Mapping of tissue oxygenation using quantitative BOLD methods [Elektronische Ressource] : stability under non-static conditions / put forward by Maja Solin

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 20
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

INAUGURAL - DISSERTATION
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
M.Sc. Maja Solin
Born in: Örnnäset (Luleå - Sweden)
Oral examination: 1. April 2009Mapping of Tissue Oxygenation using
Quantitative BOLD Methods:
Stability under non-static conditions
Referees: Prof. Dr. Lothar R. Schad
Prof. Dr. Wolfgang SchlegelMapping of Tissue Oxygenation using Quantitative BOLD Methods: Stability
under non-static conditions
A method to quantify the susceptibility difference () between venous blood and sur-
rounding tissue by utilization of a tissue model has been previously used for simultaneous
estimation of relative blood volume fraction () and the blood oxygenation level. In this
work,thepreviouslyneglectedeffectofdiffusionontheMRsignalformationinthepresence
of a cylinder network was studied in simulations and validated in phantom measurements.
To mimic a capillary network, phantoms were constructed by randomly coiling polyamide
fibers ( = 27 245 m , = 1:0 1:3ppm, = 2 5 %). Additionalts
of between a single polyamide string and solutions of different NiSO concentrations4
were performed. The relation found, = 0:23 [NiSO ] + 0:31ppm, was used to vali-4
date the results obtained with the network phantoms. Simulations showed that in order
to keep the relative error in below 10 % a SNR of 600 is required. If, however, is
previously known can be estimated with 3:2 % error already at a SNR of 200. Fur-
thermore, it was found that neglecting the effect of diffusion causes an underestimation of
of approximately 13 %. The sensitivity of the method to variation in the oxygenation
level in vivo was demonstrated by modification of the oxygenation level using caffeine.
An increase in of 0:12 0:04ppm could be measured, 1 hour after intake of 200mg
caffeine. This sensitivity to oxygenation changes is encouraging for further studies of the
the theoretical cylinder network model as a tool for MR-based in vivo quantification of
tissue oxygenation.
Bestimmung der Gewebe-Oxygenierung mittels quantitativer BOLD Metho-
den: Stabilität bei nicht-statischen Bedingungen
In vorherigen Arbeiten wurde eine Methode verwendet, um die Suszeptibilitätsdifferenz
() zwischen venösem Blut und umgebendem Gewebe zu quantifizieren. Hierbei wurde
ein Gewebemodell zur gleichzeitigen Bestimmung des relativen Blutvolumen () und der
Gewebe-Oxygenierung verwendet. In dieser Arbeit wird der bisher vernachlässigte Effekt
derDiffusionaufdieMRSignalbildunginderGegenwarteinesZylindernetzwerksmitHilfe
von Simulationen untersucht und in Phantommessungen validiert. Um ein Kapillarnetz
nachzubildenwurdenPhantomeauszufälligorientiertenPolyamidfäden( = 27 245 m ,
= 1:0 1:3ppm, = 2 5 %) konstruiert. Zusätzlich wurde zwischen einem einzel-
nen Polyamid-Faden und Lösungen verschiedenerNiSO Konzentrationen gemessen. Der4
gefundene Zusammenhang, = 0:23 [NiSO ] + 0:31ppm, wurde zur Validierung der4
mit dem Netzwerk-Phantom gemessenen Resultate verwendet. Durch Simulationen wurde
gezeigt, dass ein SNR von 600 benötigt wird, um einen relativen Fehler von kleiner
als 10 % zu erreichen. Wenn jedoch vorher bekannt ist, kann 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 um etwa 13 % verursacht,
wenn der Gefässdurchmesser von der Größenordnung der Diffusionslänge ist. Die Sensitiv-
ität 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 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.To my family,
for the love and supportList of Abbreviations
Flip Angle
Magnetic susceptibility
Difference in magnetic susceptibility between two materials
Gyromagnetic ratio
! Angular frequency
Deoxygenated blood volume fraction
ADC Apparent Diffusion Coefficient
B Main magnetic field strength0
BF Blood Flow
BW Band Width
CPMG Carr-Purcell-Meiboom-Gill
CSF Cerebrospinal Fluid
FID Free Induction Decay
FOV Field of View
GESFIDE Gradient Echo Sampling of FID and Echo
GESSEt Echo Sampled Spin Echo
GRE Gradient Echo
Hb Deoxyhemoglobin
HbO Oxyhemoglobin2
Hct Hematocrit
IDEA Integrated Development Environment for Applications
ISF Interstitial Fluid
MR Magnetic Resonance
MRI Resonance Imaging
MRO Metabolic Rate of Oxygen2
NMR Nuclear Magnetic Resonance
OEF Oxygen Extraction Fraction
PET Positron Emission Tomography
pO Oxygen partial pressure2
PSF Point Spread Function
R1 Spin-lattice/longitudinal relaxation rate
R2 Spin-spin/transverse rate
RF Radio Frequency
RMSE Root Mean Square Error
ROI Region of Interest
viiviii
SE Spin Echo
SNR Signal to Noise Ratio
SWI Susceptibility Weighted Imaging
T1 Spin-lattice/longitudinal relaxation time
T2 spin-spin/transverse relaxation time
T2 Relaxationtimeofspin-spinrelaxationandreversiblesignaldephasing
in static magnetic field inhomogeneities
T2’ Relaxationtimeofreversiblesignaldephasinginstaticinhomogeneities
TE Echo Time
TR Repetition Time
Y Blood oxygenation level