基于平衡式稳态自由进动的7T超高场高分辨率快速功能磁共振成像方法研究

7T ultrahigh field MRI provides better image signal to noise ratio (SNR) and resolution, increases fMRI contrast and specificity of BOLD signal, which make it possible to delve deep into the neural mechanism for human brain functional studies. Compared to the traditional GE-EPI, balanced steady state free precession (bSSFP) sequence has less geometric distortions and signal dropouts in ultrahigh fields. BOLD signal changes of bSSFP are more sensitive to small blood vessels, which facilitates to target neural activities more precisely. In this study, we plan to design and manufacture a 7T multi-channel transmit/receive local array coil to improve local fMRI signal and shimming performance in occipital regions. We will also develop a fast multi-echo bSSFP sequence and explore parallel acceleration technology, to increase the fMRI acquisition speed in visual cortex. The new methodology in 7T is expected to create high-quality cortical functional MR images with submillimeter voxel size and in-plane speed of hundreds of milliseconds. Banding artifacts of bSSFP can be reduced with improved local field homogeneity. We aim at conducting high-resolution rapid fMRI at human brain occipital lobe to characterize the BOLD signal changes more accurately in the internal structure of the v1 visual cortex (cortical columns and cortical layers). This high-field fMRI technological advance will enable us to explore the neural mechanisms of perception, cognition, consciousness and behavior on a mesoscopic scale, which shall cast great influence on various basic science researches, such as cognitive neuroscience, psychology, biogenetics and clinical disease diagnosis.

近年来，以7T为代表的超高场磁共振成像技术的发展和应用，为脑功能研究提供了新的机遇。与传统的GE-EPI相比，平衡式稳态自由进动bSSFP技术在超高场中功能图像的几何畸变和信号丢失小，对小血管的信号更敏感，对大脑神经活动定位更精确可靠。本项目拟借助7T超高场的优势，设计研制一种针对大脑枕叶皮层的局部多通道发射接收阵列线圈，开发快速多回波bSSFP序列，结合多种高场并行加速技术，提高V1视皮层的图像信噪比和功能成像速度，提高磁场的局部匀场性能，减少bSSFP序列带状伪影，实现对视皮层内部结构（皮质柱、皮质层）更精准的亚毫米高空间分辨率fMRI，层内成像速度达到数百毫秒量级，在介观空间尺度上，以皮质柱、皮质层和皮质下核团子区为神经计算的基本单位，深入探测知觉、认知、意识和行为的神经机制和功能架构，为认知神经科学、心理学、生物遗传学等基础研究，以及临床疾病诊断提供更先进的成像技术。

近年来，以7T为代表的超高场磁共振成像技术（ultrahigh field MRI），因其具有更高的图像信噪比，空间和频谱分辨率，更高的血氧水平依赖（BOLD）组织对比度，可在介观空间尺度上实现对人体细微组织结构及其功能活动的在体观测，为认知科学和脑功能研究提供了新的机遇。超高场中，与T2*加权GE-EPI相比，平衡式稳态自由进动bSSFP序列基于T2/T1加权获得的功能图像几何畸变小，信号丢失少，对来自小血管的信号更为敏感，能够对神经活动进行更为精准可靠的定位。但是现有的bSSFP序列成像速度较慢，不能够满足快速高分辨率脑功能成像的需求。本项目借助7T超高场成像的优势，设计开发了一种顺序式(sequential)多回波(multi-echo) bSSFP序列，通过梯度的正负快速切换在一个TR周期内实现了短回波链读出的多回波采集，可分别填充多条K空间线，缩短了K空间采集时间，并利用多通道线圈回路的敏感特异性，基于GRAPPA技术的重建算法，成功解卷了顺序式多回波bSSFP的多重鬼影，获得了高信噪比和保真度的fMRI图像。本项目还设计研制了一个具有高品质因子的8多通道发射32通道接收的嵌套式人脑阵列线圈，采用并行发射和多通道接收技术，在7T系统中成功实现了射频匀场,　结合多回波bSSFP序列，提高了功能磁共振成像速度和图像的信号质量和空间分辨率。线圈上方开设左右对称的矩形窗口，可满足视觉认知实验大视角无遮挡的视觉刺激要求。采用局部匀场和射频脉冲相位调制技术，减少了成像区域的带状伪影，在视皮层实现了0.5毫米x0.5.毫米分辨率，快速精准的功能磁共振成像，单层成像速度达到900毫秒量级。我们进一步在bSSFP序列的基础上开发了集成式iSSFP序列，并与同时多层CAPIRINHA技术相结合，实现了四倍加速，消除了带状伪影。利用以上快速成像技术进行亚毫米高时空分辨率功能磁共振成像，取得了良好的图像质量和激活效果，可深入探索大脑皮质层状和柱状结构的知觉、意识和行为的神经机制，为认知神经科学、心理学、分子生物学和遗传学等基础研究，及临床脑疾病诊断和新药开发提供了更为先进的成像技术和手段。