Englische Übersetzung des Titels: Measurement of cell size maps of biological tissue using diffusion-weighted magnetic resonance imaging

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Abstract

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht die ortsaufgelöste Messung der Selbstdiffusion, also der Brownschen Molekularbewegung, beispielsweise von Wasser im untersuchten Objekt. In biologischem Gewebe oder porösen Medien beeinflussen die Zell- oder Porenwände die freie Diffusion der Moleküle: Abhängig vom Abstand und der Permeabilität dieser Barrieren verringert sich die Wahrscheinlichkeit für große Diffusionsstrecken gegenüber der freien Diffusion. Aus diesem Grund mißt man in derartigen Objekten für längere Diffusionszeiten tau erniedrigte effektive Diffusionskoeffizienten D_eff und kann aus dem funktionellen Zusammenhang D_eff(tau) auf die Zellgröße und die Membranpermeabilität zurückschließen. Diese Arbeit beschreibt ein Verfahren, mit dem auf dieser Grundlage die Zellgrößen in biologischem Gewebe ortsaufgelöst gemessen werden können. Ein eindimensionales mathematisches Modell der Diffusion in einem unendlichen System permeabler Membranen wurde in Simulationsrechnungen analysiert, und eine Methode wurde entwickelt, um aus Meßwerten D_eff(tau) mit vergleichsweise wenig Rechenaufwand die Zellgröße und die Permeabilität zu berechnen. Dieses Verfahren wurde an Karotten erprobt. Es wurden erstmals Parameterbilder der Zellgröße berechnet, und die Resultate wurden mit lichtmikroskopisch gemessenen Zellgrößen verglichen; dabei ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse aus beiden Verfahren. Außerdem wurde der Einfluß des Rauschens auf die Signalintensität in MRT-Bildern und auf die daraus berechneten Diffusionskoeffizienten untersucht. Zwei Korrekturverfahren, die den Einfluß des Rauschens beseitigen, wurden vorgeschlagen.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

Diffusion-weighted magnetic resonance imaging is a method to measure the self-diffusion of water or other molecules within the examined object. In biological tissue or porous media, the walls of cells or pores restrict the free diffusion of molecules. Compared to free diffusion, the probability for long diffusion distances is reduced depending on the spacing and the permeability of those barriers. Hence, decreased apparent diffusion coefficients D_app are measured for long diffusion times tau and the dependence D_app(tau) contains information about the cell size and membrane permeability. Based on this effect, a method for the calculation of cell size maps of biological tissue is described in this thesis. A one-dimensional mathematical model of diffusion in an infinite system of permeable membranes was analyzed in computer simulations and a method was developed to derive cell size and permeability from measurements of D_app(tau) with comparably little computational cost. This method was tested in measurements on carrots and cell size maps were calculated. The results were compared with microscopically determined cell sizes and were found to agree very well. The influence of statistical noise on signal intensities in magnetic resonance images and on calculated diffusion coefficients was analyzed. Two methods to correct for this influence were proposed.