Quantitative Flow Components in 4D Flow MRI

Abstract

Four-dimensional flow magnetic resonance imaging (4D flow MRI) enables time-resolved assessment of intracardiac blood transport, but quantitative analysis requires workflows that convert complex velocity data into consistent and interpretable measures. This thesis aimed to develop and evaluate a semi-automated workflow in Segment for quantitative left-ventricular (LV) flow-component analysis. The workflow combines cine MRI-derived LV geometry with 4D flow MRI velocity data. An LV seed region is generated from cine short-axis segmentation and transferred to the 4D flow analysis space. From matched seed positions, pathlines are traced forward and backward in time using fourth-order Runge–Kutta (RK4) integration. Crossings of mitral and aortic analysis planes are used to classify particles into the four established LV flow components: Direct Flow, Retained Inflow, Delayed Ejection Flow, and Residual Volume. The implementation also provides visual output for quality control and calculates time-resolved LV kinetic energy as a complementary measure. Technical evaluation was performed using two controlled phantoms. In a circular-flow phantom, RK4 reproduced the analytic particle trajectory with near-perfect agreement and performed better than forward Euler. In a three-cylinder vessel phantom, the implemented plane-crossing and classification logic exactly reproduced the predefined component assignments. The workflow was then applied to 60 retrospective human datasets, including healthy adults, patients with heart failure, and healthy children. In the heart-failure datasets, the group with reduced ejection fraction showed markedly lower Direct Flow and higher Residual Volume than groups with higher ejection fraction, consistent with previously reported changes in LV flow-component distributions in heart failure. Automatic and manual plane-placement analyses produced similar group-level internal-consistency measures, while dataset-specific failures showed that visual review and manual adjustment are still needed. A proof-of-concept analysis further demonstrated the technical feasibility of applying the general framework to right-ventricular data. In conclusion, this thesis presents a practical Segment-based research workflow for quantitative LV flow-component analysis from 4D flow MRI. The method integrates particle tracing, rule-based classification, visualization, and kinetic-energy output within one analysis environment. Further development should focus on improving robustness, reducing user dependence, and strengthening the workflow for reproducible research use.

Popular Abstract (Swedish)

4D-flödes-MR – en metod för att följa blodets väg genom hjärtat

Hur väl hjärtat fungerar avgörs inte bara av hur mycket blod det pumpar ut, utan också av hur blodet rör sig genom hjärtat. Med 4D-flödes-MR går det att följa blodets väg genom hjärtats vänstra kammare och upptäcka förändringar som inte syns med vanliga mått på pumpförmåga. Vid undersökning av hjärtat används ofta ejektionsfraktion, ett mått på hur stor andel av blodet i vänster kammare som pumpas ut vid varje hjärtslag. Måttet är viktigt vid exempelvis hjärtsvikt, men det beskriver inte hur blodet rör sig inne i hjärtat. Två personer kan därför ha liknande pumpförmåga, samtidigt som blodets väg genom vänster kammare ser olika ut. För att bättre förstå hjärtats funktion behövs metoder som inte bara mäter hur mycket blod som pumpas ut, utan också hur blodet transporteras. Med 4D-flödes-MR kan blodets rörelse mätas i tre dimensioner under hela hjärtslaget. Genom att följa virtuella partiklar i blodflödet går det att dela in blodet i olika grupper: blod som kommer in i vänster kammare och pumpas ut direkt, blod som kommer in men stannar kvar, blod som redan finns i kammaren och pumpas ut, samt blod som blir kvar under längre tid. En sådan indelning kan ge information om hur effektivt blodet passerar genom hjärtat, men analysen kräver ett verktyg som kan omvandla de omfattande MR-data som samlas in till tydliga och jämförbara resultat. I detta examensarbete utvecklades därför ett analysverktyg i bildanalysprogrammet Segment. Verktyget använder bilder av hjärtats form tillsammans med mätningar av blodets rörelse för att placera ut virtuella partiklar, följa deras väg och klassificera dem efter hur de rör sig genom vänster kammare. Metoden testades först i virtuella konstgjorda flödesmodeller där rätt resultat var känt i förväg. Därefter användes den på totalt 60 tidigare insamlade MR-undersökningar från friska vuxna, patienter med hjärtsvikt och friska barn. Den tydligaste skillnaden sågs hos patienterna med mest nedsatt pumpförmåga. I denna grupp var andelen blod som passerade direkt genom vänster kammare betydligt mindre, medan en större andel blod blev kvar längre i kammaren. Detta överensstämmer med tidigare forskning om förändrat blodflöde vid hjärtsvikt. Arbetet visar hur 4D-flödes-MR kan användas för att beskriva hjärtats funktion på ett mer detaljerat sätt än genom att endast mäta hur mycket blod som pumpas ut.

• author: Hasselberg, Fredrik and Jensen, Axel
• supervisor: Einar Heiberg; Magnus Cinthio
• organization: Division for Biomedical Engineering
• alternative title: Kvantitativa flödeskomponenter i 4D-flödes-MR
• course: BMEM01 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• language: English
• additional info: 2026-16
• id: 9244060
• date added to LUP: 2026-06-29 09:12:52
• date last changed: 2026-06-29 09:12:52