Abstract Multi-parametric quantitative MRI has shown great potential to improve the sensitivity and specificity of clinical diagnosis and to enhance our understanding of complex brain processes, but suffers from long scan time especially at high spatial resolution. To address this long-standing challenge, we introduce a novel approach, termed 3D Echo Planar Time-resolved Imaging (3D-EPTI), which significantly increases the acceleration capacity of MRI sampling, and provides high acquisition efficiency for multi-parametric MRI. This is achieved by exploiting the spatiotemporal correlation of MRI data at multiple timescales through new encoding strategies within and between efficient continuous readouts. Specifically, an optimized spatiotemporal CAIPI encoding within the readouts combined with a radial-block sampling strategy across the readouts enables an acceleration rate of 800 folds in the k-t space. A subspace reconstruction was employed to resolve thousands of artifact-free high-quality multi-contrast images spaced at a time interval of ~1 ms. We have demonstrated the ability of 3D-EPTI to provide robust and repeatable whole-brain simultaneous T 1 , T 2 , T 2 *, PD and B 1 + mapping at high isotropic resolution within minutes (e.g., 1-mm isotropic resolution in 3 minutes), and to enable submillimeter multi-parametric imaging to study detailed brain structures. Highlights Ultra-fast acquisition for 3D multi-parametric quantitative MRI. Simultaneous T 1 T 2 T 2 * PD and B 1 + mapping. 3-minute scan at 1-mm isotropic resolution with whole-brain coverage. Multi-parametric mapping at 700-μm isotropic resolution in 10 minutes. Repeatable quantification and cortical-depth analysis.

Abstract Spin-echo (SE) BOLD fMRI has high microvascular specificity, and thus provides a more reliable means to localize neural activity compared to conventional gradient-echo BOLD fMRI. However, the most common SE BOLD acquisition method, SE-EPI, is known to suffer from T 2 ′ contrast contamination with undesirable draining vein bias. To address this, in this study, we extended a recently developed distortion/blurring-free multi-shot EPI technique, Echo-Planar Time-resolved Imaging (EPTI), to cortical-depth dependent SE-fMRI at 7T to test whether it could provide purer SE BOLD contrast with minimal T 2 ′ contamination for improved neuronal specificity. From the same acquisition, the time-resolved feature of EPTI also provides a series of asymmetric SE (ASE) images with varying T 2 ′ weightings, and enables extraction of data equivalent to conventional SE EPI with different echo train lengths (ETLs). This allows us to systematically examine how T 2 ′-contribution affects different SE acquisition strategies using a single dataset. A low-rank spatiotemporal subspace reconstruction was implemented for the SE-EPTI acquisition, which incorporates corrections for both shot-to-shot phase variations and dynamic B 0 drifts. SE-EPTI was used in a visual task fMRI experiment to demonstrate that i) the pure SE image provided by EPTI results in the highest microvascular specificity; ii) the ASE EPTI series, with a graded introduction of T 2 ′ weightings at time points farther away from the pure SE, show a gradual sensitivity increase along with increasing draining vein bias; iii) the longer ETL seen in conventional SE EPI acquisitions will induce more draining vein bias. Consistent results were observed across multiple subjects, demonstrating the robustness of the proposed technique for SE-BOLD fMRI with high specificity.

Abstract We present a whole-brain in vivo diffusion MRI (dMRI) dataset acquired at 760 μm isotropic resolution and sampled at 1260 q-space points across 9 two-hour sessions on a single healthy subject. The creation of this benchmark dataset is possible through the synergistic use of advanced acquisition hardware and software including the high-gradient-strength Connectom scanner, a custom-built 64-channel phased-array coil, a personalized motion-robust head stabilizer, a recently developed SNR-efficient dMRI acquisition method, and parallel imaging reconstruction with advanced ghost reduction algorithm. With its unprecedented resolution, SNR and image quality, we envision that this dataset will have a broad range of investigational, educational, and clinical applications that will advance the understanding of human brain structures and connectivity. This comprehensive dataset can also be used as a test bed for new modeling, sub-sampling strategies, denoising and processing algorithms, potentially providing a common testing platform for further development of in vivo high resolution dMRI techniques. Whole brain anatomical T 1 -weighted and T 2 -weighted images at submillimeter scale along with field maps are also made available.

