Research in lab-on-a-chip (LOC) technology involving microfluidics is a growing field aiming at the development of miniaturized biomedical systems with rich functionality. In order to design effective LOC microfluidic systems, the flow fields and the fluids inside LOC devices need to be carefully characterized. High-resolution magnetic resonance imaging (MRI) offers a powerful non-intrusive technology for this application. In this thesis, the design and implementation of a prototype for a desktop high-resolution MRI instrument, consisting of a magnet, gradient coils, gradient amplifiers, and radio frequency (RF) electronics, is presented. To reduce the size and cost of this MRI instrument, a permanent magnetic configuration with a magnetic flux density of 0.6 T is designed with off-the-shelf NdFeB permanent magnets. The coils of the triaxial gradient module are developed using a novel lithography technique. This gradient module is capable of generating gradient fields as high as 2.83 T/m with custom made current amplifiers. The radio frequency (RF) probe is integrated with the gradient module and is connected to the RF electronics which are made using off-the-shelf components. Pulse sequences and signal processing for acquiring static images and velocity profiles are described. The performance of this instrument in terms of static and dynamic image resolution are presented. As a preliminary test, the velocity profile of water flowing inside a small tube was measured with a nominal resolution of 40 μm. The instrument is designed for a static resolution of better than 30 μm and a velocity resolution better than 50 μm/s. Improvements to the current instrument in addition to theoretical limitations are also detailed.

The body motion of patients, during magnetic resonance (MR) imaging causes significant artifacts in the reconstructed image. Artifacts are manifested as a motion induced blur and ghost repetitions of the moving structures. which obscure vital anatomical and pathological detail. The techniques that have been proposed for suppressing motion artifacts fall into two major categories. Real-time techniques attempt to prevent the motion from corrupting the data by restricting the data acquisition times or motion of the patients, whereas the post-processing techniques use the information embedded in the corrupted data to restore the image. Most methods currently in widespread use belong to the real-time techniques, however with the advent of fast computing platforms and sophisticated signal processing algorithms, the emergence of post-processing techniques is clearly evident. The post-processing techniques usually demand an appropriate model of the motion. The restoration of the image requires that the motion parameters be determined in order to invert the data degradation process. Methods for the correction of translational motion have been studied extensively in the past. The subject of this thesis encompasses the rotational motion model and the effect of rotational motion on the collected MR data in the spatial frequency space (k-space), which is in general, more complicated than the translational model. Rotational motion artifacts are notably prevalent in MR images of head, brain and limbs. Post-processing techniques for the correction of rotational motion artifacts often involve interpolation and re-gridding of the acquired data in the k-space. These methods create significant data overlap and void regions. Therefore, in the past, proposed corrective techniques have been limited to suppression of artifacts caused by small angle rotations. This thesis presents a method of managing overlap regions, using weighted averaging of redundant data, in order to correct for large angle rotations. An iterative estimation technique for filling the data void regions has also been developed by the use of iterated application of projection operators onto constraint sets. These constraint sets are derived from the k-space data generated by the MR imager, and available a priori knowledge. It is shown that the iterative algorithm diverges at times from the required image, due to inconsistency among the constraint sets. It is also shown that this can be overcome by using soft. constraint sets and fuzzy projections. One of the constraints applied in the iterative algorithm is the finite support of the imaged object, marked by the outer boundary of the region of interest (ROI). However, object boundary extraction directly from the motion affected MR image can be difficult, specially if the motion function of the object is unknown. This thesis presents a new ROI extraction scheme based on entropy minimization in the image background. The object rotation function is usually unknown or unable to be measured with sufficient accuracy. The motion estimation algorithm proposed in this thesis is based on maximizing the similarity among the k-space data subjected to angular overlap. This method is different to the typically applied parameter estimation technique based on minimization of pixel energy outside the ROI, and has higher efficiency and ability to estimate rotational motion parameters in the midst of concurrent translational motion. The algorithms for ROI extraction, rotation estimation and data correction have been tested with both phantom images and spin echo MR images producing encouraging results.

