Neurofunktionelle MRT bei hohen Feldern

Zusammenfassung

Klinisches/methodisches Problem

fMRT-Untersuchungen sind durch den geringen aktivierungsinduzierten Signalunterschied in ihrer Sensitivität limitiert und innerhalb kurzer tolerierbarer Messzeiten ist die räumliche Auflösung limitiert.

Radiologische Standardverfahren

fMRT bei 1,5 und mehr noch bei 3 T ist ein zuverlässiges Werkzeug in der Neurowissenschaft und für klinische Anwendungen, wie etwa die prächirurgische Funktionslokalisierung.

Methodische Innovationen

Die fMRT-Sensitivität steigt stark (mehr als linear) mit höherer Magnetfeldstärke. Dies war seit Jahren einer der Hauptgründe für die Entwicklung zu höheren Feldern wie etwa 7 T.

Leistungsfähigkeit

Der Sensitivitätsgewinn von 7 gegenüber 3 T ist bei hoher räumlicher Auflösung am größten und die fMRT mit sehr hoher isotroper Submillimeterauflösung wird möglich. Bisherige Resultate zeigen, dass die Blood-oxygenation-level-dependent(BOLD)-Lokalisierung deutlich präziser ist als bislang angenommen.

Bewertung

Mittels Hochfeld-fMRT werden nicht nur quantitativ bessere Ergebnisse erzielt, sondern Informationen neuer Qualität zugänglich wie etwa die kolumnare und schichtabhängige Struktur des Kortex. Somit wird der Weg zu weiteren Informationen, wie etwa die Richtung kortikaler Verbindungen, eröffnet. Diese Möglichkeiten bergen jedoch auch neue Herausforderungen. So müssen neue Verfahren zur Prozessierung derart hochaufgelöster Daten entwickelt werden, welche z. B. ohne Glättung auskommen, um den Informationsgehalt der Daten nicht zu reduzieren.

Empfehlung für die Praxis

Standardauflösungen von 2–3 mm sind weiterhin bei 3 T „gut aufgehoben“ und profitieren von geringeren Signalauslöschungen, weniger Verzerrungen und geringerer Lautstärke. Zum Erreichen höchster Auflösung bei 7 T sind parallele Bildgebung und Verzerrungskorrektur essenziell und ermöglichen eine gute Übereinstimmung mit anatomischen Aufnahmen. Die Echozeit sollte bei 7 T auf ca. 20–25 ms angepasst und die Datenauswertung für einzelne Probanden oder Patienten ohne oder mit wenig Glättung durchgeführt werden. Für Gruppenauswertungen können lokale Normalisierungen in spezifischen Zielregionen hohe Übereinstimmungen erreichen. Neue Methoden zur Informationsextraktion aus den Daten, wie etwa multivariate Musteranalysen, können die relevanten Daten zusammenführen, ohne auf eine voxelbasierte Kombination angewiesen zu sein.

Abstract

Clinical/methodical issue

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) examinations are limited in their sensitivity due to the low activation-induced signal change. Within short tolerable scan times the spatial resolution is thus limited.

Standard radiological methods

fMRI is a reliable tool in neuroscience as well as for clinical applications such as presurgical mapping of brain function.

Methodical innovations

The fMRI sensitivity improves greatly (more than linearly) with increasing magnetic field strengths. For many years this was the main driving force in the push towards higher field strengths, such as 7 T.

Performance

The sensitivity gain is greatest for high spatial resolution and fMRI with very high sub-millimeter resolution becomes feasible. Current results demonstrate that the localization of the blood oxygenation level dependent (BOLD) signal is better than previously assumed.

Achievements

High-field fMRI not only allows quantitative improvements but also opens the way to new information content, such as columnar and layer-dependent functional structures of the cortex. This may pave the way for further information, e.g. the directionality of cortico-cortical connections; however, these possibilities also pose new challenges. New methods for processing such high resolution data are required which do not require spatial smoothing and preserve the high information content.

Practical recommendations

Common spatial resolutions of 2–3 mm are still very well suited for examinations at 3 T where they benefit from the low signal void, lower geometrical distortion and reduced acoustic noise. To achieve higher resolution at 7 T parallel imaging and geometric distortion correction are essential and permit the best congruence with structural data. The echo time at 7 T should be adjusted to about 20–25 ms. Data processing for single subjects or patients should be performed with little or no smoothing to retain resolution. Group studies could achieve good correlation with local normalization. New methods for information extraction, such as multivariate pattern analysis may allow combination of group data without the need for voxel-based congruence.