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Dynamic Arterial Spin Labeling Measurements of Physiological Parameters - Permeability and Oxygenation

Gregori, Johannes

German Title: Dynamische Messungen physiologischer Parameter mit Arterial Spin Labeling: Permeabilität und Oxygenierung

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Abstract

Arterial Spin Labeling (ASL) is an MR imaging technique which can measure the brain perfusion locally without contrast agent. The inflowing blood is labeled by inverting the magnetization of the water molecules. During the blood flow through the vascular tree and the capillary bed, the signal can be acquired at different inflow times. Thereby, the signal decays with T1. An aspect which has not yet been investigated is the dynamics of further MR parameters during the inflow. In the present work, the dynamics of the parameters T2 and T2’ of the perfusion signal are investigated. The employed MRI sequences have been developed and are presented in this thesis: a 3D-GRASE readout with variable echo time for T2 quantification, and a spin/gradient double echo double spiral 3D-GRASE readout for T2’ estimation. Further, a model has been developed which describes the behavior of the perfusion signal which includes permeability, depending on the echo time. With the acquired data it has been possible to directly derive an estimate for the local water permeability of the capillary wall. The T2’ data allows an estimation of dynamical changes of oxygenation and local apparent venous volume in the direct vicinity of the inflowing blood water spins. The double echo spiral sequence in conjunction with ASL can in principle acquire perfusion and oxygenation simultaneously and is therefore predestined for functional imaging applications. Both techniques allow deep insights in basic local perfusion mechanisms.

Translation of abstract (German)

Arterial Spin Labeling (ASL) ist eine Technik der MR-Bildgebung, welche es ermög-licht, ohne Kontrastmittel lokal die Gewebeperfusion bzw. Durchblutung des Gehirns zu messen. Dabei wird einfließendes Blut markiert, indem die Magnetisierung der Wassermoleküle im Blut invertiert wird. Während das Blut durch den Gefäßbaum und in das Kapillarbett strömt, kann das Signal zu verschiedenen Einflusszeiten gemessen werden. Dabei zerfällt die Magnetisierung mit T1. Ein noch nicht eingehend untersuch-ter Aspekt dieser Technik ist es, das Perfusionssignal auf weitere dynamische Änderun-gen während des Einfließens hin zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wird die dynamische Entwicklung des Perfusionssignals bezüglich der Parameter T2 und T2’ untersucht. Die dazu verwendeten Auslesesequenzen wurden im Rahmen der Arbeit entwickelt: eine 3D-GRASE Auslese mit variabler Echozeit für die T2-Bestimmung sowie eine Spin/Gradienten Doppelecho-Doppelspiral 3D-GRASE Auslese zur Be-stimmung von T2’. Des Weiteren wurde ein Modell entwickelt, das die Entwicklung des Perfusionssignals in Abhängigkeit der Einflusszeit sowie der Echozeit beschreibt, unter Berücksichtigung der kapillaren Permeabilität. Mit den gewonnenen Daten ist es möglich, direkt lokal die Wasser-Permabilität der Kapillarwand abzuschätzen. Die erhobenen T2’-Daten ermöglichen eine Abschätzung der dynamischen Änderung der Oxygenierung in der direkten Umgebung der Blut-Wasser-Spins. Die Doppelecho-Spiralsequenz in Verbindung mit einer ASL-Sequenz ermöglicht die simultane Bestim-mung von Perfusion und Oxygenierung und ist daher prädestiniert für einen Einsatz in der funktionellen Bildgebung. Beide Techniken erlauben tiefe Einblicke in grundlegen-de lokale Aspekte der Physiologie.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Günther, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 5 February 2010
Date Deposited: 25 Feb 2010 10:45
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: NMR-Tomographie, Perfusion, Oxygenierung, Bildgebendes Verfahren, NMR-Bildgebung, Durchblutungsmessung, Magnetische Suszeptibilität
Uncontrolled Keywords: Arterial Spin Labeling , 3T , Doppel Spiral , Multi Echo , ASLArterial Spin Labeling , 3T , Double Spiral , Multi Echo , ASL
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