Nature Methods | NexGen 7T: 超高分辨率人脑MRI扫描仪

 

2 0 23 年

文献信息

1. Title: Next-generation MRI scanner designed for ultra-high-resolution human brain imaging at 7 Tesla

2. Year: 2023

3. Journal Name/Impact Factor: Nature Methods/47.99

4. DOI: 10.1038/s41592-023-02068-7

 

导读

UC Berkeley团队研发出一种超高空间分辨率7T MRI扫描仪（NexGen 7T），其全脑BOLD fMRI最高可达0.56mm iso，DWI最高可达0.8mm iso，3D TOF MRA最高可达0.56mm iso，其扫描细节是标准7T MRI的10倍，3T MRI的50倍以上。  

目录

1 背景

2 系统优势

    2.1 脉冲梯度线圈

    2.2 射频线圈

    2.3 梯度线圈的性能和分辨率比较

    2.4 神经影像评估

3 结论

 

1 背景

功能磁共振成像（fMRI）已成为神经科学的重要研究方法，空间分辨率是fMRI的重要指标，随着空间分辨率提高，更加精细的大脑结构研究成为可能。常规的fMRI研究一般使用3mm各向同性（iso）空间分辨率，而0.8mm iso可用于研究柱状和层状组织（中尺度）。若提升至0.3-0.6mm iso，就可以对大脑皮层的六个神经元层进行充分采样。

为了实现更高的空间分辨率，本研究研发了下一代（NexGen）7T磁共振系统，同步设计、构建并优化了7T超高场MRI扫描仪中的梯度线圈、射频系统、射频线圈以及采集计算机，克服了如下物理挑战：空间限制、系统冷却、外周神经刺激（PNS）、涡流以及在超高磁场下由强磁梯度产生的更高的力和扭矩相互作用。NexGen 7T能够实现更快的采集速度以及更高的空间分辨率和信噪比。

    

2 系统优势

 

2.1 脉冲梯度线圈

标准的屏蔽梯度线圈含有两层绕组：内层在线圈内部产生线性磁场，用于空间编码；外层抵消线圈外部磁场，以减少超导磁体中的涡流。而NexGen的头部不对称脉冲梯度线圈含有第三层绕组（图1），优点如下：1、减轻PNS；2、优化梯度场质量、机械共振以及扭矩。

脉冲梯度线圈实现了200mT/s的最高梯度强度（Gmax）以及900T/m/s的切换率（SR），见表1。以Gmax和SR的乘积表示梯度线圈的性能，脉冲梯度线圈性能比7T下标准SC72体部梯度线圈（Gmax = 80 mT/s，SR = 200 T/m/s）大一个数量级，是7T下AC84头梯度线圈（Gmax = 80 mT/s，SR = 400 T/m/s）的5倍。

          

表1 脉冲梯度线圈的技术规格

          

本研究使用生理建模优化三层梯度线圈的布线模式，用于最小化PNS，使脉冲梯度线圈能够在更高的SR下使用（图1e）。相比之下，SC72体部梯度线圈PNS限制为200 T/m/s，AC84头梯度线圈PNS限制为400-500 T/m/s。脉冲梯度线圈冷却系统没有使用传统的空心铜导丝，而设计为导丝包围的不锈钢管（图1g）。此外，在相同Gmax下工作时，脉冲梯度线圈的噪声低于SC72体部梯度线圈。   

图1 NexGen 7T扫描仪。（a）扫描仪横截面图，绿色为脉冲梯度线圈，棕色为扫描床，白色为射频线圈，蓝色为射频系统线路；（b）扫描仪孔径内视图，头部直径39cm，肩部宽度56cm，体部直径60cm；（c）脉冲梯度线圈实物图；（d）脉冲梯度线圈设计尺寸图；（e）由Gmax和SR决定的PNS限制阈值（红线）；（f）脉冲梯度线圈三维布局图，展示了三层绕组；（g）脉冲梯度线圈冷却系统示意图。   

 

2.2 射频线圈

NexGen支持最多128个接收通道。目前系统中正在使用的射频阵列线圈如下：1、8通道发射-64通道接收（8ch Tx/64ch Rx）；2、16通道发射-96通道接收（16ch Tx/96ch Rx）（图2a）。与7T标准32通道接收（32ch Rx）线圈相比，上述二者的大脑边缘信噪比均显著提高，而大脑中心信噪比没有显著提高（图2b,d）。此外，与32ch Rx线圈相比，上述二者的g因子信噪比损失更少，可支持更高的加速因子（图2c）。

          

图2 高密度阵列射频线圈。（a）第一行16ch Tx/96ch Rx，第二行8ch Tx/64ch Rx；（b）同一被试3个射频线圈SNR对比（1、32ch Rx；2、8ch Tx/64ch Rx；3、16ch Tx/96ch Rx）；（c）不同加速因子3个射频线圈留存SNR对比；（d）3个射频线圈大脑中心和边缘SNR对比。   

 

2.3 梯度线圈的性能和分辨率比较  

  

与SC72体部梯度线圈和AC84头部梯度线圈相比，脉冲梯度线圈能够实现EPI序列更快的信号读出速度，从而提高空间分辨率，主要体现在如下两方面：1、更短的回波间距（ES）可以得到更短的回波链长度（ETL），所以点扩散函数（PSF）更小，这可以减轻相位编码方向上的T2*信号衰减和图像模糊；2、更短的回波时间（TE）可以提高SNR，从而提高空间分辨率（图3）。

