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On the Quantification of Fluid Mechanical Properties by Means of Magnetic Resonance Imaging

Schmidt, Simon

German Title: Über die Quantifizierung strömungsmechanischer Eigenschaften mit Hilfe der Magnetresonanztomographie

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Abstract

Magnetic resonance imaging (MRI) provides a versatile tool to determine a variety of fluid mechanical properties, but similarly the quantification is biased by the acquisition itself and the technique has limitations among which are limited spatial resolution and low signal-to-noise-ratio.

To overcome such issues, phase contrast MRI methods have been investigated at 7 T. At this field strength variations of the transmit field pose a substantial problem. Additionally, so-called displacement artifacts become important, since they scale with spatial resolution. Transmit field variations are addressed in this work by multi-spoke RF pulses, which are not straightforwardly applicable to velocity quantification. They require a detailed investigation of displacement artifacts that arise due to differences in the encoding time points of velocity and space. This work investigates three different encoding schemes, for conventional excitation as well as for multi-spoke excitation, which yield different displacement artifacts. Their impact on derived haemodynamic parameters, such as wall shear stress, which had been unknown so far, are investigated. Moreover, spoke pulses are further fine-tuned by using asymmetric pulse shapes. Besides the correct determination of the velocity at 7 T, the precise quantification of acceleration is another important factor, which is solved in this work by developing an acceleration-encoded sequence free of artifacts. Furthermore, another confounding factor in MRI-based velocitmetry, the intravoxel velocity distributions, affect the velocity encoding process. This effect has been investigated and, based on measured velocity spectra, noise-optimized velocity encoding sensitivity (VENC) values have been proposed. Finally, the potential of precise MR-based velocity measurements is demonstrated for a well-known fluid dynamic test case (flow over periodic hills) with a Reynolds number of 60,000. For this case, the Reynolds stress tensor has been quantified.

In conclusion, the presented techniques improve the precision at which fluid mechanical properties can be quantified by means of MRI.

Translation of abstract (German)

Die Magnetresonanztomographie (MRT) bietet ein vielseitiges Werkzeug zur Bestimmung einer Vielzahl von strömungsmechanischen Eigenschaften. Zugleich jedoch ist die Quantifizierung durch die Aufnahme selbst beeinträchtigt und die Technik hat ihre Grenzen. Zu diesen zählen die limitierte räumliche Auflösung und das geringe Signal-zu-Rausch-Verhältnis.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurden Phasenkontrast-MRT-Methoden bei 7T untersucht. Bei dieser Feldstärke stellen Variationen des Sendefeldes ein erhebliches Problem dar. Zusätzlich werden sogenannte Verschiebungsartefakte wichtig, da diese mit der räumlichen Auflösung skalieren. Sendefeldvariationen werden in dieser Arbeit durch Mehrspeichen-HF-Impulse kompensiert, welche jedoch nicht ohne Weiteres auf die Geschwindigkeitsquantifizierung anwendbar sind. Vielmehr ist eine detaillierte Untersuchung von Verschiebungsartefakten erforderlich, welche durch Unterschiede in den Kodierungszeitpunkten von Geschwindigkeit und Ort entstehen. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Kodierungsschemata untersucht, sowohl für konventionelle als auch für Mehrspeichenanregung, welche unterschiedliche Verschiebungsartefakte erzeugen. Ihr Einfluss auf abgeleitete hämodynamische Parameter wird untersucht, wie z.B. auf die Wandschubspannung, der bisher unbekannt war. Darüber hinaus werden die Mehrspeichen-HF-Impulse durch die Verwendung asymmetrischer Pulsformen optimiert. Neben der korrekten Bestimmung der Geschwindigkeit bei 7T ist die genaue Quantifizierung der Beschleunigung ein weiterer wichtiger Faktor, welcher in dieser Arbeit durch die Entwicklung einer artefaktfreien beschleunigungskodierten Sequenz gelöst wird. Ein weiterer Störfaktor in der MRT-basierten Geschwindigkeitsmessung besteht darin, dass Geschwindigkeitsverteilungen innerhalb der Voxel den Geschwindigkeitskodierungsprozess beeinflussen. Dieser Effekt wurde untersucht und, auf der Grundlage gemessener Geschwindigkeitsspektren, rauschoptimierte Werte für die Empfindlichkeit der Geschwindigkeitskodierung (engl. velocity encoding sensitivity, VENC) vorgeschlagen. Schließlich wird das Potenzial präziser MR-basierter Geschwindigkeitsmessungen für einen bekannten strömungsmechanischen Testfall (Strömung über periodische Hügel) mit einer REYNOLDS-Zahl von 60.000 demonstriert. Für diesen Fall wurde außerdem der REYNOLDS-Spannungstensor quantifiziert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellten Techniken die Präzision verbessern, mit der die strömungsmechanischen Eigenschaften mittels MRT quantifiziert werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 11 May 2020
Date Deposited: 26 May 2020 06:14
Date: 2020
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 imaging, MR-velocimetry, Fluiddynamik
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