Ottimizzazione di 2D CAIPIRINHA per 3D fMRI a 7 T

La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è lo strumento più usato per studiare il cervello umano in vivo, rilevando i cambiamenti relativi al flusso di sangue, che avvengono in un intervallo compreso tra centinaia di millisecondi e pochi secondi. Il funzionamento del cervello umano è fondamentalmente organizzato in strutture composte da gruppi di neuroni di dimensioni con ordini di grandezza compresi tra il μm e il mm. Quindi, per descrivere le funzioni del cervello, è necessaria alta risoluzione spaziale e temporale. La tecnica di "3D echo-planar imaging (EPI) fMRI" è un approccio per la fMRI basato sulla misura del segnale proveniente da diverse ubicazioni del cervello, chiamate voxels, ogni pochi secondi. L'acquisizione dell'immagine è spesso effettuata tramite ricevitori multipli di segnale, che possono essere organizzati in gruppi di bobine ad alta densità. Quando si utilizza questo tipo di ricevitori, si possono ottenere alte risoluzioni spaziali, a discapito della durata di acquisizione. Acquisizioni EPI più veloci sono possibili solo riducendo il numero di dati acquisiti per ciascuna immagine (Imaging parziale). La riduzione dei dati acquisiti produce artefatti nell'immagine ricostruita, che devono essere corretti tramite idonei algoritmi. In particolare questo studio è basato sull'approccio di imaging parziale chiamato 2D CAIPIRINHA e sull'uso di ricevitori multipli per estrarre un'immagine ottimale. Lo scopo del progetto è quello di ottimizzare 2D CAIPIRINHA per sequenze 3D-EPI, in combinazione con gruppi di bobine ad alta densità, in modo da aumentare ulteriormente la velocità di acquisizioni fMRI della corteccia visiva e, al contempo, migliorare la qualità dell'immagine. In primo luogo è stata implementata in MatLab una simulazione per valutare la prestazione della tecnica al variare della posizione della matrice di bobine ad alta densità. Il modello è stato testato su un fantoccio, che è stato anche utilizzato per analizzare diverse configurazioni per l'acquisizione di 2D CAIPIRINHA 3D-EPI. Basandosi sul modello e sui risultati ottenuti tramite il fantoccio, è stata pianificata una misura in vivo su un software che, tenendo conto delle specifiche dello scanner MRI, permette di configurare le sequenze desiderate. Sono state implementate diverse acquisizioni fMRI per selezionare la migliore e usarla per un esperimento finale di fMRI. La misura di fMRI include tutti i risultati di ottimizzazione ottenuti precedentemente e risulta molto promettente in quanto le risoluzioni raggiunte sono comparabili con la scala spaziale e temporale di organizzazione funzionale della corteccia visiva umana.

Functional MRI (fMRI) is the most widely used tool to study neuronal activity in the human brain in vivo by detecting changes related to blood flow, which occurs in a range of hundreds of ms to few second. Human brain function is fundamentally organized into structures composed by groups of neurons on the order of mm to μm. Therefore high spatial and temporal resolution is needed to describe brain functions. 3D echo-planar-imaging (EPI) fMRI is an approach for fMRI based on the measure from multiple locations in the brain, termed voxels, every few seconds. The image acquisition is often performed by multiple signal detectors, which can be arranged in high density coils arrays. When high density detectors are employed, very high resolution can be achieved but this is accompanied with longer scan times. Faster EPI acquisitions are possible by reducing the number of acquired data for each image (partial imaging). The reduction of acquired data produces artifacts in the reconstructed image, which must be corrected by suitable algorithms. In particular, this study is based on a recently developed imaging approach named 2D CAIPIRINHA and on the use of multiple detectors to extract an optimal image. The project aim is the optimisation of 2D CAIPIRINHA for 3D-EPI sequence, in combination with high density coils arrays in order to further increase the imaging speed for fMRI acquisition of the visual cortex and to improve image quality. A simulation has been implemented in MatLab to evaluate the performance of different positions of high density coils arrays for 2D CAIPIRINHA. The simulated model has been tested on a phantom, which has also been employed to analyse different configurations for 2D CAIPIRINHA 3D-EPI acquisition. Based on the simulation and phantom results, an in vivo measurement was planned on a software platform that emulates the MRI scanner. Different fMRI acquisitions were implemented to select the best one and use it for a final fMRI experiment. The fMRI measurement included all the results of the optimisation and seems to be very promising since the resolutions achieved are comparable to the spatial and temporal scale of functional organisation of human visual cortex.