Diffusion q-space measurements in-vivo does sequence timing influence the result?
(2007)Medical Physics Programme
- Abstract
- Magnetic resonance imaging (MRI) is still a fast growing area of research and is an important part of the clinical tools used for diagnosis of various diseases. The diagnostic values of diffusion imaging are well known especially for ischemic stroke in the acute phase. This work concerns whether the apparent diffusion coefficient (ADC) and the full width at half maximum (FWHM) changes when the imaging protocol changes e.g. when the diffusion time or the duration of the diffusion encoding gradient duration, d, changes. All measurements were performed in-vivo using either on a Siemens Allegra 3T head scanner or a Philips Achieva 3T whole body system. The result of varying the different diffusion time shows that FWHM in of the probability... (More)
- Magnetic resonance imaging (MRI) is still a fast growing area of research and is an important part of the clinical tools used for diagnosis of various diseases. The diagnostic values of diffusion imaging are well known especially for ischemic stroke in the acute phase. This work concerns whether the apparent diffusion coefficient (ADC) and the full width at half maximum (FWHM) changes when the imaging protocol changes e.g. when the diffusion time or the duration of the diffusion encoding gradient duration, d, changes. All measurements were performed in-vivo using either on a Siemens Allegra 3T head scanner or a Philips Achieva 3T whole body system. The result of varying the different diffusion time shows that FWHM in of the probability distribution in white brain matter increases linearly in the direction parallel to the fibre structure, as expected from Einstein’s equation. Whereas in the direction orthogonal to thefibres FWHM is increases only slightly and this is assumed to reflect the restriction of the diffusion in this direction. The FWHM in grey brain matter shows the same tendency to increase as for the parallel direction in white brain matter. When the duration of the diffusion encoding gradients, d, is increased, simulations indicate that both ADC and FWHM should decrease. This was verified in the in-vivo measurementsalthough the decrease in the orthogonal direction was smaller than expected. In most of the literature today it is assumed that the ADC and the FWHM values are independent of the duration of the pulsed gradients. The result presented in this work suggests that this assumption should be reconsidered. (Less)
- Abstract (Swedish)
- Vattenmolekyler är i ständig slumpmässig rörelse som beror på systemets termisk energi, dvs temperaturen. Diffusionsrörelsen kallas även Brownsk rörelse efter den engelske botanikerns Brown, som upptäckte fenomenet på 1800 talet. Människokroppen består till 70 % av vatten, vilket gör det lämpligt att använda MRT för att studera diffusionsegenskaper i biologisk vävnad och för klinisk diagnostik av ex. akut ishemisk stroke eller för studier av sjukdomar som påverkar hjärnans vita substans så som demens och multipel skleros.
Då man tar en diffusionsbild med MRT använder man två extra diffusionskodande magnetfältspulser, utöver de som används för själva bildtagningen. Då olika vattenmolekyler känner av olika starka magnetfält kan man... (More) - Vattenmolekyler är i ständig slumpmässig rörelse som beror på systemets termisk energi, dvs temperaturen. Diffusionsrörelsen kallas även Brownsk rörelse efter den engelske botanikerns Brown, som upptäckte fenomenet på 1800 talet. Människokroppen består till 70 % av vatten, vilket gör det lämpligt att använda MRT för att studera diffusionsegenskaper i biologisk vävnad och för klinisk diagnostik av ex. akut ishemisk stroke eller för studier av sjukdomar som påverkar hjärnans vita substans så som demens och multipel skleros.
Då man tar en diffusionsbild med MRT använder man två extra diffusionskodande magnetfältspulser, utöver de som används för själva bildtagningen. Då olika vattenmolekyler känner av olika starka magnetfält kan man detektera diffusionsrörelsen, som normallt inte är mer än ca 10-50 mikrometer vid normal kroppstemperatur, genom så kallad fasdispersion. Hastigheten på vattnets slumpmässiga rörelse bestäms av dels av cellernas genomsläplighet i kroppen samt av hur länge vi studerar diffusionsrörelsen. Genom att bestämma den skenbara diffusionshastighet som uppkommer till följd av att olika vävnadstyper har olika egenskaper, kan man generera bilder som används i den kliniska verksamheten. En viktig tillämpning inom diagnostiken är att lokalisera blodproppar i hjärnan vid s.k. hjärninfarkt. Beroende på orsaken sätts olika behandlingar in, därav är det viktigt att fort ställa rätt diagnos. Idag är diffusionsviktad MRT den enda bilddiagnostikmetoden där man kan urskilja proppen i ett akut skede.
