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導讀

磁共振成像(MRI)研究通常需要多次掃描。在整個掃描過程中，被試頭部位置的變化會導致腦組織和磁場的對準不一致，從而導致磁化率的變化。這些變化會對采集到的信號產生相當大的影響。因此，研究者開發了磁頭對準優化工具(HALO)。HALO可以提供被試當前頭部位置相對于前一session位置的實時視覺反饋。研究者驗證了HALO能夠將被試的頭部位置調至最初session的位置。本文中的健康被試預實驗樣本能夠使用HALO顯著改善其頭部對準，并且在第一個session中就達到了良好的對準效果。在縱向研究中使用HALO將減少與磁化率變化相關的session噪聲。HALO工具已公開發布。

前言

掃描組織的磁內運動被認為是功能MRI(fMRI)信號最重要的干擾因素之一。典型的fMRI研究通常包括多個run或session，此過程中，被試的不自主運動也是不可避免的。控制session期間頭部運動產生的偽影已經成為一項慣例，目前有大量工具可用于前瞻性或回顧性地減少這些偽影。重要的是要認識到，除了局部場強外，血氧水平依賴(BOLD)信號還取決于腦組織與B0場的對齊。因此，MRI session組織排列的變化會導致微觀水平上的磁化率梯度變化，從而影響明顯的T2*，而上述方法難以解決這一問題。

因此，研究者開發了HALO，用于向被試提供前一session頭部位置的實時視覺反饋。HALO允許被試在不同的session中調整其頭部。在縱向磁共振成像研究中使用HALO可以降低整個session的噪聲，特別是在高磁化率偽影區域。

研究者進行實時fMRI神經反饋研究，其中目標模式在一個session中進行定義，并在隨后的session中進行訓練，研究者對與心理健康相關的訓練區域感興趣，這些區域具有高磁化率偽影(如腹內側前額葉皮層和杏仁核)。不幸的是，磁化率偽影會以一種依賴于頭部對齊的方式取代目標區域的信號。如果頭部位置不受控制，高磁化率偽影區域中的目標區域將不能捕獲代表同一神經基質的信號。這將削弱神經反饋的效能。

除了對神經反饋研究的特定價值外，HALO在改善縱向MRI研究中的信號質量方面具有普遍實用性。任何縱向成像研究都可以使用它來降低整個session中的噪音，特別是在高磁化率的區域，如眶額葉皮層和杏仁核。最后，研究者提出了一種可能性，即通過控制session中的頭部位置可以解決當前fMRI的局限：無法使用BOLD成像檢查不同session的大腦活動的變化。

方法

軟件設計

HALO的設計想法是，通過EPI(回波平面成像)掃描不斷收集大腦的空間信息和呈現當前位置相對于參考位置的實時視覺反饋。HALO是在MATLAB (v2019a; Natick, Massachusetts: The MathWorks Inc.)中開發的，使用App Designer功能創建圖形用戶界面(GUI)(圖1)。在實時對準模式/在線模式下，新像的處理包括四個步驟。

1.將工具檢測到的DICOM圖像轉換為新像到NIfTI格式。

2.計算參考圖像與新圖像之間的4×4剛體變換矩陣，表示剛體從目標位置移動到當前新位置。

3.將轉換矩陣應用于參考腦的虛擬頭部對象，使當前頭部相對于參考腦的位置可視化。

4.在界面上可視化頭部的目標和當前位置，并提供書面和動畫提示，一旦被試達到足夠精確的對齊標準，標示對齊的進度。

圖1

第1步和第3步分別采用SPM12(v7219; www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)的腳本(即spm_dicom_convert.m和spm_realign.m)，按照GNU通用公共許可證條款，對Dicom圖像進行轉換，并計算6-參數剛體運動。HALO已在https://osf.io/d4b59/上分享。

測試程序

為了評價HALO在調整頭部位置中的有效性，研究者從當地社區招募了7名健康被試(4名男性和3名女性)進行試點研究。所有被試之前都沒有使用HALO的經驗。告知被試本研究的研究目的和程序，并在參與之前獲得書面同意。每個被試在3特斯拉西門子Prisma系統(software version syngo MR VE11C)上使用頭部/頸部64通道成像線圈進行了兩次MRI測試。在第一個session期間，收集了一個EPI 像，并在第二個session期間指示被試對齊。每個被試的兩個成像session間隔一至兩周。在兩個session中，被試都戴著一副與核磁共振成像兼容的耳機進行交流。

