임피던스단층 촬영 기법은 인체 내부의 기능 및 대사에 대한 전기 전도도의 변화를 영상화 하기 위해 연구가 진행 되어 왔다. 전기 전도성 물질 외부에서 전류를 주입하게 되면 물질 내부에는 전압과 전류 그리고 자속 밀도 분포가 만들어지게 된다. 이러한 요소들은 물질의 외형과 전극의 위치 그리고 전도도의 분포에 의해 결정 된다. Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography (MREIT)는 주입 전류에 의해 발생하는 전도성물질의 내부 자속 밀도 분포를 ...
임피던스단층 촬영 기법은 인체 내부의 기능 및 대사에 대한 전기 전도도의 변화를 영상화 하기 위해 연구가 진행 되어 왔다. 전기 전도성 물질 외부에서 전류를 주입하게 되면 물질 내부에는 전압과 전류 그리고 자속 밀도 분포가 만들어지게 된다. 이러한 요소들은 물질의 외형과 전극의 위치 그리고 전도도의 분포에 의해 결정 된다. Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography (MREIT)는 주입 전류에 의해 발생하는 전도성물질의 내부 자속 밀도 분포를 자기공명 영상장치 (Magnetic Resonance Imaging System)를 이용하여 측정하여 고해상도의 전기 전도도 영상을 만들어 내기 위해 개발되었다. 이 논문에서는, MREIT 영상기법에서 잡음 요인을 분석하고 측정된 내부 자속밀도 분포에서 잡음을 줄이는 방법을 기술한다. 잡음을 줄이는 방법으로 광통신과 베터리 그리고 전자기적 차폐를 이용하여 주입 전류의 SNR은 약 10dB 개선되었고, MR 영상에서는 약 30% 의 SNR을 개선 시킨 저잡음 정전류원을 개발하였다. 그리고 MREIT에서 복원된 영상의 생체 전자기적 이해를 돕기 위해 전도도 팬텀을 제작하고 시물레이션 과 실험을 통해 결과를 비교해 보았다. 이러한 결과들을 바탕으로 살아있는 실험 견에 종양 모델을 만들고 실험을 실시하였다. 실험에서 복원된 대뇌 전도도영상은 정상 부위와 종양 부위의 전도도 차이를 명확히 구분해 내고 있다. 그리고 안락사를 시킨 실험 견의 흉부와 복부 그리고 골반에서 얻어진 전도도영상을 바탕으로 심장, 콩팥, 전립선 그리고 다른 장기들의 전도도 차이를 보여 주었다. 그리고 임상에서 사용될 수 있는 진단기법으로서의 가능성을 알아보기 위해 인체 다리의 각 부위를 대상으로 실험을 실시하여 1.7mm의 화소 크기를 갖는 전도도 영상을 성공적으로 복원하였다. 복원된 영상에서는 피하 지방, 근조직, 근막, 근육내의 격막 그리고 뼈 등의 다리내부의 조직들의 전도도 차이를 확인할 수 있었다. 그리고 MREIT영상기법의 응용분야를 알아보기 위해 적출한 소의 간 조직에 Radiofrequency (RF) ablation을 이용해 손상을 주고 팬텀을 제작하여 실험을 실시하였다. 실험에서 복원된 영상에서는 손상된 부위와 정상 부위간의 확연한 전도도의 차이를 보여 주었고, MREIT영상기법의 응용분야로서의 가능성을 보여 주었다. 이 논문에서는 다양한 실험대상을 이용해 MREIT실험을 실시하여 뚜렷한 전도도의 차이를 갖는 영상을 복원했고, 복원된 영상에서 MREIT영상기법의 임상에서 진단기법으로서 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다.