The study of pulsatile flow through a stenosis is motivated by the need to obtain a better understanding of the impact of flow phenomena on atherosclerosis and stroke. MRI techniques have been employed to characterize flow emerging from a stenosis and non-stenotic tube. Detection and quantification of stenosis, serve as the basis for surgical intervention. In the future, the study of arterial blood flow will lead to the prediction of individual hemodynamic flows in any patient, the development of diagnostic tools to quantify disease, and the design of devices that mimic or alter blood flow. Blood flow and pressure are unsteady. The cyclic nature of the heart pump creates pulsatile conditions in all arteries. The heart ejects and fills with blood in alternating cycles called systole and diastole. Blood is pumped out of the heart during systole. The heart rests during diastole, and no blood is ejected. Pressure and flow have characteristic pulsatile shapes that vary in different parts of the arterial system. The experiments demonstrate that stenotic pulsatile flow exhibit flow disturbance phenomena which deviate the flow from the laminar behavior. In vitro measurements can simulate blood flow to a satisfactory degree, under various assumptions for flow. In this study, estimation of various hemodynamic parameters, are achieved by means of a flow phantom. The phantom can simulate pulsatile blood flow in arterial system, in our case blood flow in carotid artery. The phantom consists of an one-headed positive displacement diaphragm pump, driven by an electrocardiogram (ECG) generator, with the tube, creating a closed circuit. Within the circuit, water (as blood mimicking fluid) is driven, simulating blood flow. We studied the flow using velocity-encoded MR phase contrast sequences. Phase contrast angiography relies on dephasing the moving spins submitted to a bipolar gradient. For a bipolar gradient of a given intensity and time, the moving spins will dephase in proportion to their velocity. Similar to spatial encoding in the phase direction, the possible phase values range from – π to + π. Beyond this range of values, aliasing occurs, causing poor velocity encoding. The encoding gradient characteristics are thus defined in order to encode flows within a certain velocity range from -Venc to +Venc to be determined by the user. Any velocity outside this range will be poorly encoded (similar to what happens in pulsed and color Doppler with PRF). The present work refers to blood flow estimation by means of Magnetic Resonance Imaging. The MR imaging system used, is a 1.5 Tesla scanner (Intera 1.5T, Philips Medical Systems, Best, the Netherlands) of Attikon Hospital (Second Department of Radiology). CT imaging system is a Philips Brilliance 64, used to assess the percentage of the stenosis. The experimental set up consists of a flow phantom, simulating blood flow through blood vessels under chosen conditions. Gradient echo (phase contrast) sequences used, precisely: SQ flow and QFP sequences. MR phasecontrast technique quantifies and displays flow velocities in real times. The sequence uses a two-dimensional selective radiofrequency pulse followed by flow-sensitizing gradients with an echo planar readout. It provides the simultaneous display in real time of both an anatomic image for positioning and the through plane flow-velocity data. By controlling scan position and orientation interactively, one can optimize flow signal. The retrospective search of measurements is carried out with the database of a software used, called EVORAD. The software of the workstation automatically provided the following parameters: ROI area (cm2), vessel lumen diameter (cm), blood volume flow (ml/s), mean and maximum blood flow velocities (cm/s). The LOIs in respective, used for velocity profiles determination, were acquired by ImageJ software, by similar procedure at vertical and horizontal direction on the lumens’ plane perpendicular to the flow. Two different geometries were used: a PVC tube mimicking a healthy carotid artery of 6mm internal diameter and a stenotic glass tube to simulate arterial pathology, of 8mm internal diameter. Considering the non-stenotic PVC tube, VFR values are estimated volumetrically (for various bpm and pump output values) and via MRI (for straight and inclined position). VFR values are then compared. MR maximum velocity values are estimated too, and velocity profiles are plotted. The procedure is similar in the case of the stenotic glass tube, for various (bpm and PO; pump output) and at intervals of 1cm across the stenosis reaching 4cm upstream and downstream. In the sequence of estimation, percentage of stenosis follows; estimated from both MRI and CT scans. Finally, variation of pressure and SNR in order to assess the signal loss due to stenosis are estimated. Accounting for the non stenotic tube: The first significant issue to mention, is the greatest cv (correlation of variation) values at lower VFR values (measured at 10%pump output and pressure of 2,5b), among all VFR values for both 60 and 75 bpm, and the greatest std values noticed at the greatest VFRs (60%, 4.6b). VFR values are indeed greater at 75 