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Improved Estimation of Microscopic Tissue Parameters by Double Diffusion Encoding and Flow-Compensated Single Diffusion Encoding Magnetic Resonance Imaging

Müller, Lars

German Title: Verbesserung der Bestimmung von mikroskopischen Gewebseigenschaften mittels doppelt diffusionsgewichteter und flusskompensierter einzeln diffusionsgewichteter Magnetresonanztomographie

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Abstract

Diffusion weighted magnetic resonance imaging (MRI) can be used to gain information on the microstructure of the examined tissue on length scales below the actual image resolution. The large gradient amplitudes required for diffusion measurements can lead to artifacts due to eddy currents and concomitant fields. Another source of image artifacts, is the presence of directed motion such as blood flow or pulsation. In a first MRI sequence, a common approach for eddy current compensation, the twice-refocused spin echo was adjusted for a double diffusion encoding (DDE) sequence. In measurements of healthy volunteers, this approach reduced the falsely elevated microscopic fractional anisotropy (uFA) in the gray matter on average from 0.57 +- 0.19 to 0.50 +- 0.19 and in the ventricles on average from 0.54 +- 0.19 to 0.28 +- 0:27. A second sequence, with a single diffusion encoding, was compensated for any combination of the three artifact sources flow, concomitant fields and eddy currents. For most in vivo measurements, it proved to be sufficient to compensate for flow and concomitant fields. An additional eddy current compensation led only in the brain measurements to a higher reproducibility. The developed sequence was also used to measure the incoherent intravoxel motion (IVIM) effect in the abdomen as well as the prostate of healthy volunteers, where a difference between flow-compensated and non-flow-compensated measurements was observed. This difference could not be seen in patients with prostate carcinoma.

Translation of abstract (German)

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) erlaubt es Rückschlüsse auf die Mikrostruktur des untersuchten Gewebes zu ziehen, welche mit der begrenzten Auflösung des MRT-Bildes nicht dargestellt werden. Für Diffusionsmessungen ist die Schaltung starker Gradientenpulse nötig, die zu Artefakten aufgrund von Wirbelströmen und Maxwell-Feldern (concomitant fields) führen kann. Eine weitere Quelle von Artefakten ist die gerichtete Bewegung, wie zum Beispiel Pulsation oder Blutfluss. Für die genauere Bestimmung der mikroskopischen fraktionellen Anisotropie (uFA) wurde eine doppelt refokussierte Spinecho-Sequenz für die doppelt diffusionsgewichtete MRT angepasst. Durch diese Wirbelstromkompensation wurden die fälschlicherweise erhöhten uFA Werte in der grauen Substanz (im Mittel von 0,57 +- 0:19 auf 0,50 +- 0,19) und den Ventrikeln (im Mittel von 0,54 +- 0,19 auf 0,28 +- 0,27) von gesunden Probanden verringert. Eine zweite Sequenz, mit einer Einzeldiffusionswichtung, wurde entwickelt um jegliche Kombination der drei Quellen von Artefakten (Fluss, Wirbelströme und Maxwell-Felder) kompensieren zu können. In vivo Messungen zeigten, dass für viele Messungen eine höhere Wiederholbarkeit der Aufnahmen erreicht wird, wenn Fluss und Maxwell-Felder kompensiert werden. Eine zusätzliche Wirbelstromkompensation führte, außer bei Kopf Messungen, zu keiner weiteren Verbesserung. Die zweite Sequenz wurde verwendet um die Perfusion mittels Intravoxel Incoherent Motion (inkohärente Bewegung innerhalb eines Voxels) Modells zu bestimmen. Diese Messungen wurden im Abdomen und in der Prostata von gesunden Probanden durchgeführt, wobei ein Unterschied zwischen flusskompensierten und nicht flusskompensierten Messungen festgestellt wurde. Dies war jedoch nicht der Fall bei Patienten mit Prostatakarzinom.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Place of Publication: Heidelberg, Deutschland
Date of thesis defense: 28 June 2017
Date Deposited: 02 Aug 2017 07:07
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
Controlled Keywords: Kernspintomografie, Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomografie, Wirbelstrom, Perfusion, Echo planar imaging, Anisotropie
Uncontrolled Keywords: microspic anisotropy fraktionelle Anisotropie fractional anisotropy concomitant fields Intravoxel incoherent motion doppelte Diffusionswichtung double diffusion encoding Flusskompensation flow-compensation
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