Abstract Purpose To develop an efficient acquisition technique for distortion-free diffusion MRI and diffusion-relaxometry. Methods A new ACcelerated Echo-train shifted Echo-Planar Time-resolved Imaging (ACE-EPTI) technique is developed to achieve high-SNR, distortion- and blurring-free diffusion and diffusion-relaxometry imaging. ACE-EPTI employs a newly designed variable density spatiotemporal encoding with self-navigation capability, that allows submillimeter in-plane resolution using only 3-shot. Moreover, an echo-train-shifted acquisition is developed to achieve minimal TE, together with an SNR-optimal readout length, leading to ~30% improvement in SNR efficiency over single-shot EPI. To recover the highly accelerated data with high image quality, a tailored subspace image reconstruction framework is developed, that corrects for odd/even-echo phase difference, shot-to-shot phase variation, and the B 0 field changes due to field drift and eddy currents across different dynamics. After the phase-corrected subspace reconstruction, artifacts-free high-SNR diffusion images at multiple TEs are obtained with varying T 2 * weighting. Results Simulation, phantom and in-vivo experiments were performed, which validated the 3-shot spatiotemporal encoding provides accurate reconstruction at submillimeter resolution. The use of echo-train shifting and optimized readout length improves the SNR-efficiency by 27-36% over single-shot EPI. The reconstructed multi-TE diffusion images were demonstrated to be free from distortion (susceptibility and eddy currents) and phase/field variation induced artifacts. These improvements of ACE-EPTI enable improved diffusion tensor imaging and rich multi-TE information for diffusion-relaxometry analysis. Conclusion ACE-EPTI was demonstrated to be an efficient and powerful technique for high-resolution diffusion imaging and diffusion-relaxometry, which provides high SNR, distortion- and blurring-free, and time-resolved multi-echo images by a fast 3-shot acquisition.

Abstract Purpose To develop EPTI, a multi-shot distortion-free multi-echo imaging technique, into a single-shot acquisition to achieve improved robustness to motion and physiological noise, increased temporal resolution, and high SNR efficiency for dynamic imaging applications. Methods A new spatiotemporal encoding was developed to achieve single-shot EPTI by enhancing spatiotemporal correlation in k-t space. The proposed single-shot encoding improves reconstruction conditioning and sampling efficiency, with additional optimization under various accelerations to achieve optimized performance. To achieve high SNR efficiency, continuous readout with minimized deadtime was employed that begins immediately after excitation and extends for an SNR-optimized length. Moreover, k-t partial Fourier and simultaneous multi-slice acquisition were integrated to further accelerate the acquisition and achieve high spatial and temporal resolution. Results We demonstrated that ss-EPTI achieves higher tSNR efficiency than multi-shot EPTI, and provides distortion-free imaging with densely-sampled multi-echo images at resolutions ∼1.25–3 mm at 3T and 7T— with high SNR efficiency and with comparable temporal resolutions to ss-EPI. The ability of ss-EPTI to eliminate dynamic distortions common in EPI also further improves temporal stability. For fMRI, ss-EPTI also provides early-TE images (e.g., 2.9ms) to recover signal-intensity and functional-sensitivity dropout in challenging regions. The multi-echo images provide TE-dependent information about functional fluctuations, successfully distinguishing noise-components from BOLD signals and further improving tSNR. For diffusion MRI, ss-EPTI provides high-quality distortion-free diffusion images and multi-echo diffusion metrics. Conclusion ss-EPTI provides distortion-free imaging with high image quality, rich multi-echo information, and enhanced efficiency within comparable temporal resolution to ss-EPI, offering a robust and efficient acquisition for dynamic imaging.

Abstract Purpose To overcome the major challenges in dMRI acquisition, including low SNR, distortion/blurring, and motion vulnerability. Methods A novel Romer-EPTI technique is developed to provide distortion-free dMRI with significant SNR gain, high motion-robustness, sharp spatial resolution, and simultaneous multi-TE imaging. It introduces a ROtating-view Motion-robust supEr-Resolution technique (Romer) combined with a distortion/blurring-free EPTI encoding. Romer enhances SNR by a simultaneous multi-thick-slice acquisition with rotating-view encoding, while providing high motion-robustness through a motion-aware super-resolution reconstruction, which also incorporates slice-profile and real-value diffusion, to resolve high-isotropic-resolution volumes. The in-plane encoding is performed using distortion/blurring-free EPTI, which further improves effective spatial resolution and motion robustness by preventing not only T 2 /T 2 *-blurring but also additional blurring resulting from combining encoded volumes with inconsistent geometries caused by dynamic distortions. Self-navigation was incorporated to enable efficient phase correction. Additional developments include strategies to address slab-boundary artifacts, achieve minimal TE for SNR gain at 7T, and achieve high robustness to strong phase variations at high b-values. Results Using Romer-EPTI, we demonstrate distortion-free whole-brain mesoscale in-vivo dMRI at both 3T (500-μm-iso) and 7T (485-μm-iso) for the first time, with high SNR efficiency (e.g., ), and high image quality free from distortion and slab-boundary artifacts with minimal blurring. Motion experiments demonstrate Romer-EPTI’s high motion-robustness and ability to recover sharp images in the presence of motion. Romer-EPTI also demonstrates significant SNR gain and robustness in high b-value (b=5000s/mm 2 ) and time-dependent dMRI. Conclusion Romer-EPTI significantly improves SNR, motion-robustness, and image quality, providing a highly efficient acquisition for high-resolution dMRI and microstructure imaging.

MR spectroscopic imaging (MRSI) can be used to quantify an extended brain metabolic profile but is confounded by changes in tissue water levels due to disease.