Abstract Magnetic resonance (MR) diffusion tensor imaging (DTI) can resolve the white matter fiber orientation within a voxel provided that the fibers are strongly aligned. However, a given voxel may contain a distribution of fiber orientations due to, for example, intravoxel fiber crossing. The present study sought to test whether a geodesic, high b‐ value diffusion gradient sampling scheme could resolve multiple fiber orientations within a single voxel. In regions of fiber crossing the diffusion signal exhibited multiple local maxima/minima as a function of diffusion gradient orientation, indicating the presence of multiple intravoxel fiber orientations. The multimodality of the observed diffusion signal precluded the standard tensor reconstruction, so instead the diffusion signal was modeled as arising from a discrete mixture of Gaussian diffusion processes in slow exchange, and the underlying mixture of tensors was solved for using a gradient descent scheme. The multitensor reconstruction resolved multiple intravoxel fiber populations corresponding to known fiber anatomy. Magn Reson Med 48:577–582, 2002. © 2002 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Methods are presented to map complex fiber architectures in tissues by imaging the 3D spectra of tissue water diffusion with MR. First, theoretical considerations show why and under what conditions diffusion contrast is positive. Using this result, spin displacement spectra that are conventionally phase‐encoded can be accurately reconstructed by a Fourier transform of the measured signal's modulus. Second, studies of in vitro and in vivo samples demonstrate correspondence between the orientational maxima of the diffusion spectrum and those of the fiber orientation density at each location. In specimens with complex muscular tissue, such as the tongue, diffusion spectrum images show characteristic local heterogeneities of fiber architectures, including angular dispersion and intersection. Cerebral diffusion spectra acquired in normal human subjects resolve known white matter tracts and tract intersections. Finally, the relation between the presented model‐free imaging technique and other available diffusion MRI schemes is discussed. Magn Reson Med, 2005. © 2005 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Image distortion due to field gradient eddy currents can create image artifacts in diffusion‐weighted MR images. These images, acquired by measuring the attenuation of NMR signal due to directionally dependent diffusion, have recently been shown to be useful in the diagnosis and assessment of acute stroke and in mapping of tissue structure. This work presents an improvement on the spin‐echo (SE) diffusion sequence that displays less distortion and consequently improves image quality. Adding a second refocusing pulse provides better image quality with less distortion at no cost in scanning efficiency or effectiveness, and allows more flexible diffusion gradient timing. By adjusting the timing of the diffusion gradients, eddy currents with a single exponential decay constant can be nulled, and eddy currents with similar decay constants can be greatly reduced. This new sequence is demonstrated in phantom measurements and in diffusion anisotropy images of normal human brain. Magn Reson Med 49:177–182, 2003. © 2003 Wiley‐Liss, Inc.

To evaluate acute stroke with conventional, multisection diffusion-weighted (DW), and hemodynamically weighted (HW) magnetic resonance (MR) imaging.The three MR imaging techniques were performed in 11 patients within 10 hours of the onset of acute hemiparesis. The volume of DW and HW abnormalities were compared with infarct volumes depicted at initial and/or follow-up MR or computed tomography (CT).Findings at DW and HW imaging were abnormal in nine of the 11 patients, despite normal findings at initial CT and/or MR. In all nine patients, infarcts were depicted at follow-up CT or MR. The DW abnormality was generally smaller and the HW abnormality was generally larger than the infarct volume determined at subsequent imaging. In the two patients with normal findings at DW and HW imaging, symptoms resolved completely within 1-48 hours.Different aspects of hyperacute cerebral ischemia are depicted at DW and HW imaging before infarction is depicted at conventional MR or CT. These techniques may improve stroke diagnosis and may contribute to advances in treatment.

While functional brain imaging methods can locate the cortical regions subserving particular cognitive functions, the connectivity between the functional areas of the human brain remains poorly understood. Recently, investigators have proposed a method to image neural connectivity noninvasively using a magnetic resonance imaging method called diffusion tensor imaging (DTI). DTI measures the molecular diffusion of water along neural pathways. Accurate reconstruction of neural connectivity patterns from DTI has been hindered, however, by the inability of DTI to resolve more than a single axon direction within each imaging voxel. Here, we present a novel magnetic resonance imaging technique that can resolve multiple axon directions within a single voxel. The technique, called q-ball imaging, can resolve intravoxel white matter fiber crossing as well as white matter insertions into cortex. The ability of q-ball imaging to resolve complex intravoxel fiber architecture eliminates a key obstacle to mapping neural connectivity in the human brain noninvasively.

Abstract The precise characterization of cortical connectivity is important for the understanding of brain morphological and functional organization. Such connectivity is conveyed by specific pathways or tracts in the white matter. Diffusion‐weighted magnetic resonance imaging detects the diffusivity of water molecules in three dimensions. Diffusivity in anisotropic in oriented tissues such as fiber tracts. In the present study, we used this method to map (in terms of orientation, location, and size) the “stem” (compact portion) of the principal association, projection, and commissural white matter pathways of the human brain in vivo, in 3 normal subjects. In addition, its use in clinical neurology is illustrated in a patient with left inferior parietal lobule embolic infarction in whom a significant reduction in relative size of the stem of the left superior longitudinal fasciculus was observed. This represents an important method for the characterization of major association pathways in the living human that are not discernible by conventional magnetic resonance imaging. In the clinical domain, this method will have a potential impact on the understanding of the diseases that involve white matter such as stroke, multiple sclerosis, amyotrophic lateral sclerosis, head injury, and spinal cord injury.

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 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.

The human tongue exhibits an orchestrated arrangement of internal muscles, working in sequential order to execute tongue movements. Understanding the muscle coordination patterns involved in tongue protrusive motion is crucial for advancing knowledge of tongue structure and function. To achieve this, this work focuses on five muscles known to contribute to protrusive motion. Tagged and diffusion MRI data are collected for analysis of muscle fiber geometry and motion patterns. Lagrangian strain measurements are derived, and Granger causal analysis is carried out to assess predictive information among the muscles. Experimental results suggest sequential muscle coordination of protrusive motion among distinct muscle groups.