High temporal resolution Magnetic Resonance Imaging: Development of a parallel tridimensional acquisition method for functional neuroimaging.
Imagerie par résonance magnétique à haute résolution temporelle: Développement d'une méthode d'acquisition parallèle tridimensionnelle pour l'imagerie fonctionnelle cérébrale
Résumé
Echo Planar Imaging is widely used to perform data acquisition in functional neuroimaging. This sequence allows the acquisition of a set of about 30 slices, covering the whole brain, at a spatial resolution ranging from 2 to 4 mm, and a temporal resolution ranging from 1 to 2 s. It is thus well adapted to the mapping of activated brain areas but does not allow precise study of the brain dynamics. Moreover, temporal interpolation is needed in order to correct for inter-slices delays and 2D acquisition is subject to vascular inflow artifacts. To improve the estimation of the hemodynamic response functions associated with activation, this thesis aimed at developping a 3D high temporal resolution acquisition method. To do so, Echo Volume Imaging was combined with reduced field-of-view acquisition and parallel imaging. Indeed, EVI allows the acquisition of a whole volume in Fourier space following a single excitation, but it requires very long echo trains. Parallel imaging and field-of-view reduction are used to reduce the echo train durations by a factor of 4, which allows the acquisition of a 3D brain volume with limited susceptibility-induced distortions and signal losses, in 200 ms. All imaging parameters have been optimized in order to reduce echo train durations and to maximize SNR, so that cerebral activation can be detected with a high level of confidence. Robust detection of brain activation was demonstrated with both visual and auditory paradigms. High temporal resolution hemodynamic response functions could be estimated through selective averaging of the response to the different trials of the stimulation. To further improve SNR, the matrix inversions required in parallel reconstruction were regularized, and the impact of the level of regularization on activation detection was investigated. Eventually, potential applications of parallel EVI such as the study of non-stationary effects in the BOLD response.
La séquence d'Imagerie Echo Planaire est largement utilisée pour l'acquisition des séries temporelles d'images nécessaires aux études d'imagerie fonctionnelle cérébrale. Cette séquence permet d'acquérir une trentaine de coupes couvrant le cerveau entier, avec une résolution spatiale de 2 à 4 mm et une résolution temporelle de 1 à 2 s. Elle est donc bien adaptée à l'analyse exploratoire des aires cérébrales activées, mais ne permet pas d'étudier précisément la dynamique temporelle de l'activation. Par ailleurs, une interpolation temporelle des données est nécessaire pour tenir compte des délais inter-coupes et l'acquisition 2D est source d'artéfacts d'origine vasculaire, en particulier à bas champs magnétiques. Afin d'améliorer l'estimation de la réponse cérébrale, cette thèse a eu pour objet le développement d'une séquence d'acquisition 3D à haute résolution temporelle, à 1.5T. Pour cela, la séquence d'Imagerie Echo Volume (EVI) a été combinée avec l'utilisation de l'imagerie parallèle et l'acquisition de champs de vue réduits. L'EVI permet l'acquisition d'un volume de l'espace de Fourier après une unique impulsion d'excitation, mais requiert des trains d'échos très longs. L'imagerie parallèle et la réduction des champs de vue permettent de réduire la durée des trains d'échos et de réaliser l'acquisition d'un volume de cerveau, avec peu de distorsions géométriques et de pertes de signal, en 200 ms. Tous les paramètres d'acquisition ont été optimisés afin de maximiser le rapport signal sur bruit de l'EVI localisé parallèle et de pouvoir détecter les activations cérébrales de manière robuste. La détection des activations cérébrales a été mise en évidence avec des paradigmes de stimulation visuels et auditifs, et des fonctions de réponses hémodynamiques à haute résolution temporelle ont pu être extraites. Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, les inversions matricielles nécessaires à la reconstruction parallèle ont été régularisées et l'influence du niveau de régularisation sur la détection des activations a été étudiée. Finalement, quelques applications potentielles de l'EVI parallèle ont été expérimentées, telles que l'étude des non-stationnarités de la réponse BOLD.
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