HALO：用于MR扫描器中实时头部对准的工具

本文主要是介绍HALO：用于MR扫描器中实时头部对准的工具，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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导读

磁共振成像(MRI)研究通常需要多次扫描。在整个扫描过程中，被试头部位置的变化会导致脑组织和磁场的对准不一致，从而导致磁化率的变化。这些变化会对采集到的信号产生相当大的影响。因此，研究者开发了磁头对准优化工具(HALO)。HALO可以提供被试当前头部位置相对于前一session位置的实时视觉反馈。研究者验证了HALO能够将被试的头部位置调至最初session的位置。本文中的健康被试预实验样本能够使用HALO显著改善其头部对准，并且在第一个session中就达到了良好的对准效果。在纵向研究中使用HALO将减少与磁化率变化相关的session噪声。HALO工具已公开发布。

前言

扫描组织的磁内运动被认为是功能MRI(fMRI)信号最重要的干扰因素之一。典型的fMRI研究通常包括多个run或session，此过程中，被试的不自主运动也是不可避免的。控制session期间头部运动产生的伪影已经成为一项惯例，目前有大量工具可用于前瞻性或回顾性地减少这些伪影。重要的是要认识到，除了局部场强外，血氧水平依赖(BOLD)信号还取决于脑组织与B0场的对齐。因此，MRI session组织排列的变化会导致微观水平上的磁化率梯度变化，从而影响明显的T2*，而上述方法难以解决这一问题。

因此，研究者开发了HALO，用于向被试提供前一session头部位置的实时视觉反馈。HALO允许被试在不同的session中调整其头部。在纵向磁共振成像研究中使用HALO可以降低整个session的噪声，特别是在高磁化率伪影区域。

研究者进行实时fMRI神经反馈研究，其中目标模式在一个session中进行定义，并在随后的session中进行训练，研究者对与心理健康相关的训练区域感兴趣，这些区域具有高磁化率伪影(如腹内侧前额叶皮层和杏仁核)。不幸的是，磁化率伪影会以一种依赖于头部对齐的方式取代目标区域的信号。如果头部位置不受控制，高磁化率伪影区域中的目标区域将不能捕获代表同一神经基质的信号。这将削弱神经反馈的效能。

除了对神经反馈研究的特定价值外，HALO在改善纵向MRI研究中的信号质量方面具有普遍实用性。任何纵向成像研究都可以使用它来降低整个session中的噪音，特别是在高磁化率的区域，如眶额叶皮层和杏仁核。最后，研究者提出了一种可能性，即通过控制session中的头部位置可以解决当前fMRI的局限：无法使用BOLD成像检查不同session的大脑活动的变化。

方法

软件设计

HALO的设计想法是，通过EPI(回波平面成像)扫描不断收集大脑的空间信息和呈现当前位置相对于参考位置的实时视觉反馈。HALO是在MATLAB (v2019a; Natick, Massachusetts: The MathWorks Inc.)中开发的，使用App Designer功能创建图形用户界面(GUI)(图1)。在实时对准模式/在线模式下，新像的处理包括四个步骤。

1.将工具检测到的DICOM图像转换为新像到NIfTI格式。

2.计算参考图像与新图像之间的4×4刚体变换矩阵，表示刚体从目标位置移动到当前新位置。

3.将转换矩阵应用于参考脑的虚拟头部对象，使当前头部相对于参考脑的位置可视化。

4.在界面上可视化头部的目标和当前位置，并提供书面和动画提示，一旦被试达到足够精确的对齐标准，标示对齐的进度。

图1

第1步和第3步分别采用SPM12(v7219; www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)的脚本(即spm_dicom_convert.m和spm_realign.m)，按照GNU通用公共许可证条款，对Dicom图像进行转换，并计算6-参数刚体运动。HALO已在https://osf.io/d4b59/上分享。