Denna studie syftade till att studera om och i så fall hur stor effekt den faktiska mättiden av diffusionsrörelsen har. Dels undersöktes effekterna av varaktigheten av de extra diffusionkodande magnetfältetspulsen har och dels effekterna av tidsskillnaden mellan dem, d.v.s. diffusionstiden. Diffusionstiden som studerades ligger mellan 50 till 150 millisekunder. Utvärderingen gjordes med s.k. q-space analys vilket är en analysmetod som framför allt används inom fysikalisk kemi för att studera strukturella storlekar av exempelvis protoner. Från q-space analysen utvärderades måttet på hur långt vattenmolekylerna utbreder sig under diffusionstiden d.v.s. FWHM (full width at half maximum). Om vattnet skulle vara hindrat i någon riktning (begränsa till en cell) skulle FWHM vara oberoende av diffusionstiden så snart mättiden är tillräckligt lång, för att vattenmolekylerna ska hinna slå i cellväggarna. Vid en sådan situation skulle FWHM kunna användas för att mäta cellstorlekar inne i kroppen.
När man jämför diffusionsbilder mellan kliniker idag, anser man att den uppmätta diffusionshastigheten inte påverkas av hur lång tid de diffusioninkodande pulserna varit påslagna. Resultat av denna studie visar att det möjligen finns ett samband och att man underskattar diffusionsrörelsen då de diffusioninkodande pulserna är påslagna under en relativt lång tid.
Den andra parametern som har undersökts är hur FWHM varierar med själva diffusionstiden. Resultatet visar att vattnet är hindrat i sin diffusion i vissa cellriktningar och FWHM blir i stort sett konstant vid mätningar tvärs fiberriktningnen i vit hjärnvävnad. För mätningar längs med fiberriktningar visar FWHM en svag ökning, vilket möjligen kan bero på att cellernas membran är genomsläppligt för vattenmolekyler under de tider som vi studerar diffusionsförloppet. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/2157037
- author
- Nordh, Emil
- supervisor
-
- Sara Brockstedt LU
- Jimmy Lätt LU
- organization
- year
- 2007
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- MRI
- language
- English
- id
- 2157037
- date added to LUP
- 2011-09-13 11:58:16
- date last changed
- 2013-09-05 10:21:43
@misc{2157037,
abstract = {{Magnetic resonance imaging (MRI) is still a fast growing area of research and is an important part of the clinical tools used for diagnosis of various diseases. The diagnostic values of diffusion imaging are well known especially for ischemic stroke in the acute phase. This work concerns whether the apparent diffusion coefficient (ADC) and the full width at half maximum (FWHM) changes when the imaging protocol changes e.g. when the diffusion time or the duration of the diffusion encoding gradient duration, d, changes. All measurements were performed in-vivo using either on a Siemens Allegra 3T head scanner or a Philips Achieva 3T whole body system. The result of varying the different diffusion time shows that FWHM in of the probability distribution in white brain matter increases linearly in the direction parallel to the fibre structure, as expected from Einstein’s equation. Whereas in the direction orthogonal to thefibres FWHM is increases only slightly and this is assumed to reflect the restriction of the diffusion in this direction. The FWHM in grey brain matter shows the same tendency to increase as for the parallel direction in white brain matter. When the duration of the diffusion encoding gradients, d, is increased, simulations indicate that both ADC and FWHM should decrease. This was verified in the in-vivo measurementsalthough the decrease in the orthogonal direction was smaller than expected. In most of the literature today it is assumed that the ADC and the FWHM values are independent of the duration of the pulsed gradients. The result presented in this work suggests that this assumption should be reconsidered.}},
author = {{Nordh, Emil}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Diffusion q-space measurements in-vivo does sequence timing influence the result?}},
year = {{2007}},
}