Développement d'une séquence d'IRM fonctionnelle à haute résolution spatiale et à haut-champ

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) at ultra-high field benefits from a boosted signal to noise ratio enabling an increase in the spatiotemporal resolution of the human cortex. This technique consists of measuring the signal change induced by neuronal activity through neurovascular coupling. Therefore, a 11.7T MRI has been installed in order to push resolution and sensitivity in the acquisitions and gain detailed knowledge about the human brain. However, ultra-high field comes with more severe radiofrequency (RF) field inhomogeneity resulting in dark region and loss of contrast in the image. RF transmission solutions have been successfully developed at NeuroSpin to tackle this problem. The main goal of this thesis consists in developing in this context dedicated solutions to fMRI (RF pulses, sequences, reconstruction). Universal RF pulses were specifically designed for slab-selective excitations in order to benefit from the reduced RF field inhomogeneity and a shorter acquisition time. The pulses were then successfully implemented into a 3D-EPI with a simple gradient delay measurement and artifact correction tool employing gradient trim blips. Finally, different RF coil combination strategies optimizing signal stability were explored. A data-based and analytical solution optimal in temporal signal to noise ratio was derived but had a tendency to erode activation spikes shading light on the limits of this widely used quality metric.L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) à ultra-haut champ bénéficie d'un rapport signal sur bruit renforcé permettant d'augmenter la résolution spatio-temporelle des images cérébrales. Cette technique consiste à mesurer le changement en amplitude du signal grâce au couplage neurovasculaire induit par l'activité neuronale. Ainsi, une IRM à 11.7T fut installé à NeuroSpin afin de pousser la résolution et sensibilité des acquisitions et approfondir notre connaissance du cerveau humain. Cependant, l'ultra-haut champ s'accompagne d'une plus grande inhomogénéité du champ radiofréquence (RF), générant des zones sombres et une perte de contraste sur l'image. Des solutions de transmission RF ont été développées à NeuroSpin avec succès pour résoudre ce problème. L'objectif principal de cette thèse consiste à développer dans ce contexte des solutions dédiées à l'IRMf (impulsions RF, séquences, reconstruction). Des impulsions RF universelles ont été spécifiquement conçues pour les excitations sélectives afin de bénéficier d'une inhomogénéité de champ RF réduite avec un temps d'acquisition plus court. Les impulsions ont ensuite été implémentées avec succès sur une séquence EPI-3D avec un outil simple de mesure et de correction des artefacts de délais de gradient utilisant des blips de gradient. Enfin, différentes combinaisons de canaux de réception RF optimisant la stabilité du signal ont été explorées. Une solution analytique basée sur les données et optimale pour le rapport signal sur bruit temporel a été proposée, mais celle-ci avait tendance à éroder les pics d'activation, mettant en lumière les limites de cette métrique pourtant largement utilisée

Développement d'une séquence d'IRM fonctionnelle à haute résolution spatiale et à haut-champ

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) à ultra-haut champ bénéficie d'un rapport signal sur bruit renforcé permettant d'augmenter la résolution spatio-temporelle des images cérébrales. Cette technique consiste à mesurer le changement en amplitude du signal grâce au couplage neurovasculaire induit par l'activité neuronale. Ainsi, une IRM à 11.7T fut installé à NeuroSpin afin de pousser la résolution et sensibilité des acquisitions et approfondir notre connaissance du cerveau humain. Cependant, l'ultra-haut champ s'accompagne d'une plus grande inhomogénéité du champ radiofréquence (RF), générant des zones sombres et une perte de contraste sur l'image. Des solutions de transmission RF ont été développées à NeuroSpin avec succès pour résoudre ce problème. L'objectif principal de cette thèse consiste à développer dans ce contexte des solutions dédiées à l'IRMf (impulsions RF, séquences, reconstruction). Des impulsions RF universelles ont été spécifiquement conçues pour les excitations sélectives afin de bénéficier d'une inhomogénéité de champ RF réduite avec un temps d'acquisition plus court. Les impulsions ont ensuite été implémentées avec succès sur une séquence EPI-3D avec un outil simple de mesure et de correction des artefacts de délais de gradient utilisant des blips de gradient. Enfin, différentes combinaisons de canaux de réception RF optimisant la stabilité du signal ont été explorées. Une solution analytique basée sur les données et optimale pour le rapport signal sur bruit temporel a été proposée, mais celle-ci avait tendance à éroder les pics d'activation, mettant en lumière les limites de cette métrique pourtant largement utilisée.Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) at ultra-high field benefits from a boosted signal to noise ratio enabling an increase in the spatiotemporal resolution of the human cortex. This technique consists of measuring the signal change induced by neuronal activity through neurovascular coupling. Therefore, a 11.7T MRI has been installed in order to push resolution and sensitivity in the acquisitions and gain detailed knowledge about the human brain. However, ultra-high field comes with more severe radiofrequency (RF) field inhomogeneity resulting in dark region and loss of contrast in the image. RF transmission solutions have been successfully developed at NeuroSpin to tackle this problem. The main goal of this thesis consists in developing in this context dedicated solutions to fMRI (RF pulses, sequences, reconstruction). Universal RF pulses were specifically designed for slab-selective excitations in order to benefit from the reduced RF field inhomogeneity and a shorter acquisition time. The pulses were then successfully implemented into a 3D-EPI with a simple gradient delay measurement and artifact correction tool employing gradient trim blips. Finally, different RF coil combination strategies optimizing signal stability were explored. A data-based and analytical solution optimal in temporal signal to noise ratio was derived but had a tendency to erode activation spikes shading light on the limits of this widely used quality metric

