7T超高场下基于自由稳态进动的功能磁共振成像方法

Along with higher signal-to-noise ratio and contrast-to-noise ratio, ultra-high field introduces severe artifacts to functional MRI (fMRI) based on conventional echo-planar imaging (EPI). Especially near the air/tissue boundaries, the change of susceptibilities induces severe image distortion and signal dropout, limiting the application of many fMRI studies. Our previous work suggested that steady state free precession (SSFP) technique could take full advantage of the improved contrast-to-noise ratio (Chen et. al., ISMRM 2005), and SSFP-based fMRI could be robust against image distortion and signal dropout induced by field inhomogeneity (Chen et. al., ISMRM 2012). .In this work, we propose applying our expertise on SSFP techniques to 7T ultra-high field fMRI. Our goals include:.1) implementation and optimization of SSFP-based fMRI on a 7T ultra-high field system;.2) measuring and exploring the hemodynamic response function (HRF) of SSFP fMRI, using the initial dip to improve the accuracy and precision of functional localization;.3) combining SSFP sequence with spiral readout, to achieve 3D SSFP fMRI with enhanced spatial and temporal resolution.

超高场磁共振带来了虽然更高的图像信噪比和差噪比，但是传统的基于平面回波(EPI)的功能磁共振(fMRI)也会产生更为严重的图像伪影。特别是在组织/空腔交界附近，图像伪影阻碍了许多fMRI研究的开展。申请人以往的工作表明，自由稳态进动(SSFP)技术可以更为有效的利用图像差噪比(Chen et. al., ISMRM 2005)，并且基于SSFP的fMRI可以成功克服磁场不均匀性带来的图像畸变和信号丢失(Chen et. al., ISMRM 2012)。本项目拟在申请人已有的工作基础上，进一步将该技术用于7T超高场的功能磁共振成像。本项目将：1）实现并优化7T超高场下基于SSFP的fMRI；2）利用SSFP放大初始下降信号,提高功能定位的精确性；3）结合螺旋读出梯度，实现高时空间分辨率的3维SSFP fMRI。

本项研究利用b-SSFP的off-resonance通带平坦部分（P-SSFP）来探测由神经活动引起的血氧变化带来的微小磁敏感性的变化，将其与用于心血管研究的电影（Cine）技术进行结合，开发了分段采集的多时相P-SSFP技术，用于实现50毫秒/20Hz的超高时间采样率，1.4mm*1.7mm的层内空间分辨率的单层fMRI技术，并将此技术称之为Multi-phase P-SSFP。鉴于这项技术的超高时间采样率，可以将其运用于认知科学研究中，用于解决相应的神经活动时序问题。.在事件相关ER-fMRI实验中，该项技术可以提供更多的采样数据点，获得更加精细的血氧动力学反应函数（HRF）信息。因此通过功能实验，可以在HRF曲线上更准确的地探测到早期神经活动的初始下降信号（initial dip）。我们将这项技术与传统的GE-EPI进行同样时间采样率，类似空间分辨率的ER-fMRI实验。实验设计采用的是全屏幕棋盘格视觉刺激，以分别相比于序列扫描触发信号0，100ms，200ms，300ms的延迟进行呈现。结果表明，这两项技术均可以在HRF曲线上探测到这些物理刺激延迟。在图像质量上， GE-EPI则具有更高的信号变化幅度, 而Multi-phase P-SSFP具有更小的伪影。此外，Multi-phase P-SSFP的被试间计算得到的HRF上的延迟差异值更小，即具有更小的方差。换言之，Multi-phase P-SSFP可以更准确地探测到反映在HRF曲线上的刺激延迟。上述实验结果在用相同的实验范式的条件下，在事件相关电位(Event Related Potential, ERP）上得到了验证，进一步支持了本研究所提出的技术的可靠性与可行性。将Multi-phase P-SSFP进一步用于左右视野刺激延迟的研究，发现了在左右视野在刺激转换的过程中使得在HRF上探测得到的刺激实际延迟比原始的物理刺激延迟略长。我们根据现有数据对这一现象进行了分析和讨论。.综上，Multi-phase P-SSFP是一项在7T上具有超高时间采样率的fMRI技术, 可以准确地探测到initial dip这一早期神经活动信号和百毫秒级的视觉刺激延迟，可进一步用于解决与神经活动时序相关的认知科学问题。