bpm compared to those at 60 bpm, as expected. Values show no stable relevance between VFR and pump output. There are differences in VFR values from the inclined position, statistically significant, in cases of 5% for both 60,75bpm. Statistical differences (at 5% statistical significance), are noticed between volumetric measurements versus MRI extracted values as compared above, between SQflow and QFP sequences (60/20). VFR values comparison between volumetric and MRI measurements, show statistical differences. Concerning Vmax values from ROIs and LOIs V,H: there are statistical differences in 5, 10%PO, for both 60, 75bpm, indicating higher values in straight position. Concerning Vmax values extracted from MRI ROIs and LOIs V&H: there are statistically significant differences in cases of 5,10% PO, at both 60,75bpm, leading to greater values at straight position. In the case of stenotic tube: Comparison, of VFR values at 75, 120 bpm, result in higher flow at the exit of the stenosis (49.16%, 80.14%). In the vicinity of stenosis (± 1cm), VFR is almost stable in the case of 120 bpm (0,74%), whereas the highest variation is noted at 75 bpm (133,9%). The highest VFR value intrastenotic is noted at 120 bpm (2,06ml/s). As flow increases, VFR variation is noted more distal to the stenosis. Percentage comparison indicate that greater variations for 60,75, 120bpm are noted in the vicinity of stenosis (±1cm), whereas for 100bpm at ±3cm. Considering Vmax extracted values at 4cm post stenosis in all cases of pulsatility are higher than the respective values 4cm pre stenosis. At the neck of the stenosis extracted values are indeed high as expected, since laminar flow persists across the stenosis. The highest Vmax value among all intra-stenotic values, appears at 60 bpm. As pump flow rate increases, maximum value occurs most post along stenosis. Post stenosis variations are expected to be higher at higher pulsatility. Vertical LOIs result in higher R squared values. In lower flow (corresponding to lower pulsatility 60,75bpm as mentioned above), parabolic profiles as noted pre and post stenosis (2cm,1cm pre and 4cm post). For higher flow, (100,120bpm), parabolic profiles are depicted post stenosis (2-4cm) and in the neck of stenosis for 100bpm. Severity of stenosis is calculated as the percentage rate of Vmax upstream or downstream the stenosis to the intrastenotic Vmax, minus the unity. The pump output is set up to 10%, flow rate ranges from 60 to 120 bpm. Calculations account for Vmax values from both ROIs and LOIs (V,H). Measurements from CT scan are also acquired (gold standard) for comparison. Due to turbulence, Xpre values are considered as more reliable. Better agreement for stenosis estimations to ROIs are acquired: in low flow from LOIsV, whereas at higher flow by LOIsH. Overall, values extracted by MR at 60 bpm imply a stenosis of 46% (LOIsH), 98% (LOIsV) and 93% (ROIs), whereas CT scans estimations lead to 90.2% using diameter stenosis and 99% using area stenosis. The LOIsH expectedly underestimate the percentage of stenosis. CT value of 99% is the exact value, that result by the relationship described in Ota et al.(2005) study: A=D*[2-(D/100)], where D=0,902 is the “diameter stenosis”. ΔP values at 60 and 100bpm, exceed the respective at 75, 120 bpm. In Vmax values, higher intrastenotic values were noted at those pulsatilities, indicating higher pressure energy loss converted to kinetic energy. Calculations of ΔP, a value of 4 is used for K factor and Vmax values are calculated in m/s in the neck of the stenosis. Calculations from linear and elliptical ROIs were made. By the same reasoning as before, we assume that the value of 15.92mmHg found at 60bpm from ROIs is the most reliable. A second calculation of ΔP by means of K=4.9 lead to higher values of 5.1%. Signal to noise ratio as indicative of the loss of signal as fluid flows along the stenosis. Rectangular ROIs are designed upstream and downstream the stenosis, thus SNR values: upstream the stenosis, are higher in contrast to all respective values downstream. Calculations lead to values of: 54.15% (60bpm), 71.08% (75bpm), 68.7% (100bpm) and 72.63% for 120 bpm. The highest loss is depicted at 120 bpm, and in descending order at 75, 100 and 60 bpm. There are certain factors that are limiting when it comes to comparing the executed study to clinical flow measurements, many of which are connected to properties of the pump and phantom used. At very low pump output as used, there was instability at several times. On the other hand at high PO the pressure reached maximum value (manometer) and was thus avoided. The PO values of 5, 10, 20% are quite lower than that usually found in patients. Thus, a direct comparison to in vivo values would be invalid. The tube in the phantom differs from that of a blood vessel as it is rigid, tube wall consists of PVC or glass, and BMF has different relaxation properties than those found in vivo. Furthermore, the size of the phantom used is much smaller than that of an actual patient, which can lead to a significant divergence in susceptibility variations in scanned material. Consequently, optimal future projects should include scanning faster flow, higher PO, higher magnitude of 3T, different sequences and modalities (various stenoses, oblique positions, blood mimicking fluids, different vessel walls; to more closely mimic in vivo conditions and to reduce the influence of partial volume effects) and a comparison among different techniques as ultrasound, computed tomography CT. Turbulence in flow is crucial for comprehension and interpretation of the flow across a stenosis. Hence, complete understanding of the interrelationship between pressure, flow, and symptoms for cardiovascular stenoses is a critical problem. New devices to repair stenotic arteries are continuously being developed. Thus fluid mechanics will continue to play an important role in the future diagnosis, understanding, and treatment of cardiovascular diseases. / Η μελέτη της παλμικής ροής μέσω στένωσης, υπαγορεύεται υπό την ανάγκη να υπάρξει βαθύτερη κατανόηση των επιπτώσεων των φαινομένων ροής σε περιπτώσεις αθηροσκλήρωσης και εγκεφαλικού επεισοδίου. Οι τεχνικές μαγνητικής τομογραφίας χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρισθεί η ροή που εξέρχεται από μια στένωση και από μη στενωμένα αγγεία. Η ανίχνευση και η ποσοτικοποίηση της στένωσης χρησιμεύουν ως βάση στις επεμβατικές θεραπείες. Μελλοντικά, η μελέτη της αρτηριακής ροής του αίματος θα οδηγήσει στην πρόβλεψη των μεμονωμένων αιμοδυναμικών παραμετρων ροής για κάθε ασθενή, την ανάπτυξη διαγνωστικών εργαλείων για την ποσοτικοποίηση της νόσου, και τη σχεδίαση συσκευών που μιμούνται και δύναται να τροποποιήσουν τη ροή του αίματος. Η ροή του αίματος και η πίεση του είναι ασταθείς. Η κυκλική φύση της άντλησης αίματος μέσω της καρδιάς μεταδίδει παλμικές συνθήκες ροής σε όλες τις αρτηρίες. Η καρδιά εξωθεί και γεμίζει με αίμα σε εναλλασσόμενους κύκλους που ονομάζονται συστολή και διαστολή αντίστοιχα. Αίμα αντλείται από την καρδιά κατά τη διάρκεια της συστολής. Η καρδιά αδρανεί κατά τη διαστολή, και δεν εξωθεί αίμα. Η πίεση και η ροή έχουν χαρακτηριστικές παλμικού σχήματος κυματομορφές που διαφέρουν στα διάφορα τμήματα του αρτηριακού συστήματος. Μελέτες υποδεικνύουν ότι η παλμική ροή μέσω στένωσης, παρουσιάζει φαινόμενα διαταραχής, ώστε η ροή τελικά να αποκλίνει από τη στρωτής συμπεριφοράς ροή. In vitro μετρησεις μπορούν να προσομοιάσουν τη ροή του αίματος σε ικανοποιητικό βαθμό, υπό την προυπόθεση διαφόρων προσεγγίσεων. Στην παρούσα εργασία η εκτίμηση των παραμέτρων ρόης γίνεται μέσω ομοιώματος. Το ομοίωμα μπορεί να προσομοιώσει την παλμική ροή αίματος στο αρτηριακό σύστημα, στην περίπτωσή μας στην καρωτιδική αρτηρία. Το ομοίωμα αποτελείται από μία βάση με αντλία διαφράγματος, “οδηγούμενη” από μία γεννήτρια συσκεύη ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ), δημιουργώντας ένα κλειστό κύκλωμα διαμέσω σωλήνα. Εντός του κυκλώματος, το νερό (όπως το αίμα), οδηγείται, προσομοιώνοντας την αιματική ροή. Μελετήσαμε τη ροή χρησιμοποιώντας ακολουθίες MR αντίθεσης φάσης. Η αγγειογραφία αντίθεσης βασίζεται σε αποσυμφασικοποίηση των κινούμενων spin, τα οποία υποβάλλονται σε διπολικό gradient (βαθμίδωση). Για μια διπολική βαθμίδωση δεδομένης έντασης και χρόνου, τα κινούμενα spin θα αποσυμφασικοποιούνται σε αναλογία με την ταχύτητά τους. Παρόμοιως με τη διαδικασία χωρικής κωδικοποίησης στην κατεύθυνση φάσεως, οι πιθανές τιμές φάσης κυμαίνονται μεταξύ - π και + π. Εκτός αυτού του εύρους τιμών, συμβαίνει aliasing, προκαλώντας κακή κωδικοποίηση ταχύτητας. Τα χαρακτηριστικά βαθμίδας κωδικοποίησης, καθορίζονται επομένως προκειμένου να κωδικοποιηθούν οι ροές εντός μίας ορισμένης περιοχής ταχύτητος από -Venc έως +Venc, όπως θα καθοριστούν από τον χειριστή. Κάθε ταχύτητα εκτός αυτού του εύρους θα κωδικοποιείται λανθασμένα (όπως συμβαίνει σε παλμικό και έγχρωμο Doppler με PRF). Η παρούσα εργασία, αναφέρεται στην εκτίμηση της ροής του αίματος με τη βοήθεια της μαγνητικής τομογραφίας. Το MR σύστημα απεικόνισης που χρησιμοποιείται, είναι το 1,5 Tesla (Intera 1.5T, Philips Medical Systems, Best) του Αττικού Νοσοκομείου (Β’ Τμήμα Ακτινολογίας). Το CT σύστημα απεικόνισης είναι το 64 Brilliance Philips, το οποίο χρησιμοποιείται για να εκτιμηθεί το ποσοστό της στένωσης. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από ένα ομοίωμα ροής, που μιμείται τη ροή του αίματος μέσω των αγγείων κάτω από επιλεγείσες συνθήκες. Οι ακολουθίες (αντίθεσης φάσης) που χρησιμοποιούνται, είναι οι: SQ ροής και η ακολουθία QFP. Η MR τεχνική αντίθεσης φάσης ποσοτικοποιεί και παρουσιάζει ταχύτητες ροής σε πραγματικούς χρόνους. Η αλληλουχία χρησιμοποιεί ένα δισδιάστατο παλμό ραδιοσυχνότητας επιλογής, ακολουθούμενο από κλίσεις ευαισθητοποίησης ροής με μία ηχώ κατά το επίπεδο αναγνώσης. Παρέχει ταυτόχρονη απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο μίας ανατομικής εικόνας αλλά και επίπεδο (εικόνα) δεδομένων ταχύτητας ροής. Με τη ρύθμιση της θέσης και του προσανατολισμού σάρωσης διαδραστικά, μπορεί κανείς να βελτιστοποιήσει το σήμα ροής. Η αναδρομική αναζήτηση των μετρήσεων πραγματοποιείται από τη βάση δεδομένων ενός λογισμικού, ονόματι EVORAD. Το λογισμικό του σταθμού εργασίας παρέχει αυτόματα τις ακόλουθες παραμέτρους: εμβαδόν περιοχής ενδιαφέροντος ROI (cm2), εμβαδόν διατομής αγγείου (cm), παροχή (ml / s), μέσες και μέγιστες ταχύτητες ροής του αίματος (cm / s). Οι γραμμές ενδιαφέροντος LOIs ,προς εκτίμηση των προφιλ ταχύτητας, αντίστοιχα σχεδιάστηκαν στο ImageJ λογισμικό, (κατά την κατακόρυφη και οριζόντια