyhemoglobin in the veins is emphasized by combining the magnitude and phase images via a phase mask. Using this post-processing scheme, high resolution SW images were acquired at 9.4 T and at 3 T for comparison, and minimum intensity projections were computed. Even with the same resolution, 9.4 T data displayed significantly more veins than 3 T data due to elevated contrast. The next chapter analyzes the potential benefits of acquisition weighting for high resolution imaging with GRE sequences. Compared to normal Cartesian sequences, acquisition weighting employs a different averaging scheme: Not all phase-encoding lines are averaged the same number of times, but the number of accumulations varies depending on the position in k-space. This number is determined so that the resulting k-space is weighted with a Hanning function. To characterize the resolution properties of the new sequence, its point-spread function is simulated as well as measured on a phantom. Less Gibbs ringing and higher signal-to-noise ratio are found compared to a conventional sequence with identical acquisition time. Using this averaging scheme incorporated into a 3D GRE sequence with 3 averages, signal-to-noise ratio increases of between 15 % and 28 % are obtained in the data of human volunteers. Therefore, ultra-high resolution magnitude and phase images with a voxel volume of 14 nl could be acquired. In the third chapter, functional imaging at high field is examined, using two types of fast imaging sequences, gradient-echo (GRE) and spin-echo (SE) EPI. The feasibility of high resolution functional imaging with voxel sizes of 1 mm³ is demonstrated at 9.4 T, producing reliable activation patterns in the motor cortex. Since simulations have predicted higher specificity of SE-EPI at high field strength, GRE-EPI and SE-EPI are compared in terms of the co-localization of activation with veins. They are identified on complementary high resolution anatomical images, and registered onto the lower resolution functional data. After averaging blood-oxygenation level-dependent (BOLD) signal time courses within venous and non-venous regions, the mean BOLD signal change is computed. In SE-EPI, the influence of parameters such as echo time, readout time, and resolution, on the specificity are explored. For GRE-EPI, the signal change in tissue amounts to only 60 % of that in veins. For SE-EPI, this value ranges from 75 % to 102 %, larger values being reached with longer echo time as well as with shorter readout time. Compared to GRE-EPI, the overlap of activations with veins is decreased in SE-EPI from 31 % to 21 %, but is still substantially different from zero. This demonstrates the improved specificity with SE-EPI using long echo times and short readout times, yet the readout times may have to be pushed to its limits for optimal specificity. In conclusion, strategies for anatomical and functional imaging have been developed and evaluated for human brain imaging at a field strength of 9.4 T, which demonstrate the potential for high resolution anatomical and specific functional imaging at ultra-high field.

In dieser Arbeit wurde Bildgebung am Menschen mittels Kernspintomographie bei einer Feldstärke von 9,4 T untersucht, mit den beiden Schwerpunkten hochaufgelöste anatomische Bildgebung und funktionelle Bildgebung. Die Doktorarbeit ist in drei Teilabschnitte gegliedert: suszeptibilitäts-induzierte Bildgebung, hochaufgelöste anatomische Bildgebung und funktionelle Bildgebung mit Hilfe von Spin-Echo (SE) und Gradienten-Echo (GRE) Echo-Planar Imaging (EPI). Im ersten Abschnitt, suszeptibilitätsinduzierte Bildgebung, werden Aufnahme und Nachbearbeitung von Karten der scheinbaren transversalen Relaxationszeit T2*, Phasenbildern und suszeptibilitätsgewichteten Bildern diskutiert. Um T2*-gewichtete Sequenzen bei 9,4 T zu optimieren, müssen T2*-Werte für die verschiedenen Gewebetypen im Gehirn bekannt sein. Bei einer Auflösung von 350 um x 350 um x 2.0 mm wurde T2* für graue und weiße Substanz bestimmt mit den gemittelten Werten von 