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On the Simultaneous Quantification of Flow Velocities and Relaxation Constants Through Magnetic Resonance Fingerprinting

Flassbeck, Sebastian

German Title: Über die simultane Quantifizierung von Strömungsgeschwindigkeiten und Relaxationszeiten mit Hilfe von Magnetic Resonance Fingerprinting

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In this thesis, the development of a novel magnetic resonance imaging (MRI) pulse sequence based on magnetic resonance fingerprinting (MRF) is presented. The proposed technique, termed “Flow-MRF”, allows time-resolved velocities and relaxation constants to be quantified simultaneously, in shorter acquisition times than conventional MR-based velocimetry. The simultaneous quantification of both sets of parameters was achieved by formulating the combined problem in the MRF framework. An MRF pattern was designed to create minimal coupling between the relaxometric and velocimetric parameter encoding. Flow-MRF was validated and tested in simulations, phantom experiments, and an in vivo study targeting the popliteal artery and the gastrocnemius muscle. In each investigation, Flow-MRF quantified relaxation constants and flow velocities in strong agreement with literature and reference measurements. Furthermore, the use of high velocity encoding moments (Δm1 = 60 mT/m·ms^2) was demonstrated while maintaining a range of correctly quantifiable velocities beyond 800 cm/s. In the volunteer study, Flow-MRF determined an average longitudinal relaxation time of (1384±75) ms and a transverse relaxation time of (26±4) ms in the gastrocnemius muscle. The average velocity deviation over all three volunteers between Flow-MRF and the reference was (-2.6±5.2) cm/s. Lastly, the potential to quantify the complete Reynolds stress tensor with Flow-MRF was investigated and shown in a stenotic flow phantom experiment. Flow‐MRF presents a novel method of quantifying velocities in up to fourfold shorter measurement times than conventional velocity mapping techniques, while simultaneously providing relaxometric maps of static tissue. These improvements can potentially be helpful in the assessment of pathologies such as arteriosclerosis.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer neuen magnetresonanztomographischen Bildgebungssequenz basierend auf Magnetic Resonance Fingerprinting (MRF) vorgestellt. Die entwickelte Technik namens „Flow-MRF“ erlaubt die simultane Quantifizierung von zeitaufgelösten Strömungsgeschwindigkeiten und Relaxationszeiten in verkürzter Messdauer verglichen zu konventioneller, MR-basierter Geschwindigkeitsquantifizierung. Durch die Formulierung des kombinierten Quantifizierungsproblems im Rahmen des MRF-Konzepts wurde die gleichzeitige Bestimmung beider Parameter ermöglicht. Dafür wurde ein MRF-Muster entworfen, welches eine minimale Kopplung zwischen der Kodierung der Geschwindigkeiten und den relaxometrischen Parametern verursacht. Flow-MRF wurde in Simulationen, Phantom-Experimenten und in einer In Vivo Studie, zur Untersuchung der Kniekehlarterie und des zweibäuchigen Wadenmuskels, getestet. Alle Untersuchungen zeigen eine hohe Übereinstimmung der mit Flow-MRF quantifizierten Geschwindigkeiten und Relaxationszeiten mit Literaturwerten und Referenzmessungen. Des Weiteren wurde die Kodierung der Geschwindigkeit mit hohen Momenten (Δm1 = 60 mT/m·ms^2) demonstriert und der Bereich der korrekt quantifizierbaren Geschwindigkeiten auf über 800 cm/s bestimmt. In der Probandenstudie wurde im Wadenmuskel eine longitudinale Relaxationszeit von (1384±75) ms und eine transversale Relaxationszeit von (26±4) ms bestimmt. Die mittlere Abweichung der bestimmten Geschwindigkeiten über alle Probanden zwischen Flow-MRF und der Referenz beträgt (-2.6±5.2) cm/s. Schließlich wurde die Möglichkeit, mit Flow-MRF den vollständigen Reynoldsschen Spannungstensors zu quantifizieren, in einer Messung mit stenotischen Fließbedingungen untersucht und gezeigt. Flow-MRF stellt eine neue Methode zur simultanen Quantifizierung von Strömungsgeschwindigkeiten dar und ermöglicht dabei eine bis vierfach verkürzte Messdauer als konventionelle Methoden. Zusätzlich werden bei Flow-MRF die Relaxationszeiten von statischem Gewebe bestimmt. Diese Neuerungen sind potenziell hilfreich bei der Untersuchung von Pathologien wie Arteriosklerose.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 8 May 2019
Date Deposited: 10 May 2019 12:02
Date: 2019
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
600 Technology (Applied sciences)
Controlled Keywords: Magnetic Resonance Fingerprinting, MR-Velocimetrie, Relaxometrie, Magnetresonanztomographie, MRT
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