测试程序

为了评价HALO在调整头部位置中的有效性，研究者从当地社区招募了7名健康被试(4名男性和3名女性)进行试点研究。所有被试之前都没有使用HALO的经验。告知被试本研究的研究目的和程序，并在参与之前获得书面同意。每个被试在3特斯拉西门子Prisma系统(software version syngo MR VE11C)上使用头部/颈部64通道成像线圈进行了两次MRI测试。在第一个session期间，收集了一个EPI 像，并在第二个session期间指示被试对齐。每个被试的两个成像session间隔一至两周。在两个session中，被试都戴着一副与核磁共振成像兼容的耳机进行交流。

成像参数

HALO旨在更新校准run中的每个像的反馈。在正式数据采集前的测试中，研究者注意到重复时间(TR)为2000ms的EPI序列对被试的头部跟踪运动太慢，导致对齐困难。基于HALO处理每个像的当前效率(4个步骤的周期为500-600ms)，研究者使用多波段EPI序列，将多波段加速因子设置为2。这允许每800ms采集37个层，回声时间=30ms，采集矩阵= 64*64，转角=80°，体素大小= 3.12*3.12*4.6mm3。

扫描设置

为了确保被试的舒适度，fMRI研究人员通常会在头部线圈内放置一个枕头。然而，枕头的性质在控制不同阶段头部高度的变化方面很重要。当扫描第三被试时发现，枕头的填充物在第二个session时被压得更紧，因此被试需要将其头部向上抬，以匹配在第一个session中的位置。为了避免这一问题，研究者使用了12.7毫米厚的聚氨酯泡沫板作为新的头部支撑材料，这种材料不容易变形。因为SPM重新对准脚本假设不同帧的图像是在相同的视场(FoV)中获得的，为了确保HALO的成功对准，关键是要确保FoV在各个session中的等中心、边界和倾斜角度是一致的。

磁头校准

在第二个session之前，被试会熟悉反馈界面，并且会看到一些示例，以进一步了解他们需要做哪些头部动作来调整头部位置。在对准运行期间，指示被试开始将他们的头部(绿色)对准目标头部(红色)。下方的文本框区域也会实时更新，以指示当前对准的进度。当位移参数达到右下角的预设标准后，文本框中会告知被试，在保持头部位置的同时调整一个舒适的身体姿势(图2)。与此同时，仪表上的指针开始向右旋转一步，每获得一个像，只要头部位置在标准范围内，指针就会继续旋转。当针头达到10时，就认为对准完成了，然后由实验者终止扫描。

图2. HALO的实时对准界面

数据分析

在离线数据分析中，使用与在线相同的重新对准函数(spm_realign)计算对准头部与目标头部之间的位移(6个参数：x、y、z轴的平移和旋转)。对于每个被试，计算两组参数：对准时收集的第一个像和与目标位置对准期间收集的最后一个像。对于平移和旋转，三个轴在对准前后的绝对值分别取平均值。然后使用配对t检验比较两个时间点之间的平移和旋转数，以确认对准的改善情况。

结果

7名被试中有6人成功地保持了磁头对准(其中1名被试因枕头问题而无法保持对准)。6名被试完成任务的平均时间为11.17min(SD = 2.83min)。这是根据对准运行的总像计算出来的。它们在平移和旋转方面的改进如图3所示。

对完成对准任务的6名被试进行配对t检验的结果显示，在组水平对准和旋转后，平移显著减少。如果将由于缺少头部支撑而无法保持对准的第三位被试的位置变化包括在内，结果仍然是显著的。图3中显示了每个被试完成的每个运动维度的数据。

图3

结论

为了解决MRI环境中session间的头部对准问题，研究者开发了HALO来帮助被试通过实时视觉反馈来自动调整头部对准。在这项初步研究中，研究者发现被试在得到HALO反馈的情况下，能够在15min内达到头部对齐标准。HALO有助于在纵向成像session中获得干净的数据。任何纵向成像研究都可以从HALO的使用中获益，从而最大限度地减少各个session中的磁化率变化。HALO还可以使用图像相减的方法诊断结构像。在进行结构扫描之前，借助HALO对各session的组织-磁场配准，以期获得更清晰的结构像，比如可以更准确地评估脑损伤的情况。此外，在EEG-fMRI研究中，因为磁感应诱发的伪影对EEG信号的影响取决于电极在磁体中的位置。HALO有助于消除由于电极位置变化而引起的混淆效应。

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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