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Mapping of Tissue Oxygenation using Quantitative BOLD Methods : Stability under non-static conditions

Solin, Maja

German Title: Bestimmung der Gewebe-Oxygenierung mittels quantitativer BOLD Methoden : Stabilität bei nicht-statischen Bedingungen

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Abstract

In vorherigen Arbeiten wurde eine Methode verwendet, um die Suszeptibilitätsdifferenz (dchi) zwischen venösem Blut und umgebendem Gewebe zu quantifizieren. Hierbei wurde ein Gewebemodell zur gleichzeitigen Bestimmung des relativen Blutvolumen (zeta) und der Gewebe-Oxygenierung verwendet. In dieser Arbeit wird der bisher vernachlässigte Effekt der Diffusion auf die MR Signalbildung in der Gegenwart eines Zylindernetzwerks mit Hilfe von Simulationen untersucht und in Phantommessungen validiert. Um ein Kapillarnetz nachzubilden wurden Phantome aus zufällig orientierten Polyamidfäden (Ø = 27-245µm, dchi = 1.0-1.3ppm, zeta = 2-5%) konstruiert. Die theoretischen Vorhersagen stimmten vollständig mit den Phantommessungen überein. Durch Simulationen wurde gezeigt, dass ein SNR von 600 benötigt wird, um einen relativen Fehler von dchi kleiner als 10% zu erreichen. Wenn jedoch zeta vorher bekannt ist, kann dchi schon bei einem SNR von 200 mit 3.2% relativem Fehler bestimmt werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Vernachlässigung der Diffusion eine Unterschätzung von dchi um etwa 13% verursacht, wenn der Gefässdurchmesser von der Größenordnung der Diffusionslänge ist. Die Sensitivität der Messmethode auf Änderung der Oxygenierung in vivo wurde durch Veränderung der Oxygenierung mit Hilfe von Koffein demonstriert. Ein Anstieg von dchi um of 0.12±0.04ppm konnte nach Koffeineinnahme detektiert warden.

Translation of abstract (English)

In vorherigen Arbeiten wurde eine Methode verwendet, um die Suszeptibilitätsdifferenz (dchi) zwischen venösem Blut und umgebendem Gewebe zu quantifizieren. Hierbei wurde ein Gewebemodell zur gleichzeitigen Bestimmung des relativen Blutvolumen (zeta) und der Gewebe-Oxygenierung verwendet. In dieser Arbeit wird der bisher vernachlässigte Effekt der Diffusion auf die MR Signalbildung in der Gegenwart eines Zylindernetzwerks mit Hilfe von Simulationen untersucht und in Phantommessungen validiert. Um ein Kapillarnetz nachzubilden wurden Phantome aus zufällig orientierten Polyamidfäden (Ø = 27-245µm, dchi; = 1.0-1.3ppm, zeta = 2-5%) konstruiert. Zusätzlich wurde dchi zwischen einem einzelnen Polyamid-Faden und Lösungen verschiedener NiSO4 Konzentrationen gemessen. Der gefundene Zusammenhang, dchi = 0.23[NiSO4]+0.31ppm, wurde zur Validierung der mit dem Netzwerk-Phantom gemessenen Resultate verwendet. Durch Simulationen wurde gezeigt, dass ein SNR von 600 benötigt wird, um einen relativen Fehler von dchi kleiner als 10% zu erreichen. Wenn jedoch zeta vorher bekannt ist, kann dchi schon bei einem SNR von 200 mit 3.2% relativem Fehler bestimmt werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Vernachlässigung der Diffusion eine Unterschätzung von dchi um etwa 13% verursacht, wenn der Gefässdurchmesser von der Größenordnung der Diffusionslänge ist. Die Sensitivität der Messmethode auf Änderung der Oxygenierung in vivo wurde durch Veränderung der Oxygenierung mit Hilfe von Koffein demonstriert. Eine Stunde nach der Einnahme von 200mg Koffein konnte ein Anstieg von dchi um 0.12±0.04ppm gemessen werden. Diese Sensitivität auf Veränderungen der Oxygenierung ist vielversprechend für weitere Studien des theoretischen Zylinder-Netzwerk-Modells, als Werkzeug für eine MR-basierte in vivo Quantifizierung der Gewebe-Oxygenierung.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schad, Prof.Dr. Lothar
Date of thesis defense: 1 April 2009
Date Deposited: 08 Apr 2009 14:33
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Funktionelle NMR-Tomographie, NMR-Tomographie, Sauerstoffbedarf
Uncontrolled Keywords: OEF , BOLD , fMRI , brain metabolism , brain hemodynamic
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