κατεύθυνση, στο επίπεδο του αυλού κάθετα προς τη ροή), και οι μετρήσεις εξάχθηκαν με παρόμοια διαδικασία. Δύο διαφορετικές γεωμετρίες χρησιμοποιήθηκαν: ένα αγγείο από PVC που μιμείται μία υγιή καρωτιδική αρτηρία και ένα στενωμένο γυάλινο αγγείο για την προσομοίωση αρτηριακής παθογένειας. ‘Oσον αφορά το μη στενωμένο PVC αγγείο, η παροχή εκτιμάται ογκομετρικά (για διάφορες τιμές παλμικότητας και τιμές κλάσματος εξόδου της αντλίας) αλλά και μέσω μαγνητικής τομογραφίας (σε ευθεία και κεκλιμένη θέση). Οι VFR τιμές έπειτα συγκρίνονται. Οι MR τιμές μέγιστης ταχύτητας εκτιμήθηκαν επίσης, και απεικονίζονται με προφίλ ταχύτητας. Η διαδικασία είναι παρόμοια για την στενωτικό γυάλινο αγγείο (για διάφορες τιμές παλμικότητας και τιμές κλάσματος εξόδου της αντλίας),σε διαστήματα του 1 εκατοστού, φθάνοντας 4 εκατοστά εκατέρωθεν της στένωσης. Στην σειρά εκτιμήσεων ακολουθεί το ποσοστό της στένωσης. Εκτιμάται τόσο από μαγνητική όσο και αξονική τομογραφία. Τέλος, η μεταβολή της πιέσεως και το κλάσμα σήματος προς θόρυβο, προκειμένου να αξιολογηθεί η απώλεια σήματος λόγω στένωσης. Αναφορικά με το μη στενωμένο αγγείο: Το πρώτο σημαντικό ζήτημα να αναφέρουμε, είναι οι μεγαλύτερες τιμές του συντελεστή συσχέτισης σε χαμηλά VFRs (Κ.Ε 10% και πίεση 2,5 b), σε 5% ΚΕ, τόσο για 60 όσο και 75 bpm,αλλά και οι μεγαλύτερες τιμές τυπικής απόκλισης στις μεγαλύτερες τιμές VFR (60%, 4.6b). Οι VFR τιμές είναι πράγματι μεγαλύτερες σε 75 bpm σε σύγκριση με εκείνες στις 60 bpm, όπως αναμενόταν. Οι τιμές, δεν δείχνουν σταθερή σχέση μεταξύ VFR και εξόδου της αντλίας (Κ.Ε). Υπάρχουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στις τιμές VFR από την κεκλιμένη θέση, στις περιπτώσεις σύγκρισης με οριζόντια θέση. Σημαντικές στατιστικές διαφορές (στο 5% στατιστικής σημασίας), παρατηρούνται και μεταξύ ογκομετρικών και MRI μετρήσεων, αλλά και μεταξύ των SQflow και QFP ακολουθιών (60/20). Οι VFR τιμές δεν συσχετίζονται κατ 'ανάγκην με τις τιμές Vmax, αλλά με τις Vmean. Όσον αφορά τις τιμές Vmax που προέρχονται από τα MRI ROIs και LΟΙs V&Η: υπάρχουν στατιστικά σημαντικές διαφορές στις περιπτώσεις με 5,10% ΡΟ (Κ.Ε), για 60 και 75 bpm, με τιμές υψηλότερες για οριζόντια θέση του αγγείου. Στην περίπτωση στενωμένου αγγείου: Σύγκριση, των τιμών VFR στα 75, 120 bpm, δίνει υψηλότερη ροή στην έξοδο της στένωσης (49.3%, 80%). Στην περιοχή της στένωσης (± 1cm), VFR τιμές είναι σχεδόν σταθερές στην περίπτωση των 120 bpm (0,74%), ενώ η υψηλότερη μεταβολή σημειώνεται στα 75 bpm (133,9%). Η υψηλότερη τιμή εντός της στένωσης VFR σημειώνεται στα 120 bpm (2,06 ml / s). Καθώς αυξάνει η ροή, οι VFR μεταβολές σημειώνονται πιο μακριά (μετά) από τη στένωση. Τα ποσοστά συγκρίσης δείχνουν ότι οι μεγαλύτερες μεταβολές για 60,75, 120 bpm σημειώνονται στην περιοχή της στένωσης (± 1 cm), ενώ για τα 100bpm σε ± 3cm. Όσον αφορά τις τιμές Vmax όπως εξάγονται 4 εκατοστά μετά την στένωση, σε όλες τις περιπτώσεις παλμικότητας είναι υψηλότερες από τις αντίστοιχες 4 εκατοστά πριν από την στένωση. Αυτό μπορεί να υποδηλώνει την εμμονή του jet ροής στα 4 εκατοστά. Στο λαιμό της στένωσης οι τιμές όπως αναμένεται είναι μέγιστες, εφόσον παραμένει στρωτή ροή εντός της στένωσης. Η υψηλότερη τιμή Vmax μεταξύ όλων των εντός της στένωσης τιμών, εμφανίζεται σε 60 bpm. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα ροής της αντλίας, η μέγιστη τιμή εμφανίζεται αργότερα κατά μήκος της στένωσης. Μετά τη στένωση, οι μεταβολές αναμένεται να είναι υψηλότερες σε υψηλότερη παλμικότητα. Τα κάθετα Lois δίνουν υψηλότερες τιμές R2 συντελεστή διαφοροποίησης. Στην κατώτερη ροή (που αντιστοιχεί σε μικρή παλμικότητα 60,75 bpm όπως αναφέρθηκε παραπάνω), παραβολικά προφίλ παρουσιάζονται πριν και μετά την στένωση (2 εκατοστά, 1 εκατοστό πριν και 4 εκατοστά μετά). Σε υψηλότερη ροή, (100,120 bpm), τα παραβολικά προφίλ απεικονίζονται μετά τη στένωση (2-4cm) και στο λαιμό της στένωσης για 100bpm. Η σοβαρότητα της στένωσης υπολογίζεται ως ο ποσοστιαίος λόγος τών τιμών Vmax πριν ή μετά τη στένωση, προς την τιμή της Vmax εντός της στένωσης, αφαιρούμενο από τη μονάδα. Η έξοδος της αντλίας είναι ρυθμισμένη στο 10%, ενώ οι τιμές του ρυθμού ροής κυμαίνοται από 60 έως 120 bpm. Υπολογισμοί των Vmax τιμών γίνονται μέσω ελλειπτικών και γραμμικών περιοχών ενδιαφέροντος. Μετρήσεις παρουσιάζονται επίσης από την αξονική τομογραφία (gold standard) προς σύγκριση. Δεδομένου ότι οι τιμές ταχύτητας μετά τη στένωση είναι λιγότερο αξιόπιστες (λόγω στροβιλισμών), οι Xpre υπολογισμένες τιμές μπορεί να θεωρηθούν αντίστοιχα περισσότερο αξιόπιστες. Καλύτερη συμφωνία (για τις εκτιμήσεις στένωσης) συγκριτικά με τα ROIs αποκτώνται: σε χαμηλή ροή από LOIsV, ενώ σε υψηλότερες ροή από LOIsH. Συνολικά, οι τιμές που προέρχονται από 60 bpm συνεπάγονται μια στένωση του 46% (LOIsH), 98% (LOIsV) και 93% (ROIs), ενώ οι αξονικής τομογραφίας εκτιμήσεις δίνουν 90,2% μέσω στένωσης διαμέτρου και 99% μέσω στένωσης εμβαδού. Η τελευταία, είναι ακριβώς η τιμή που προκύπτει από τη σχέση που περιγράφεται στην μελέτη των Ota et al (2005): Α = D * [2 -(D/100)], όπου D = 0.902 ως εκτιμώμενη μέσω διαμέτρου στένωση. Οι ΔΡ τιμές στα 60 και 100bpm, υπερβαίνουν τις αντίστοιχες σε 75, 120 bpm. Vmax τιμές, υψηλότερες τιμές εντός της στένωσης, παρατηρήθηκαν σε αυτές τις παλμικότητες, δείχνοντας μεγαλύτερη απώλεια ενέργειας πίεσης και μετατροπή αυτής σε κινητική. Οι διακυμάνσεις