Characterizing simultaneous multi-slice imaging with multifocal visual stimulation

Abstract

Simultaneous multi-slice (SMS) echo-planar imaging (EPI) is an imaging technique that can be used to accelerate the imaging speed of a functional magnetic resonance imaging (fMRI) scan and increase the temporal resolution of the data acquisition. SMS EPI is already a widely evaluated imaging technique but its benefits for task-based fMRI are still unclear. The aim of this Thesis is to comprehensively characterise SMS EPI sequence using a multifocal stimulus paradigm. The multifocal fMRI mapping technique is a retinotopic mapping method that enables to map the activation cluster of multiple regions in a short time. The effects of preselected slice acceleration factors, fMRI paradigm repetition times (TR), flip angles and the use of generalized autocalibrating partially parallel acquisition (GRAPPA) acceleration are evaluated. In addition, the possibility to improve the multifocal fMRI mapping method with SMS EPI is examined.

The multifocal fMRI data were acquired with six different protocols. The repetition time (TR) of the reference protocol was 1800 ms. With different slice acceleration factors, the TR was shortened to be 900, 720, 400, 360 and 240 ms. Ten healthy subjects were measured with all six protocols. For half of the subjects, the flip angles were optimised with Ernst angle and for the others, the flip angle was chosen to be a constant 60 degrees.

The SMS EPI sequences were characterised by calculating local signal-to-noise ratios (SNR) and maximum t-statistics. Between protocols the achieved activation clusters (size and location) and multifocal maps were compared. Overall, shorter TRs increase statistical power, although a radical reduction of the TR decreases the SNR significantly. Even the TR of 240 ms results in reasonable data quality. The use of simultaneous GRAPPA acceleration has negative effects to the data quality, and optimised flip angles give significantly better outcomes than unoptimised flip angles. These results indicate that moderate slice acceleration factors have benefits to multifocal fMRI.

Monileikekuvantaminen (SMS EPI) on kuvantamismenetelmä, joka mahdollistaa useamman leikkeen kuvantamisen samanaikaisesti ja siten lyhentää magneettikuvauksen kokonaisaikaa. Menetelmää on käytetty paljon erilaisissa tutkimuksissa, mutta sen mahdollisia hyötyjä ja haittoja tutkitaan edelleen. Tämän työn yhtenä tavoitteena on kokonaisvaltaisesti karakterisoida SMS EPI -sekvenssiä multifokaaliärsykkeen avulla. Käytetty multifokaalimenetelmä on retinotooppinen kartoitusmenetelmä, jonka avulla näköalueita kartoitetaan. Työssä tutkitaan, mikä vaikutus eri kiihdytyskertoimilla, käytetyllä toistoajalla (TR), flippikulman suuruudella ja mahdollisella GRAPPA-kiihdytyksellä on. Lisäksi tutkitaan, onko SMS EPI -sekvenssin avulla mahdollista parantaa jo valmiiksi optimoitua multifokaalimenetelmää.

Multifokaalidata kerättiin erilaisilla protokollilla, joissa käytetyt toistoajat lyhennettiin eri kiihdytyskertoimien avulla. Kiihdytyskertoimettoman vertailusekvenssin TR oli 1800 ms. Muissa protokollissa kiihdytyskertoimien avulla TR lyhennettiin 900, 720, 400, 360 ja 240 ms:iin. Kymmenen tervettä koehenkilöä mitattiin kaikilla protokollilla. Puolet koehenkilöistä mitattiin käyttäen Ernstin kulmalla optimoituja flippikulmia. Muiden koehenkilöiden kohdalla flippikulma asetettiin olemaan 60 astetta riippumatta käytetyistä protokollista. Eri SMS EPI -sekvenssit karakterisoitiin laskemalla paikallinen signaali-kohina suhde (SNR) ja t-testin t-arvoja. Lisäksi aktivaatioklustereiden kokoa ja sijaintia sekä saatuja multifokaalikarttoja verattiin protokollien välillä toisiinsa.

Kokonaisuudessaan työ osoittaa, että lyhyempi TR antaa tilastollista hyötyä, vaikka sen radikaalinen lyhentäminen selkeästi pienentää SNR:ää. Kuitenkin jopa 240 ms toistoajalla saatiin vielä luotettavia tuloksia. Lisäksi työ osoittaa, että optimoiduilla flippikulmilla on positiivinen vaikutus tuloksiin. GRAPPA-kiihdytyksen samanaikainen käyttö leikekiihdytyksen kanssa vaikuttaa dataan negatiivisesti. Työ osoittaakin, että kohtuullisesta kiihdytyskertoimesta on hyötyä näköalueiden multifokaalikartoitukselle toiminnallisen magneettikuvauksen (fMRI) avulla.