Comparison of physiological brain pulsations between two MRI scanners

Abstract

Fast functional magnetic resonance imaging (fMRI), known as magnetic resonance encephalography (MREG), has shown its ability to capture variations in physiological brain pulsations during various tasks and diseases. Previous research indicates that cerebrospinal fluid (CSF) flow is driven by cardiovascular (CARD), respiratory (RESP), and vasomotor pulsations of the brain within the perivascular spaces, but how different scanners capture these pulsations in the same subject is uncertain.

This thesis is part of Oulu Functional Neuroimaging (OFNI) research groups research and is a continuation of a previous project that compared full-band MREG signals between two MRI scanners. This work extends the full-band analysis by separating the signals into specific pulsation components. In this master’s thesis, we measured CARD, RESP and very low frequency (VLF) brain pulsations in healthy subjects using two different MRI scanners with flip angles (FA) of 5◦ and 25◦.

A group of 18 healthy subjects (n=18, age 37.8 ± 14.1 years, 8 W) underwent resting state scans using the MREG sequence with the two MRI scanners and FAs. Spectral power sums were calculated to assess brain pulsation intensities and spectral entropy (SE), and the coefficient of variation (CV) was calculated to measure the spectral distribution across the brain. Paired sample t-tests were used to form spatial maps of statistically significant (p≤0.05) differences between the groups.

All three pulsations showed significant differences in spectral power sum with Siemens Healthineers MAGNETOM Vida 3T scanner (64-channel head-neck coil) compared to Siemens Healthineers MAGNETOM Skyra 3T scanner (32-channel head coil) at FA 5◦. Differences in VLF and RESP were emphasized in the superior and posterior parts of the brain. In CARD pulsation the differences were emphasized in the anterior parts of the brain. Full-band analysis at 5◦ showed significant differences in SE. At 25◦, no statistically significant differences were observed in the sums of spectral power between the groups in separate pulsations. In full-band analysis at 25◦, SE calculations showed significant differences emphasized in the posterior parts of the brain.

Fast fMRI can non-invasively measure variations in physiological brain pulsations in humans. The use of multiple scanners could speed up the collection of research data. However, the results indicate that the blind use of different hardware and imaging parameters significantly affects the results. This research provides novel information on the acquisition of MREG data between multiple scanners, which can be further utilized to counter the effects and provide the possibility of using the scanners interchangeably to acquire data.

Tämän työn tavoitteena oli verrata magneettiresonanssienkefalografiaa (MREG) hyödyntämällä kahdella eri magneettikuvaus-laitteella ja kääntökulmalla kuvattua fysiologista aivopulsaatiodataa. MREG on nopea toiminnallinen magneettikuvausmenetelmä (fMRI), jonka avulla voidaan ei-invasiivisesti kuvata muutoksia fysiologisissa aivopulsaatioissa, jotka liittyvät aivoselkäydinnesteen (CSF) virtaukseen. Näitä pulsaatioita ohjaavat sydän- ja verisuoniperäiset (CARD), hengitykselliset (RESP) ja vasomotoriset tekijät. Eri magneettikuvauslaitteiden vaikutusta MREG-dataan on kuitenkin tutkittu vain vähän. Tässä työssä selvitetään, kuinka eri MRI-laitteet havaitsevat nämä pulsaatiot samoilla koehenkilöillä.

Työ tehtiin jatkoksi aiemmalle projektille samaa dataa hyödyntäen. Aiemman projektin lopputuloksista päätellen lisäanalyysiä tarvittiin, joka toteutettiin tässä työssä jakamalla MREG-data aiemmin tunnistettuihin kolmeen ihmisen aivopulsaatioon. Työ on osa Oulu Functional Neuroimaging (OFNI) tutkimusryhmän tutkimusta.

Kahdeksantoista tervettä koehenkilöä (n = 18, iältään 37.8 ± 14.1 vuotta, joista 8 naista) osallistui lepotilan MREG-kuvauksiin kahdella eri MRI-laitteella, käyttäen 5◦ ja 25◦ kääntökulmia. Aivopulsaatioiden voimakkuudet mitattiin laskemalla tehotiheysspektrien summat ja spektraali entropia (SE) laskettiin mitataksemme aivopulsaatioiden säännöllisyyttä ja vakautta. Tilastollisestimerkitsevien (p≤0.05) erojen spatiaalikartat muodostettiin parittaisten t-testien avulla.

Löysimme tilastollisesti merkittäviä eroja pulsaatioiden (CARD, RESP ja hyvin matalat taajuudet (VLF)) voimakkuuksissa Siemens Healthineers MAGNETOM Vida 3T -skannerilla (64-kanavainen pää-kaulan kela) verrattuna Siemens MAGNETOM Skyra 3T -skanneriin (32-kanavainen pään kela) 5◦kääntökulmalla. RESP ja VLF pulsaatioiden erot painottuivat aivojen ylä- sekä takaosiin. CARD pulsaatiossa erot painottuivat aivojen etuosiin, joissa eroja ei havaittu kokokaistan analyysissä. 25◦ kääntökulmalla ei havaittu tilastollisesti merkittäviä eroja pulsaatioiden voimakkuuksissa. Spektraali entropiassa havaittiin tilastollisesti merkittäviä eroja aivojen taaemmissa osissa kokokaistan analyysissä.

Nämä havainnot osoittavat, että MREG kykenee ei-invasiivisesti mittaamaan fysiologisia aivopulsaatioita, mutta laitteiston ja kuvausparametrien vaikutus dataan on merkittävä. Tämä tutkimus tarjoaa uutta tietoa MREG-datan hankinnan optimointiin ja vaihtelun vähentämiseen, mikä voi mahdollistaa useiden laitteiden käytön tulevaisuuden tutkimuksissa.