της πίεσης, σε χαμηλότερες παλμικότητες, ΔΡ είναι πράγματι υψηλότερες. Για τον υπολογισμό των τιμών ΔΡ, η τιμή 4 χρησιμοποιείται για Κ παράγοντα και σαν Vmax τιμές θεωρούνται σε m / s οι τιμές στο λαιμό της στένωσης. Με την ίδια λογική όπως και πριν, υποθέτουμε ότι η τιμή του 15.92mmHg βρέθηκαν σε 60bpm από ROIs είναι η πιο αξιόπιστη. Ένας δεύτερος υπολογισμός του ΔΡ μέσω του Κ = 4,9 οδηγούν σε υψηλότερες τιμές του 5,1%. Ο λόγος σήματος προς θόρυβο υπολογίστηκε ως δείκτης της απώλειας σήματος όταν ρευστό ρέει κατά μήκος της στένωσης,. Ορθογώνια ROIs έχουν σχεδιαστεί πριν και μετά τη στένωση, έτσι SNR τιμές: πριν της στένωσης είναι υψηλότερα σε αντίθεση με όλες τις αντίστοιχες τιμές μετά. Οι υπολογισμοί οδηγούν σε τιμές: 54,15% (60bpm), 71,08% (75bpm), 68,7% (100bpm) και 72,63% για 120 bpm. Η μεγαλύτερη απώλεια εμφανίζεται στα 120 bpm,όπως αναμένεται και σε φθίνουσα σειρά σε 75, 100 και 60 bpm. Υπάρχουν ορισμένοι παράγοντες που περιορίζουν όταν πρόκειται να συγκριθεί η μελέτη με κλινικές μετρήσεις ροής, πολλοί από τους οποίους είναι συνδεδεμένοι με τις ιδιότητες της χρησιμοποιούμενης διάταξης (αντλία και ομοίωμα). Σε πολύ χαμηλά κλάσματα εξώθησης της αντλίας, υπήρχε μεταβλητοτητα των αποτελεσμάτων (κακή επαναληψιμότητα) σε μετρήσεις όταν επαναλήφθηκαν αρκετές φορές. Από την άλλη πλευρά σε υψηλό Κ.Ε η πίεση έφθανε στη μέγιστη κλίμακα (μανόμετρου) και, επομένως, αποφεύχθηκε. Οι τιμές Κ.Ε των 5, 10, 20% είναι αρκετά μικρότερες από εκείνες που συνήθως βρίσκονται σε κλινικό περιβάλλον. Έτσι, μια άμεση σύγκριση με in vivo τιμές θα είναι άτοπη. Το αγγείο ομοίωμα διαφέρει από ένα αιμοφόρο αγγείο, αφού το τοίχωμά του είναι άκαμπτο, με υλικό από PVC ή γυαλί, και το ρευστό που μιμείται το αίμα BMF έχει διαφορετικούς χρόνους χαλάρωσης. Επιπλέον, το μέγεθος του χρησιμοποιούμενου ομοιώματος είναι πολύ μικρότερο από εκείνο ενός πραγματικού ασθενή, και μπορεί να οδηγήσει σε μια σημαντική απόκλιση από τις παραλλαγές επιδεκτικότητας σε σαρωμένα υλικά. Συμπερασματικά, μελλοντικά πιο ολοκληρωμένες μελέτες, πρέπει να περιλαμβάνουν μέτρηση ταχύτερης ροής, υψηλότερων Κ.Ε, υψηλότερης έντασης μαγνητικό πεδίο 3Τ, διαφορετικές ακολουθίες και διαδικασίες (στενώσεις, επικλινείς θέσεις, BMFs, αγγεία από διαφορετικά υλικά, ώστε να μιμούνται καλύτερα τις in νίνο συνθήκες και να μειώνουν την επιρροή του φαινομένου μερικού όγκου), ίσως επίσης σύγκριση μεταξύ των διαφόρων τεχνικών, όπως υπερηχογράφημα, αξονική τομογραφία CT. Η διαταραχή στη ροή είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση και την ερμηνεία της ροής σε μια στένωση. Ως εκ τούτου, η πληρέστερη κατανόηση της αλληλεξάρτησης μεταξύ πίεσης, ροής, και των συμπτώματων των καρδιαγγειακών στενώσεων, παραμένει ένα κρίσιμο κλινικό θέμα. Οι νέες εφαρμογές για την αποκατάσταση στένωσης των αρτηριών είναι σε στάδιο συνεχούς ανάπτυξης. Η ρευστομηχανική θα εξακολουθήσει λοιπόν να παίζει σημαντικό ρόλο στη μελλοντική διάγνωση, την κατανόηση, και τη θεραπεία των καρδιαγγειακών παθήσεων.

The purpose of this study is the comparison of methods of image enhancement kinetics in breast MRI tomography, according to 4 models, that analyze dynamic image series. Specifically, the following models have been implemented: (a) the Kuhl empirical approach, (b) a 3-parameter empirical model, (c) the 3 parameter mathematical model of Jansen and (d) the 5-parameter mathematical model of Fan. These models have been tested in a classification task of breast lesions (benignity/malignancy), using a k-ΝΝ (k=3 and k=7) classifier. A case sample of 29 benign and 49 malignant lesions, originating from 1.5T system, were analyzed. A graphical user interface has been implemented, intended as a visual aid to guide the identification of the location of the analyzing Region of Interest (ROI) of the lesion. In this study, the enhancement kinetic features of the two empirical models, as well as the primary and the secondary kinetic features of the two mathematical models were calculated. For proper ROI selection, 2 feature maps (a) the initial enhancement and (b) the 3 Time Point (3TP) kinetic map (Hauth et al. 2006), were utilized as pre-processing step. To evaluate the classification performance, indices such as sensitivity, specificity and accuracy were utilized. Employing the initial enhancement map, classification performance obtained for Kuhl empirical approach (Kuhl et al. 1999), the 3-parameter empirical model, the mathematical model of Jansen et al (Jansen et al. 2008) and the mathematical model of Fan (Fan et al. 2004, 2007) was: (0.87, 0.34, 67.9%), (0.81, 0.65, 70.5%), (0.85, 0.55, 70.5%) and (0.81, 0.58, 67.9%), respectively. Classification results employing the 3TP kinetic map for the Kuhl empirical approach (Kuhl 1999), 3-parameter empirical model, the mathematical model of Jansen and the mathematical model of Fan were: (0.95, 0.58, 82.0%), (0.95, 0.82, 84.6%), (0.85, 0.68, 78.2%) and (0.93, 0.79, 79.4%), respectively. In conclusion, the 3TP kinetic contributed in the proper location of the analyzing ROI and subsequently in the improved classification of malignant from benign lesions for all enhancement kinetic models studied. / Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η σύγκριση μεταξύ μεθόδων ανάλυσης της κινητικής του σκιαγραφικού στην μαγνητική τομογραφία μαστού, σύμφωνα με 