21 ms und 28 ms. Weiterhin wurden T2*-Werte für verschiedene Strukturen wie Putamen (17 ms), Globus Pallidus (11 ms) und Radiatio Optica (21 ms) gemessen. Mit einer Echozeit, die dem Mittelwert der gemittelten T2*-Werte von grauer und weißer Substanz entspricht, wurden Phasenbildern aufgenommen. Um ungewollte Phasenvariationen zu entfernen wurde eine Kombination aus Phasen-Unwrapping und Filtern benutzt. Nach der Nachbearbeitung zeigten diese Bilder mit der nominellen Auflösung von 130 um x 130 um x 1.5 mm kleine Strukturen innerhalb des Kortex wie zum Beispiel Streifen ähnlich dem Gennari-Streifen. Suszeptibilitätsgewichtete Bilder sind ideal um detaillierte Bilder von venösen Gefäßen aufzunehmen, da der Kontrast durch das paramagnetische Deoxyhämoglobin in den Venen durch die Kombination von Magnituden- und Phasenbildern mit Hilfe von Masken verstärkt wird. Bei Feldstärken von 3 T und 9,4 T wurden Daten aufgenommen, die mit Hilfe dieser Methode nachbearbeitet wurden. Von diesen wurden Minimumintensitätsprojektionen erstellt. Sogar bei gleicher Auflösung waren durch den erhöhten Kontrast in den 9,4 T Bildern mehr Venen sichtbar als in den 3 T Bildern. Das nächste Kapitel der Doktorarbeit analysiert die potentiellen Vorteile von Akquisitionswichtung für hochaufgelöste Bildgebung mit GRE-Sequenzen. Im Vergleich zu normalen kartesischen Sequenzen wird bei der Akquisitionswichtung ein anderes Mittelungsschema verwendet: nicht alle Phasenkodierschritte werden gleich oft gemittelt, sondern die Anzahl der Mittelungen variiert mit der Position im k-Raum. Diese Zahl wird so bestimmt, dass der resultierende k-Raum wie eine Hanning-Funktion gewichtet ist. Um die Auflösungseigenschaften zu charakterisieren wurde die zugehörige Punktspreizfunktion (PSF) simuliert und an einem Phantom gemessen. Im Vergleich zu der konventionellen Sequenz mit identischer Akquisitionszeit wurden reduziertes Gibbs-Ringing und ein größeres Signal-zu-Rausch Verhältnis beobachtet. Mit diesem Mittelungsschema, das in eine 3D GRE Sequenz mit drei Mittelungen eingebaut wurde, wurde eine Zunahme des Signal-zu-Rausch Verhältnis von 15% bis 28% in Daten von Probanden gemessen. Es war auch möglich mit dieser Sequenz ultrahochaufgelöste Magnituden- und Phasenbilder aufzunehmen, die Voxelvolumen von nur 14 nl besaßen.Im dritten Teil wurde funktionelle Bildgebung bei hoher Feldstärke mit Hilfe von SE und GRE-EPI untersucht. Durch zuverlässig aufgenommene Aktivierungsmuster im Motorkortex wurde die Machbarkeit von hochaufgelösten funktionellen Bildern mit Voxelvolumen von 1 mm³ bei 9,4 T demonstriert. Da Simulationen die höhere Spezifität von SE-EPI bei hoher Feldstärke vorhergesagt haben, wurde die Überlappung von Venen und funktioneller Aktivierung bei GRE-EPI und SE-EPI untersucht. Diese Venen wurden auf zusätzlich aufgenommen hochaufgelösten anatomischen Bildern identifiziert und auf die niedriger aufgelösten funktionellen Daten registriert. Nach Mittelung des BOLD Zeitsignals in sogenannten venösen und nicht-venösen Regionen wurde die mittlere BOLD Signaländerung bestimmt. Bei SE-EPI wurde der Einfluss der Parameter Echozeit, Auslesezeit und Auflösung auf die Spezifität untersucht. Bei GRE-EPI war die Signaländerung im Gewebe nur 60% der Signaländerung in den Venen. Dagegen lagen die Werte bei SE-EPI zwischen 75% und 102%, wobei höhere Werte bei längeren Echozeiten und kürzeren Auslesezeiten erreicht wurden. Im Vergleich zu GRE-EPI ist die Überlappung von Aktivierungsregionen mit Venen bei SE-EPI kleiner, mit Werten von 31% bis 21%, aber trotzdem noch signifikant größer als 0. Diese Ergebnisse zeigen die bessere Spezifität von SE-EPI mit langen Echozeiten und kurzen Auslesezeiten, dennoch müssten die Auslesezeiten noch weiter verkürzt werden für optimale Spezifität. In dieser Arbeit wurden Strategien für anatomische und funktionelle Bildgebung bei 9,4 T am menschlichem Gehirn entwickelt und untersucht, und Potenziale für hochaufgelöste anatomische und spezifische funktionelle Bildakquisition bei dieser Feldstärke aufgezeigt.