从数据上看，与SC72体部梯度线圈相比，在0.6mm iso空间分辨率下，脉冲梯度线圈的最小ES从1.21ms降低到0.58ms，最小TE从34 ms降低到17ms；在0.5mm iso空间分辨率下，脉冲梯度线圈的最小ES从1.41ms降低到0.68ms，最小TE从45ms降低到23ms。

在相同的TE、FOV和相位编码数下，脉冲梯度线圈、AC84头部梯度线圈和SC72体部梯度线圈可实现的空间分辨率分别为0.45、0.61和0.7mm（图3f）。   

图3 NexGen 7T上EPI序列表现。（a）更短ES和TE的EPI序列的脉冲序列图；（b）标准7T（MAGNETOM 7 T Plus）和NexGen 7T采集的0.6mm iso空间分辨率EPI图像质量对比；（c）3个射频线圈大脑中心和边缘tSNR对比；（d）GRAPPA加速倍数为3，不同空间分辨率下3个梯度线圈可实现的EPI图像PSF对比；（e）GRAPPA加速倍数为4，不同TE下3个梯度线圈可实现的EPI图像空间分辨率对比；（f）相同的TE、FOV和相位编码数下，3个梯度线圈可实现的空间分辨率对比。编者注：XR即为文中SC72体部梯度线圈。

 

2.4 神经影像评估

对于2D EPI成像，与标准7T采集的等效分辨率BOLD fMRI图像对比，NexGen 7T采集的EPI图像信噪比升高，加速因子噪声降低（图3）。与32ch Rx线圈相比，8ch Tx/64ch Rx线圈大脑边缘的tSNR显著增加（图3c）。   

对于3D EPI成像，NexGen 7T可以达到0.56mm iso空间分辨率（图4d），在小FOV下可以实现0.35mm iso（图4e）。对比标准7T的0.8mm iso高分辨率，在可接受的扫描时间内，体素体积降至1/12。

对于多回波EPI图像，NexGen 7T可将空间分辨率从2.0-2.5mm iso降至1.16mm iso，或可将回波数从3升至4。

基于血管空间占用（VASO）序列的脑血容量（CBV）成像，可以比BOLD更精确地定位特定皮层的激活。NexGen 7T可以在整个大脑皮层上获得0.64mm iso空间分辨率的VASO图像（图4a），在较小的FOV上可以达到最低0.39mm iso（图4b,c）。使用VASO可以在V1视觉区区分上颗粒层和下颗粒层的特异性激活，而这是用标准7T扫描仪在0.8mm iso空间分辨率下无法得到的（图4b）。

              

图4 VASO和BOLD 3D EPI。（a）0.64mm iso空间分辨率的全脑VASO fMRI；（b）0.45mm iso和0.39mm iso空间分辨率的小FOV VASO fMRI；（c）不同日期和空间分辨率下V1视觉区VASO fMRI结果的重复性测试；（d）0.56mm iso空间分辨率的全脑BOLD fMRI；（e）0.35mm iso空间分辨率的小FOV BOLD fMRI。

          

在弥散MRI中，脉冲梯度线圈在单参数图像（图5a）和纤维方向图（图5b）均具有显著信噪比优势。NexGen 7T能检测到的交叉纤维是标准7T的4.5倍（图5c）。NexGen 7T得到的0.8mm iso空间分辨率纤维方向图可以显示进入皮层的轴突急剧转动，这在低分辨率上是看不到的（图5d）。

在结构MRI中，0.4mm iso空间分辨率MRA能够很好地显示大脑前后循环的外周分支（图5e）；QSM图像可以达到0.21×0.21×1.5  空间分辨率（图5f）；使用spiral轨迹MRF获得T1 map、T2 map、MPRAGE和DIR可在4分钟内完成采集，并达到0.56mm iso空间分辨率（图5g）。   

          

图5 弥散和结构成像。（a）不同b值下的弥散加权MRI。第一行是脉冲梯度线圈结果，第二行是SC72体部梯度线圈结果；（b）SC72体部梯度线圈和脉冲梯度线圈得到的纤维方向图对比；（c）SC72体部梯度线圈和脉冲梯度线圈在复杂白质区域的交叉纤维检测结果对比；（d）NexGen 7T得到的0.8 mm iso空间分辨率纤维方向图；（e）NexGen 7T得到的0.4mm iso空间分辨率3D TOF MRA；（f）NexGen 7T得到的3D QSM，空间分辨率为0.21×0.21×1.5  ；（g）NexGen 7T得到的MRF spiral轨迹0.56mm iso空间分辨率全脑定量图（采集时间4min，生成T1 map、T2 map、MPRAGE、DIR）。编者注：XR即为文中SC72体部梯度线圈。   

 

3 结论 

 

对于全脑fMRI，NexGen 7T空间分辨率（0.56mm iso, 0.175 μl）是标准7T（1.6mm iso, 4.1 μl）的约20倍；对于小 FOV fMRI，NexGen 7T空间分辨率（0.35mm iso, 0.059 μl）是标准7T（0.8mm iso, 0.512 μl）的约10倍。因此，NexGen 7T将将fMRI研究扩展到0.1 μl体素以下的中尺度，是一个重要的里程碑，这使超高分辨率的人类神经学研究成为可能。    

      

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