4 μοντέλα ανάλυσης που αξιοποιούν τα απεικονιστικά δεδομένα δυναμικών ακολουθιών εικόνων. Συγκεκριμένα, υλοποιήθηκαν: (α) η εμπειρική προσέγγιση Kuhl et al. (Kuhl et al. 1999), η οποία χρησιμοποιεί 1 ποσοτικό δείκτη της αρχικής ενίσχυσης του σήματος και ποιοτική εκτίμηση της κινητικής του σκιαγραφικού στη φάση έκπλυσης, (β) ένα εμπειρικό μοντέλο 3 ποσοτικών δεικτών που ποσοτικοποιούν την πρόσληψη και έκπλυση, (γ) το 3-παραμετρικό εμπειρικό μαθητικό φαρμακοκινητικό μοντέλο των Jansen et al. (Jansen 2008), (δ) το 5-παραμετρικό εμπειρικό φαρμακοκινητικό μαθητικό μοντέλο των Fan et al. (Fan et al. 2004, 2007), στα πλαίσια ταξινόμησης αλλοιώσεων του μαστού (καλοήθεια/κακοήθεια) με χρήση ταξινομητή k-ΝΝ (k=3 και k=7). Μελετήθηκαν 29 καλοήθεις και 49 κακοήθεις αλλοιώσεις, και οι λήψεις των εικόνων έγιναν από 1.5 T μαγνητικό τομογράφο. Υλοποιήθηκε γραφικό περιβάλλον διεπαφής (Graphical User Interface-GUI), προτεινόμενο ως εργαλείο υποβοήθησης για την επιλογή της τοποθέτησης της περιοχής ενδιαφέροντος για την αξιολόγηση των κινητικών χαρακτηριστικών της αλλοίωσης. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης, υπολογίστηκαν τα κινητικά χαρακτηριστικά για τα δύο εμπειρικά μοντέλα καθώς και τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα χαρακτηριστικά για τα μαθηματικά μοντέλα. Για την επιλογή της περιοχής ενδιαφέροντος υλοποιήθηκαν: (α) ένας κινητικός χάρτης πρώιμης ενίσχυσης σήματος, (β) ο κινητικός χάρτης 3TP (Hauth et al. 2006), οποίος εκφράζει τη συνολική κινητική του σκιαγραφικού. Για την αξιολόγηση της απόδοσης ταξινόμησης (διαφοροποίηση καλοήθειας/κακοήθειας) χρησιμοποιήθηκαν οι δείκτες ευαισθησία, ειδικότητα και ακρίβεια. Με χρήση του χάρτη πρώιμης ενίσχυσης για την επιλογή της περιοχής ενδιαφέροντος, η απόδοση ταξινόμησης, του εμπειρικού μοντέλου Kuhl et al. (1999), του εμπειρικού μοντέλου των 3 παραμέτρων, του μαθηματικού μοντέλου Jansen και του μαθηματικού μοντέλο Fan (Fan et al. 2004, 2007) ήταν: (0.87, 0.34, 67.9%), (0.81, 0.65, 70.5%), (0.85, 0.55, 70.5%) και (0.81, 0.58, 67.9%), αντιστοίχως. Με χρήση του κινητικού χάρτη 3TP η απόδοση ταξινόμησης του εμπειρικού μοντέλου Kuhl (Kuhl et al. 1999), του εμπειρικού μοντέλου των 3 παραμέτρων, του μαθηματικού φαρμακοκινητικού μοντέλου Jansen et al. (Jansen et al. 2008) και του μαθηματικού φαρμακοκινητικού μοντέλου Fan (Fan et al. 2004, 2007) ήταν: (0.95, 0.58, 82.0%), (0.95, 0.82, 84.6%), (0.85, 0.68, 78.2%) και (0.93, 0.79, 79.4%), αντιστοίχως. Συμπερασματικά, χρήση του κινητικού χάρτη 3TP συνεισφέρει σε ορθότερη επιλογή της θέσης της περιοχής ενδιαφέροντος προς ανάλυση, βελτιώνοντας αποτελέσματα της ταξινόμησης των κακοηθών από καλοήθεις αλλοιώσεις για όλα τα μοντέλα κινητικής σκιαγραφικού που μελετήθηκαν.

Thesis (M.Sc (Radiography))--Cape Peninsula University of Technology, 2016. / Multiple sclerosis (MS) affects the central nervous system (CNS) and is characterized by multiple demyelinating lesions. It is in this context that a need arises for reliable biomarkers such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), which could lead to the early diagnosis and therapeutic intervention when maximum potential impact is possible. This study examines the impact of MRI as a marker and the sequences that give the best images to aid in evaluation of disease progression (which can indirectly be seen as disability) and the early diagnosis of MS which will, in turn, lead to more effective management of the disease. METHOD: Sixteen subjects underwent a neurological examination, the Expanded Disability Status Scale (EDSS), blood tests for iron parameters and a 3Tesla Magnetic Resonance Imaging (MRI) scan. In a study of MS, 11 had MRI data that could be analysed by using tract-based spatial statistics (TBSS). Subjects were divided according to the EDSS score (8 of the subjects had an EDSS score of ≤ 3 while 3 subjects had scores of ≥ 6). Diffusion tensor imaging (DTI), the fused Proton Density and Fluid Attenuation Recovery (FLAIR) was utilised to compute the lesion numbers and standard laboratory procedures were used to measure other biochemical markers (serum iron, % transferrin saturation, ferritin, haemoglobin) in subjects with disability and simultaneously assess the disease process. RESULTS: The FA of white matter tracts (WMTs) as a parameter of myelin integrity was lower in subjects with MS only in those who had high EDSS scores. An association between FA and iron parameters, especially percentage transferrin saturation (% Tf) sat were observed, which suggests that iron availability to the WM may be a requirement for optimal myelin functionality. CONCLUSION: The FA of WMTs as a parameter of myelin integrity was lower only in those MS subjects who had high EDSS scores. Subjects who had EDSS scores < 3 (i.e. who had a “benign” disease outcome) had FA values similar to control values and this finding was not related to their age or disease duration. The association found between FA and iron parameters, especially % Tf sat, suggests that iron availability to the WM may be a requirement for optimal myelin functionality. Results also suggest that serum iron concentration, ferritin and % Tf sat had an effect on myelination. The lack of association between FA and Hb suggests that the iron in this protein is not available for WM function.

