Numerical simulations are invaluable in the development and understanding of magnetic resonance imaging (MRI) techniques. Motivated by the goal of understanding the behaviour of the functional MRI (fMRI) signal in brain tissue, this thesis employs a deterministic simulation technique in which the transverse magnetization and B0 inhomogeneity within a voxel are spatially discretized and the stochastic self-diffusion of water molecules is modelled as a Gaussian isotropic blurring of the transverse magnetization. While this simulation technique has existed since fMRI was in its infancy, its use has increased recently as investigators have attempted to quantitatively interpret the measured signal. Despite its recent popularity, thorough quantitative validation of the technique is lacking in the literature.With the development of quantitative fMRI techniques being the driving force, this thesis validates three-dimensional deterministic simulations of the MR signal with a focus on their application in cerebral microvasculature. Individual blood vessels are modelled by infinite cylinders with a realistic distribution of radii. Using a spin echo sequence, the effects of several simulation parameters are investigated.Validations ignoring the effect of diffusion show that the discretization of the voxel into subvoxels can be very coarse – up to 10 μm subvoxel widths – without adversely affecting the simulation outcomes. Simulations including diffusion are validated using an analytical solution to the Bloch-Torrey equation for comparison. In the presence of diffusion, subvoxel size is a key factor and it needs to be sufficiently small (~ 2 μm), depending on the rest of the simulation parameters, in order for the simulations to be accurate. Finally, as a proof-of-concept, it is shown that larger subvoxels can be used and still produce accurate simulations if the diffusion coefficient is scaled by a correction factor to produce the desired time series. / Les simulations numériques sont d'une valeur inestimable pour le développement et la compréhension des techniques d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette thèse, motivée par le but de comprendre le comportement du signal de l'IRM fonctionnelle (IRMf) dans le tissu cérébral, utilise une technique de simulation déterministe dans laquelle la magnétisation transversale et l'inhomogénéité B0 au sein d'un voxel sont spatialement discrétisées et l'auto-diffusion stochastique des molécules d'eau est modélisée par un flou gaussien isotrope de la magnétisation transversale. Bien que cette technique de simulation existe depuis les débuts de l'IRMf, son utilisation a augmenté récemment par des chercheurs tentant d'interpréter quantitativement le signal mesuré. Malgré sa popularité récente, une validation quantitative approfondie de cette technique est absente de la littérature.Ayant pour force motrice le développement de techniques d'IRMf quantitatives, cette thèse valide des simulations tridimensionnelles déterministes du signal IRM en mettant l'emphase sur leur application dans la microvascularisation cérébrale. Les vaisseaux sanguins individuels sont modélisés par des cylindres infinis avec une distribution de rayons réaliste. Les effets de plusieurs paramètres de simulation sont étudiées en utilisant une séquence écho de spin.Des validations ignorant l'effet de diffusion montrent que la discrétisation des voxel en sous-voxels peut être très grossière - jusqu'à des tailles de sous-voxels de 10 μm - sans détériorer les résultats de la simulation. Des simulations tenant compte de la diffusion sont validées à l'aide d'une solution analytique à l'équation de Bloch-Torrey. En présence de diffusion, la taille des sous-voxels est un facteur clé et doit être petite (~ 2 μm, dépendamment des autres paramètres de simulation) pour que les simulations soient précises. Enfin, comme preuve de concept, il est démontré que des simulations précises peuvent être obtenues avec des sous-voxels plus grands pourvu que le coefficient de diffusion soit multiplié par un facteur de correction pour produire la série temporelle désirée.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110687 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Berman, Avery |
| Contributors | Gilbert Bruce Pike (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Medical Physics Unit) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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