成像參數

HALO旨在更新校準run中的每個像的反饋。在正式數據采集前的測試中，研究者注意到重復時間(TR)為2000ms的EPI序列對被試的頭部跟蹤運動太慢，導致對齊困難。基于HALO處理每個像的當前效率(4個步驟的周期為500-600ms)，研究者使用多波段EPI序列，將多波段加速因子設置為2。這允許每800ms采集37個層，回聲時間=30ms，采集矩陣= 64*64，轉角=80°，體素大小= 3.12*3.12*4.6mm3。

掃描設置

為了確保被試的舒適度，fMRI研究人員通常會在頭部線圈內放置一個枕頭。然而，枕頭的性質在控制不同階段頭部高度的變化方面很重要。當掃描第三被試時發現，枕頭的填充物在第二個session時被壓得更緊，因此被試需要將其頭部向上抬，以匹配在第一個session中的位置。為了避免這一問題，研究者使用了12.7毫米厚的聚氨酯泡沫板作為新的頭部支撐材料，這種材料不容易變形。因為SPM重新對準腳本假設不同幀的圖像是在相同的視場(FoV)中獲得的，為了確保HALO的成功對準，關鍵是要確保FoV在各個session中的等中心、邊界和傾斜角度是一致的。

磁頭校準

在第二個session之前，被試會熟悉反饋界面，并且會看到一些示例，以進一步了解他們需要做哪些頭部動作來調整頭部位置。在對準運行期間，指示被試開始將他們的頭部(綠色)對準目標頭部(紅色)。下方的文本框區域也會實時更新，以指示當前對準的進度。當位移參數達到右下角的預設標準后，文本框中會告知被試，在保持頭部位置的同時調整一個舒適的身體姿勢(圖2)。與此同時，儀表上的指針開始向右旋轉一步，每獲得一個像，只要頭部位置在標準范圍內，指針就會繼續旋轉。當針頭達到10時，就認為對準完成了，然后由實驗者終止掃描。

圖2. HALO的實時對準界面

數據分析

在離線數據分析中，使用與在線相同的重新對準函數(spm_realign)計算對準頭部與目標頭部之間的位移(6個參數：x、y、z軸的平移和旋轉)。對于每個被試，計算兩組參數：對準時收集的第一個像和與目標位置對準期間收集的最后一個像。對于平移和旋轉，三個軸在對準前后的絕對值分別取平均值。然后使用配對t檢驗比較兩個時間點之間的平移和旋轉數，以確認對準的改善情況。

結果

7名被試中有6人成功地保持了磁頭對準(其中1名被試因枕頭問題而無法保持對準)。6名被試完成任務的平均時間為11.17min(SD = 2.83min)。這是根據對準運行的總像計算出來的。它們在平移和旋轉方面的改進如圖3所示。

對完成對準任務的6名被試進行配對t檢驗的結果顯示，在組水平對準和旋轉后，平移顯著減少。如果將由于缺少頭部支撐而無法保持對準的第三位被試的位置變化包括在內，結果仍然是顯著的。圖3中顯示了每個被試完成的每個運動維度的數據。

圖3

結論

為了解決MRI環境中session間的頭部對準問題，研究者開發了HALO來幫助被試通過實時視覺反饋來自動調整頭部對準。在這項初步研究中，研究者發現被試在得到HALO反饋的情況下，能夠在15min內達到頭部對齊標準。HALO有助于在縱向成像session中獲得干凈的數據。任何縱向成像研究都可以從HALO的使用中獲益，從而最大限度地減少各個session中的磁化率變化。HALO還可以使用圖像相減的方法診斷結構像。在進行結構掃描之前，借助HALO對各session的組織-磁場配準，以期獲得更清晰的結構像，比如可以更準確地評估腦損傷的情況。此外，在EEG-fMRI研究中，因為磁感應誘發的偽影對EEG信號的影響取決于電極在磁體中的位置。HALO有助于消除由于電極位置變化而引起的混淆效應。

原文：HALO: A software tool for real-time head alignment in the MR scanner.

https://doi.org/10.1101/2022.03.23.485491

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總結

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