It this thesis, two types of spin motions, i.e., perfusion and diffusion, are studied by NMR imaging techniques.
Initially, perfusion in biological tissues via capillaries is modeled as an ensemble of linear flow each moving in straight coherently with constant velocities, but the orientations are assumed to be distributed uniformly in all directions. Based on this model, effects of random directional flow on the reconstructed NMR image are investigated. As a result of perfusion, the aggregated signal intensity is reduced compared to that of the stationary spins, however, the phase is not affected by the isotropic random motion. The amount of attenuation is formulated analytically in a form of velocity distribution function. An experimental pulse scheme related to the above theoretical study to visualize the amount of capillary flow or perfusion related activities as a function of a spatial position is proposed. Some results with phantom containing random directional flow as well as human volunteers are presented.
In the diffusion experiment, an optimized pulse sequence to maximize Signal-to-Noise Ratio (SNR) in the final diffusion map is derived and experimentally confirmed. The technique varies the duration of the readout gradient to make different attenuations in a set of diffusion affected images. One important feature of the current technique is the employment of the low gradient fields easily available in the conventional whole body NMR imaging system. The experimental measurements of the diffusion coefficient for several materials by the proposed scheme agree well with others results. Some preclinical applications of the diffusion map have also attempted to a number of human volunteers.
Finally, a new phase correction method is proposed, which is essential to most of the phase-involved imaging techniques including coherent bulk flow imaging, quadrature spectroscopic imaging, and inversion recovery imaging. The proposed scheme consists of first and zero order corrections each by the inverse multiplication of estimated phase errors. The first order error term is estimated by the phase of autocovariance calculated from the phase distorted image while the zero order correction factor is extracted from the phase histogram of the first order corrected image. Some experimental results with inversion recovery imaging and quadrature spectroscopic imaging are shown to demonstrate the efficacy of the algorithm.
In appendix, a magnetic field homogeneity correction algorithm by the iterative applications of the pseudoinversion formula is presented and its computer simulation and experimental results are also given.
핵자기 공명 영상기법을 이용하여 모세관류및 확산에 관하여 연구하였다. 생체내의 모세관류를 일정한 속도로 직선운동을 하는 등방성의 분포 흐름으로 모델을 세워 이러한 운동이 재구성된 영상에 미치는 영향을고찰하였다. 그 결과로 영상의 각 화소의 크기는 감소하나 위상은 변하지않는 것을 밝혔으며 그 감소량을 모세관내에서의 속도 분포 함수를 사용하여 유도 하였다. 또한 이 양을 측정하기 위하여 첫번째 echo에서의 신호감소와 두번째 echo에서의 신호 회복을 이용하는 실험방법을 제안하였다. 이 이론의 결과를 뒷받침하기 위하여 임의의 방향 성분을 갖는 흐름의 모형을 직경이 작은 긴 휘어지는 튜브로 제작하여 실험적으로 측정해보았으며, 또한 인체에의 시험 적용도 시도해 보았다.
확산의 연구에 있어서는 확산계수를 측정하는데 오차를 최소화하는 실험방법을 제안하였으며, 이 방법이 타당함을 실험적으로 증명하였다. 여기서 제안한 실험방법은 데이타 수집 경사자게 (readout gradient)의 길이를 바꿈으로써 확산에 따라 화소의 크기가 감소되는 정도가 다름을 이용한 것인데 이전에 제안된 echo의 갯수를 달리하는 방법에 비하여 선택적 180˚ RF pulse 의 비 이상적 성능에 영향을 받지 않는 장점이있다. 또한 이 실험에서 특기할 만한 것은 확산계수 측정에 있어서 일반 핵자기 공명 단층촬영 장치에서 쓰이는 낮은 크기의 경사자계를 사용한 점이다. 몇가지 확산 계수가 알려진 화학물질을 제안한 방법으로 측정해본 결과 매우 근사한 결과를 얻었으며 인체에서의 확산계수 영상도 시도해 보았다.
이상의 모세관류및 확산의 영상은 기존의 핵자기 공명 장치의 해부학적 영상의 측면을 넘어서 양전자 방출형 단층촬영기 (Positron Emission CT)에서와 같이 생리학적 기능 영상 에로의 시도로써 주목할 만한 방법이다.
끝으로 autocovariance와 histogram을 이용한 위상교정법을 제안하였다. 이 방법은 위상의 1차와 0차 오차를 각각 추정하여 역으로 곱함으로써 교정하는 것인데, 일차 오차의 비례계수는 위상오차가 있는 영상의 autocovariance의 위상으로 부터 구할 수 있음을 보이고, 또한 일차오차를 교정한 영상의 histogram으로 부터 0차 오차를 구할 수 있음을보였다. 이것은 NMR 영상에서 인접한 화소간에 연관이 많은 점과 각화소의 위상이 한정된 분포를 하고 있는데 기인한다. 이 위상교정법을 inversion recovery 영상과 물 - 기름 동시 화학천이 영상에 적용하여 정확한 교정을 할 수 있음을 실험적으로 보였다.
부록에서는 연속적인 pseudoinversion 식에 의한 수동 불균일 자계교정법을 제안하고, 컴퓨터 simulation과 실험을 통하여 타당성을 보였다.