Développement d'une séquence d'IRM fonctionnelle à haute résolution spatiale et à haut-champ

Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) at ultra-high field benefits from a boosted signal to noise ratio enabling an increase in the spatiotemporal resolution of the human cortex. This technique consists of measuring the signal change induced by neuronal activity through neurovascular coupling. Therefore, a 11.7T MRI has been installed in order to push resolution and sensitivity in the acquisitions and gain detailed knowledge about the human brain. However, ultra-high field comes with more severe radiofrequency (RF) field inhomogeneity resulting in dark region and loss of contrast in the image. RF transmission solutions have been successfully developed at NeuroSpin to tackle this problem. The main goal of this thesis consists in developing in this context dedicated solutions to fMRI (RF pulses, sequences, reconstruction). Universal RF pulses were specifically designed for slab-selective excitations in order to benefit from the reduced RF field inhomogeneity and a shorter acquisition time. The pulses were then successfully implemented into a 3D-EPI with a simple gradient delay measurement and artifact correction tool employing gradient trim blips. Finally, different RF coil combination strategies optimizing signal stability were explored. A data-based and analytical solution optimal in temporal signal to noise ratio was derived but had a tendency to erode activation spikes shading light on the limits of this widely used quality metric.L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) à ultra-haut champ bénéficie d'un rapport signal sur bruit renforcé permettant d'augmenter la résolution spatio-temporelle des images cérébrales. Cette technique consiste à mesurer le changement en amplitude du signal grâce au couplage neurovasculaire induit par l'activité neuronale. Ainsi, une IRM à 11.7T fut installé à NeuroSpin afin de pousser la résolution et sensibilité des acquisitions et approfondir notre connaissance du cerveau humain. Cependant, l'ultra-haut champ s'accompagne d'une plus grande inhomogénéité du champ radiofréquence (RF), générant des zones sombres et une perte de contraste sur l'image. Des solutions de transmission RF ont été développées à NeuroSpin avec succès pour résoudre ce problème. L'objectif principal de cette thèse consiste à développer dans ce contexte des solutions dédiées à l'IRMf (impulsions RF, séquences, reconstruction). Des impulsions RF universelles ont été spécifiquement conçues pour les excitations sélectives afin de bénéficier d'une inhomogénéité de champ RF réduite avec un temps d'acquisition plus court. Les impulsions ont ensuite été implémentées avec succès sur une séquence EPI-3D avec un outil simple de mesure et de correction des artefacts de délais de gradient utilisant des blips de gradient. Enfin, différentes combinaisons de canaux de réception RF optimisant la stabilité du signal ont été explorées. Une solution analytique basée sur les données et optimale pour le rapport signal sur bruit temporel a été proposée, mais celle-ci avait tendance à éroder les pics d'activation, mettant en lumière les limites de cette métrique pourtant largement utilisée

Temporal SNR optimization through RF coil combination in fMRI: The more, the better?

For functional MRI with a multi-channel receiver RF coil, images are often reconstructed channel by channel, resulting into multiple images per time frame. The final image to analyze usually is the result of the covariance Sum-of-Squares (covSoS) combination across these channels. Although this reconstruction is quasi-optimal in SNR, it is not necessarily the case in terms of temporal SNR (tSNR) of the time series, which is yet a more relevant metric for fMRI data quality. In this work, we investigated tSNR optimality through voxel-wise RF coil combination and its effects on BOLD sensitivity. An analytical solution for an optimal RF coil combination is described, which is somewhat tied to the extended Krueger-Glover model involving both thermal and physiological noise covariance matrices. Compared experimentally to covSOS on four volunteers at 7T, the method yielded great improvement of tSNR but, surprisingly, did not result into higher BOLD sensitivity. Solutions to improve the method such as for example the t-score for the mean recently proposed are also explored, but result into similar observations once the statistics are corrected properly. Overall, the work shows that data-driven RF coil combinations based on tSNR considerations alone should be avoided unless additional and unbiased assumptions can be made