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Diffusionstensor - Magnetresonanztomographie : Phantomentwicklung und Optimierung der Messtechnik für Anwendungen am Rückenmark

Laun, Frederik Bernd

English Title: Diffusion Tensor - Magnetic Resonance Imaging : Phantom Development and Optimization of Measurement Techniques for Application at the Spinal Cord

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PDF, German
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Abstract

In dieser Arbeit werden quantitative DTI-Messungen mit maschinell hergestellten, einfach reproduzierbaren, kostengünstigen DTI-Phantomen aus Polyamidfäden und Plexiglasspindeln oder Schrumpfschläuchen vorgestellt. Die Phantome haben ähnliche MR- und Diffusionseigenschaften (FA > 0.7, ADC etwa 1 µm²/ms, T2 > 300 ms) wie neuronales Gewebe in vivo. Mit Hilfe der Phantome werden Messfehler untersucht die durch den Bias diffusionsgewichteter Magnitudenbilder, aber nicht durch Streuung der Daten entstehen. Es wird gezeigt dass es eine systematische Eigenvektorverschiebung in Richtung 'attraktiver' Orientierungen gibt und dass Eigenwerte des Diffusionstensors überschätzt werden können wenn die Diffusion unterschätzt wird. Die Orientierungsabhängigkeit der FA und des ADC wird mit den Phantomen und in vivo demonstriert, die verwendeten Bildgebungsparameter sind dabei im Bereich klinisch eingesetzter Diffusionssequenzen. Die gemessene FA des Corpus Callosum variiert zwischen 0.74 und 0.81 wenn das Gradientenschema rotiert wird. Desweiteren wird die DTI-Bildgebung für das Rückenmark optimiert. Es wird gezeigt, dass echoplanare Bildgebungssequenzen signaleffzienter sind als Turbo-Spin-Echo und stimulierte Echo Sequenzen. Eine verbesserte Methode der Magnetisierungsrückgewinnung bei Inner-Volume-Sequenzen mit doppelt refokussierender Spin-Echo Diffusionswichtung wird vorgestellt. Trotzdem bleibt die Verkürzung des Echozugs mit paralleler Bildgebung zeiteffizienter als Inner-Volume-Techniken. Quantitative Diffusionwerte werden mit einer probabilistischen Voxelklassiffikation bestimmt um benutzerbedingte Variationen zu minimieren. Im Bereich der Halswirbelsäule liegen die ermittelten quantitative Werte des ADC zwischen 0,993 und 1,071 µm²/ms und der FA zwischen 0,624 und 0,646. Die Standardabweichung in fünf Messungen war für beide Werte kleiner als 3,5% des Messwertes.

Translation of abstract (English)

Quantitative DTI measurements of machine-made, easily producible and cheap DTI-phantoms, made of polyamide fibers and acrylic glass spindles or heat shrink tubes are presented. The phantoms have diffusion and MR properties (FA > 0.7, ADC about 1 µm²/ms, T2 > 300 ms) similar to those of in vivo neuronal tissue. Using these phantoms, errors which are related to the bias of diffusion weighted magnitude images, but not to scatter of the data, are investigated. It is shown, that there is a systematic eigenvector shift towards 'attractive' orientations and that eigenvalues may be overestimated due to an underestimation of the measured diffusion. Orientation dependency of FA and ADC is demonstrated in phantom and in in vivo measurements which are in the range of clinical standard settings. Here, the measured FA of the Corpus Callosum varies between 0.74 and 0.81 when the gradient scheme is rotated. Furthermore, DTI of the spinal cord is optimized. It is shown that echo planar imaging is more efficient than turbo-spin-echo and stimulated-echo techniques. An improved method is presented to restore magnetization with inner-volume techniques in combination with a twice refocused spin echo diffusion preparation. However, shortening of the readout train can be done more time-efficiently using parallel imaging than inner-volume techniques. Quantitative diffusion values are determined with a probabilistic voxel classiffication to minimize user induced variances. Absolute ADC values of the cervical spinal cord are between 0.993 and 1.071 µm²/ms, absolute FA values are between 0.624 and 0.646. The standard deviation of five measurements was below 3.5% for both values.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schad, Prof. Dr. Lothar Rudi,
Date of thesis defense: 16 January 2008
Date Deposited: 06 Feb 2008 10:07
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Magnetische Resonanz, Anisotrope Diffusion, Diffusion, Tensor, Rückenmark
Uncontrolled Keywords: PhantomPhantom
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