Using phase information to improve the reliability of functional MRI / submitted by Barbara Dymerska

• MitwirkendeR: Dymerska, Barbara
• Place / Publishing House: Wien, September 2016
• Year of Publication: 2016
• Language: English
• Classification: 44.31 - Medizinische Physik; 44.64 - Radiologie
• Physical Description: IX, 135 Seiten; Illustrationen; 12 cm
• Notes: Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers

ger: Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat sich als eine effektive Methoden zur Detektion von Gehirnaktivität etabliert. Als nicht-invasive Methode wird fMRT zunehmend für die prä-operative Planung bei Patienten mit Gehirntumoren und Epilepsie eingesetzt. Durch die funktionelle Bildgebung lassen sich eloquente Gehirnareale präzise lokalisieren, und können dadurch bei der Entfernung von naheliegendem pathologischem Gewebe umgangen werden. Dies kann weitere Lähmungen der Patienten verhindern und auch die Wiederherstellung von sensorischen und sprachlichen Fähigkeiten begünstigen. Der Einsatz von Ultrahochfeld (7T) verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch eine höhere Auflösung bzw. verringerte Messzeit ermöglicht wird. Darüber hinaus sind ultra-hohe Feldstärken sensitiver gegenüber Signaländerungen in Nervengewebe als in den größeren Venen, welche diese durchbluten. Allerdings stehen diesen Vorteilen auch Nachteile gegenüber, von denen die zwei wichtigsten in dieser Dissertation adressiert werden. Das erste Problem betrifft die geometrische Verzerrung der funktionalen Abbildungen, welche direkt proportional zur Feldstärke zunimmt. Die klinische Relevanz der Korrekturen dieser Verzerrung für die prä-operative Planung wird in dieser Dissertation beleuchtet. Zu diesem Zweck wurde die Methode der statischen Feldkartierung adaptiert, welche auf einer einmaligen Abschätzung der Feldinhomogenitäten basiert. Diese einmalige Abschätzung ist jedoch nicht ausreichend, wenn Atmung und Kopfbewegungen das Feld beeinflussen. Dynamische Korrekturmethoden können diesem Defizit jedoch entgegentreten. Zwei Methoden zur dynamischen Verzerrungskorrektur wurden im Zuge dieser Dissertation entwickelt. Die erste Methode basiert auf einer Echo Planar Imaging (EPI) Sequenz, welche mit alternierender Echozeit aufgenommen wurde. Dabei wird zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden EPI Bildern jeweils eine Feldkartierung berechnet. Die zweite Methode benötigte keine Modifikation der Sequenz, jedoch war eine zusätzliche Referenzaufnahme notwendig, um für jedes EPI Bild eine separate Feldkartierung zu berechnen. Beide Methoden konnten die Verzerrungen in den Daten gesunder Probanden akkurat korrigieren, auch bei Auftreten größerer Bewegungen. Das zweite Problem betrifft die verlässliche Abschätzung der funktionellen Sensitivität von fMRT, auch BOLD Sensitivität genannt. Die Kartierung der BOLD Sensitivität gibt Wissenschaftlern nicht nur eine schnelle Möglichkeit zur Optimierung von fMRT Messungen an die Hand sondern kann auch auf mögliche falsch-negative Aktivierungsergebnisse in Regionen kleiner Sensitivität hindeuten. Um dieses Problem zu adressieren, wurde als Erstes die BOLD Sensitivität unter zwei Feldstärken (3T und 7T) in den eloquenten Gehirnarealen von Patienten zur prä-klinischen Vorbereitung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zum Wernicke Areal, das Broca Areal stärker von lokal variierenden Feldinhomogenitäten beeinflusst wird. Dies könnte eine potentielle Erklärung sein für fehlende funktionale Vorteile von 7T gegenüber 3T bei Messungen im Broca Areal. Als Zweites wurde eine BOLD Sensitivitäskartierung unter 7T durchgeführt, in der sämtliche Gehirnareale sowohl von Patienten als auch gesunden Probanden erfasst wurden. Unterschiedliche Metriken für die Abschätzung der BOLD Sensitivität wurden getestet mit dem Ergebnis, dass sowohl lokale Variationen der Echozeit, hervorgerufen durch Gradienten im Hauptmagnetfeld, als auch zeitliche Variationen des Signals bei der Abschätzung der BOLD Sensitivität berücksichtigt werden müssen. Verzerrungskorrektur und Abschätzung der BOLD Sensitivität sind beides Verfahren, die auf Phaseninformation der fMRT Messungen basieren. Eine erfolgreiche Integration der beschriebenen Methoden, beispielsweise in die präoperative Planungsvorbereitung, könnte die Verlässlichkeit von fMRT signifikant steigern.

eng: Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is a powerful technique for detecting brain activation. As a non-invasive method, fMRI is increasingly being applied in presurgical planning for patients with brain tumors and epilepsy. It allows eloquent brain functions close to pathologies to be localized and spared in resection, avoiding patients’ paralysis and ensuring the recovery of sensory and linguistic abilities. Applying ultra-high magnetic field strength (7 T) in fMRI provides high signal to noise ratio, which allows the measurement resolution to be increased or the measurement time reduced. Ultra-high fields are also relatively more specific to signal changes in the tissue which contains activated neurons than to the larger veins which drain it. In addition to these advantages, some problems also arise at 7 T, however. Two of the most important of these were addressed in this dissertation. The first problem, which has been considered is the geometric distortion of functional images, which increases linearly with the field strength. The potential clinical relevance of distortion correction in presurgical planning is discussed in this dissertation. For this purpose a commonly used approach of static field mapping was adapted, where field inhomogeneities are estimated only once. Head motion or respiration, however, change the field over time, giving rise to the need for a dynamic correction method. Two methods of dynamic unwarping were developed during this PhD project. The first one was based on Echo Planar Imaging (EPI) sequence with a jittered echo time, where field maps were created between adjacent EPI volumes. The second one did not require sequence modification but an additional reference scan. The derivation of the field map was performed from each EPI volume separately. Both methods provided accurate distortion correction in the data from healthy volunteers even in the presence of large motion. The second problem discussed in this thesis is how to reliably estimate the functional sensitivity of fMRI (also called BOLD sensitivity). BOLD sensitivity mapping can provide researchers with a fast means to optimize fMRI measurements, but more importantly could be used to indicate possible false negative activation results in low sensitivity regions. Firstly, the functional sensitivity is investigated at two field strengths, 3 T and 7 T, in eloquent areas of the brain for patients undergoing presurgical planning. It has been shown that Broca’s area is affected stronger by locally varying field inhomogeneities than Wernicke’s region, which can be the potential cause for the lack of the functional benefit of 7 T over 3 T in Broca’s area. Secondly, BOLD sensitivity mapping with full brain coverage was performed at 7 T for healthy volunteers and patients. Different metrics for estimating BOLD sensitivity were tested bringing the conclusion that both local variations in echo time, induced by gradients in main magnetic field, and temporal variations in signal, must be included in the estimation of BOLD sensitivity. The topic of distortion correction and BOLD sensitivity estimation are connected by the utilization of the phase information inherent to the fMRI measurement. A successful realization of the proposed methods in such applications as presurgical planning is expected to significantly increase the reliability of functional MRI.