Optimization of Simultaneous Multi Slice EPI for clinical fMRI

Abstract

Functional MRI is a method used to map brain functionality, where the blood oxygen level
(BOLD) imaging method is frequently used. Stimulation of neurons leads to an increase in
energy and oxygen consumption and signal can be detected since oxygen changes the magnetic
properties of the blood. In order to measure the signal variation, a fast pulse sequence is
required. The purpose of this master thesis was to examine multiband EPI, which compared
to the standard EPI, excite several slices simultaneously. Even though this technique leads
to an improvement in the temporal resolution, it also gives a decrease in the temporal signal to noise ratio and more pronounced artifacts which increases with the acceleration factor. Hence, it can be assumed that an optimal acceleration factor exists, where temporal resolution gains and decreased temporal resolution are balanced out. Phantom measurements
were first performed using three head coils (20, 32 and 64 channels). From the phantom
measurements a volunteer protocol was set up. Based on ten volunteers, the area of activation and activation strength were determined. A comparison with the standard technique was made for the 20 and 64 channel coils. Based on the volunteer results, a complementary study with an incomplete paradigm was set up in order to examine the gain when using multiband clinically if the patients are non-compliant. An increase in BOLD-sensitivity was seen in moderately accelerated images when using the 64 channel head coil, which can be beneficial to use in a clinical setting. No advantage with multiband EPI could be seen when using the 20 channel head coil. Because only one volunteer was examined, no conclusions could be drawn from the study with an incomplete paradigm. However, the results indicate that it can be beneficial with multiband in a clinical case of a non-compliant patient.

Popular Abstract (Swedish)

I funktionell MR (fMRI) studeras aktivering i hjärnan som respons på stimuli. Detta stimuli kan bestå av flera olika uppgifter som patienten gör under bildtagningen, där uppgifterna är beroende av vilken funktion eller del av hjärnan som ska undersökas. Funktionell MR är en teknik som till exempel kan användas innan en operation av hjärnan för att i största mån undvika att skada funktionellt viktiga delar. Funktionell MR används också frekvent i forskningssammanhang. Vid ett stimuli kommer hjärncellerna i området kopplat till den specifika övningen att kräva mer energi och syre. Därför kommer både blodflödet till området och mängden syre i blodet att öka. Syre ändrar de magnetiska egenskaperna hos blodet och kommer på så sätt ge en signalökning. Uppgiften görs flera gånger med vila emellan i ett så kallat paradigm. En signal som går upp och ner kommer därför att erhållas. Denna signal jämförs mot en modell som beskriver hur förloppet borde se ut. Detta görs för att kunna avgöra om en aktivering i området har skett. Om överenstämmelsen med modellen är tillräckligt bra räknas det som en aktivering. En typisk funktionell MR-bild kan ses nedan där de röda områdena är de aktiverade områdena.

För att kunna mäta denna signalvariation behövs en snabb bildtagningsteknik. I den teknik som används idag avbildas ett snitt i hjärnan i taget. Syftet med detta arbete är att utvärdera och optimera en teknik som gör det möjligt att bildge flera snitt i taget, kallat att accelerera bildtagningen. Det gör att själva bildtagningen kan gå snabbare. Olika accelerationer kan användas, där en acceleration på två innebär att två snitt i taget avbildas. Det gör det möjligt att antingen minska bildtagningstiden eller ta fler bilder men under samma tid som för standardmetoden. Fler bilder innebär att man kan se förändringarna hos signalen bättre, men det innebär även en försämrad bildkvalité. Uppgiften är därför att hitta den optimala accelerationen för att kunna se så små förändringar hos signalen som möjligt utan att bildkvalitén blir för dålig.

Tekniken att bildge flera snitt samtidigt kommer att undersökas för att kunna implementeras i kliniken och har därför gjorts på friska volontärer. Volontärerna fick i uppgift att utföra en övning där tummen trycktes lätt mot var och en av de andra fingrarna i följd för att få aktivering i området som har att göra med motorik. Bilderna utvärderades sedan genom att områdena som var aktiverade jämfördes med standardbildtagningen där bland annat storleken på det aktiverade området mättes samt hur stark aktiveringen var. När en MR- undersökning görs fångas signalen upp genom att en spole som mäter signal placeras runt om området som ska undersökas. Spolen kan bestå av olika antal element som fångar upp signalen. Spolar med olika antal element användes i studien och beroende på vilken spole som användes erhölls olika resultat. Det visade sig vara en fördel att accelerera bildtagningen med två när en spole med många element användes för att fånga upp signalen. Det innebar att dubbelt så många bilder kunde tas jämfört med standardbildtagningen. Dock var det ingen direkt skillnad mellan bildtagningsteknikerna då färre element användes.

• author: Fingerhut, Andrea
• supervisor: Peter Mannfolk
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 8995998
• date added to LUP: 2019-10-01 17:18:20
• date last changed: 2019-10-01 17:18:20