Research in lab-on-a-chip (LOC) technology involving microfluidics is a growing field aiming at the development of miniaturized biomedical systems with rich functionality. In order to design effective LOC microfluidic systems, the flow fields and the fluids inside LOC devices need to be carefully characterized. High-resolution magnetic resonance imaging (MRI) offers a powerful non-intrusive technology for this application. In this thesis, the design and implementation of a prototype for a desktop high-resolution MRI instrument, consisting of a magnet, gradient coils, gradient amplifiers, and radio frequency (RF) electronics, is presented. To reduce the size and cost of this MRI instrument, a permanent magnetic configuration with a magnetic flux density of 0.6 T is designed with off-the-shelf NdFeB permanent magnets. The coils of the triaxial gradient module are developed using a novel lithography technique. This gradient module is capable of generating gradient fields as high as 2.83 T/m with custom made current amplifiers. The radio frequency (RF) probe is integrated with the gradient module and is connected to the RF electronics which are made using off-the-shelf components. Pulse sequences and signal processing for acquiring static images and velocity profiles are described. The performance of this instrument in terms of static and dynamic image resolution are presented. As a preliminary test, the velocity profile of water flowing inside a small tube was measured with a nominal resolution of 40 μm. The instrument is designed for a static resolution of better than 30 μm and a velocity resolution better than 50 μm/s. Improvements to the current instrument in addition to theoretical limitations are also detailed. / Applied Science, Faculty of / Electrical and Computer Engineering, Department of / Graduate

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive medical imaging method that is used in the diagnosis of many common diseases. Compared to other medical imaging modalities, MRI has the ability to provide high-resolution 2D and 3D images in arbitrary orientations, without the use of potentially damaging ionizing radiation. Myocardial perfusion MRI is a promising non- invasive clinical way to detect cardiac disease. It can also provide quantitative analysis for blood flow within the heart. However, MRI requires longer scan times to acquire images at comparable resolutions to some other imaging modalities. Increasing image resolution, both spatially and temporally, is very important to myocardial perfusion MRI. The work presented in this dissertation focuses on the development of novel dynamic contrast-enhanced (DCE) MRI that is able to achieve both high spatial and temporal resolutions, as well as suitable spatial coverage of the heart. Three novel acquisition and reconstruction frame- works are proposed and analyzed in this dissertation. The first framework we propose uses a highly undersampled 3D Cartesian acquisition and total variation (TV) constrained reconstruction to accelerate the acquisition of myocardial perfu- sion images. This technique increases temporal resolution for contrast tracking without sacrificing spatial resolution. An analysis of the effect of different k-space trajectories using this technique is performed. The purpose of the second framework is to simplify cardiac perfusion studies. An ECG- gated saturation recovery sequence is regularly used for cardiac perfusion imaging. However, using an ungated acquisition has the potential benefit of reducing the acquisition time by eliminating the need for the ECG trigger signal. We present a novel non-Cartesian 2D multi-slice ungated acquisition, and demonstrate that it is a promising alternative to ECG-gated cardiac perfusion studies. An optimization analysis of our ungated acquisition is also presented. The third method in this dissertation combines the 2D ungated acquisition with multi-band excitation, which enables the excitation of multiple slices simultaneously. This method is able to reduce scan time not only through the ungated acquisition, but also from obtaining multiple slices at once. This allows us to achieve whole heart coverage without sacrificing temporal resolution. The contributions presented in this dissertation demonstrate the basic feasibility of car- diac perfusion MRI achieving whole-heart coverage in a clinical setting by overcoming the major existing limitations: speed of acquisition and spatial coverage.

High contact sports put athletes at a higher risk of sustaining a concussion. This work focused on assessing regional brain health in aging, retired Canadian Football League (rCFL) players years to decades after retirement. Advanced, quantitative magnetic resonance imaging (MRI) techniques were implemented to identify and quantify microstructural brain white matter damage, cognitive functional signal characteristics (fractal dimension (FD) and amplitude of low frequency fluctuations (ALFF) and fractional ALFF (fALFF)), and cerebral blood flow (CBF) dysregulation. Due to the high reproducibility of diffusion tensor imaging (DTI) and resting state functional MRI (rsfMRI), a Z-scoring approach exploring outliers relative to a large normative dataset was implemented to examine each rCFL subject individually. However, arterial spin labelling (ASL) data is more sensitive to scanner inconsistencies, therefore a group-wise analysis was performed with the CBF and ASL spatial coefficient of variance (ASL sCoV) data. Minimal microstructural damage was detected in the rCFL subjects, but a substantial amount of functional and CBF abnormalities were present. The FD was significantly reduced in 48 of 91 regions-of-interest (ROIs) examined, and the four rCFL subjects with the highest number of abnormal ROIs all exhibited worse motor speed, social functioning and general health scores than the other rCFL subjects. Furthermore, the ALFF analysis identified the cerebellum, parietal lobe ROIs, and central sub-cortical ROIs to be consistently abnormal. Finally, the temporal occipital fusiform cortex, superior parietal gyrus, caudate nucleus, and the cerebellum were significantly abnormal bilaterally based on CBF and ASL sCoV values, which also correlated with worse physical functioning and elevated daily chronic pain. This work adds to the growing literature that brain changes are present later in life that may be related to concussions and repetitive sub-concussive head impacts sustained years earlier. Several consistently damaged ROIs also correlated with adverse clinical presentations to indicate areas of future research. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD) / Clinical concussion assessment has a limited ability to identify brain injury location and severity. Therefore, there is a need for more advanced diagnostic tools to provide meaningful, objective information to concussion patients and clinicians. The work presented in this thesis aimed to assess brain health using magnetic resonance imaging (MRI) techniques of retired professional football players with a complex history of concussions and repetitive sub-concussive impacts. Our research found concussion-related functional and cerebral blood flow brain abnormalities past that of normal aging, but minimal white matter damage, present in the retired athletes that also correlated with clinically testable health metrics such as motor speed, emotional well-being, and pain. Through personalized subject-specific analyses, this work provides further evidence of the effects of concussions later in life.

No description available.

No / The last two decades has seen increased use of imaging in forensic practice. Although radiography has been used historically, the evidence base for the use of computed tomography and magnetic resonance imaging in forensic practice appears to be growing. This article reviews the evidence base for the use of radiography, CT and MRI in an attempt to ascertain the future use of these imaging techniques in forensic medicine.