임피던스단층 촬영 기법은 인체 내부의 기능 및 대사에 대한 전기 전도도의 변화를 영상화 하기 위해 연구가 진행 되어 왔다. 전기 전도성 물질 외부에서 전류를 주입하게 되면 물질 내부에는 전압과 전류 그리고 자속 밀도 분포가 만들어지게 된다. 이러한 요소들은 물질의 외형과 전극의 위치 그리고 전도도의 분포에 의해 결정 된다. Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography (MREIT)는 주입 전류에 의해 발생하는 전도성물질의 내부 자속 밀도 분포를 자기공명 영상장치 (Magnetic Resonance Imaging System)를 이용하여 측정하여 고해상도의 전기 전도도 영상을 만들어 내기 위해 개발되었다. 이 논문에서는, MREIT 영상기법에서 잡음 요인을 분석하고 측정된 내부 자속밀도 분포에서 잡음을 줄이는 방법을 기술한다. 잡음을 줄이는 방법으로 광통신과 베터리 그리고 전자기적 차폐를 이용하여 주입 전류의 SNR은 약 10dB 개선되었고, MR 영상에서는 약 30% 의 SNR을 개선 시킨 저잡음 정전류원을 개발하였다. 그리고 MREIT에서 복원된 영상의 생체 전자기적 이해를 돕기 위해 전도도 팬텀을 제작하고 시물레이션 과 실험을 통해 결과를 비교해 보았다. 이러한 결과들을 바탕으로 살아있는 실험 견에 종양 모델을 만들고 실험을 실시하였다. 실험에서 복원된 대뇌 전도도영상은 정상 부위와 종양 부위의 전도도 차이를 명확히 구분해 내고 있다. 그리고 안락사를 시킨 실험 견의 흉부와 복부 그리고 골반에서 얻어진 전도도영상을 바탕으로 심장, 콩팥, 전립선 그리고 다른 장기들의 전도도 차이를 보여 주었다. 그리고 임상에서 사용될 수 있는 진단기법으로서의 가능성을 알아보기 위해 인체 다리의 각 부위를 대상으로 실험을 실시하여 1.7mm의 화소 크기를 갖는 전도도 영상을 성공적으로 복원하였다. 복원된 영상에서는 피하 지방, 근조직, 근막, 근육내의 격막 그리고 뼈 등의 다리내부의 조직들의 전도도 차이를 확인할 수 있었다. 그리고 MREIT영상기법의 응용분야를 알아보기 위해 적출한 소의 간 조직에 Radiofrequency (RF) ablation을 이용해 손상을 주고 팬텀을 제작하여 실험을 실시하였다. 실험에서 복원된 영상에서는 손상된 부위와 정상 부위간의 확연한 전도도의 차이를 보여 주었고, MREIT영상기법의 응용분야로서의 가능성을 보여 주었다. 이 논문에서는 다양한 실험대상을 이용해 MREIT실험을 실시하여 뚜렷한 전도도의 차이를 갖는 영상을 복원했고, 복원된 영상에서 MREIT영상기법의 임상에서 진단기법으로서 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다.
In impedance imaging, cross-sectional imaging of an electrical conductivity distribution inside the human body has been an active research goal. Injection an external current to an electrically conducting object produces internal distributions of voltage, current density and magnetic flux density. T...
In impedance imaging, cross-sectional imaging of an electrical conductivity distribution inside the human body has been an active research goal. Injection an external current to an electrically conducting object produces internal distributions of voltage, current density and magnetic flux density. These quantities are dependent on the geometry of the object, electrode configuration and conductivity distribution. Electrical impedance tomography (EIT) reconstruction cross-sectional conductivity images using measured current-voltage data on the surface. Unfortunately, there are technical difficulties in EIT. First, the internal conductivity distribution and the boundary current-voltage data produce nonlinearity and low sensitivity. Second, the inverse problem is sensitive to the boundary geometry, electrode position and modeling errors as well as measurement artifact and noise. Hence EIT images have poor spatial resolution. Magnetic resonance electrical impedance tomography (MREIT) has been developed to produce high-resolution conductivity images. Current injection into an electrically conducting object induces distribution of magnetic flux density. In MREIT, using an MRI scanner with its main magnetic field in z direction, we can measure the z component of induced magnetic flux density (Bz) inside the object. The current injection must be synchronized with a chosen MRI pulse sequence and current source needs to be programmable to accommodate various pulse sequences. We describe how to reduce noise in measured magnetic flux density data based on analyses of noise sources in MREIT. We designed a low noise programmable current source with optical links, batteries and electromagnetic shields. We found that the new current source improves the output current SNR by about 10 dB and the MR magnitude image SNR by about 30%. We propose use of this low noise current source for in vivo animal and human MREIT imaging studies. The understanding of bioelectromagnetism governing Bz generation and its relation with MRI magnetic fields is required to produce to reconstruct conductivity from measured Bz. To understand the bioelectromagnetism of MREIT conductivity imaging, we designed a conductivity phantom for MREIT experiments. We built a stable conductivity phantom including hollow cylinder with holes. Filling both inside and outside the hollow cylinder with the same saline, we controlled ion mobilities to create a conductivity contrast without being affected by the ion diffusion process. From numerical simulations and imaging experiments, we found that slopes of induced magnetic flux densities change with hole diameters and therefore conductivity contrasts. We performed in vivo disease model animal experiments to validate the MREIT technique in terms of its capability to produce a conductivity contrast corresponding to brain ischemia and abscess. The results indicate that MREIT conductivity images provide meaningful diagnostic information that is not available from other imaging modalities. We have validated its feasibility by performing conductivity imaging experiments of postmortem canine bodies. Reconstructed conductivity images of heart, kidney, prostate, and other organs exhibited unique contrast information hardly observed in other imaging modalities. We present the in vivo cross-sectional conductivity image of the human leg with 1.7 mm pixel size using the magnetic resonance electrical impedance tomography (MREIT) technique. Scaled conductivity images reconstructed by using the single-step harmonic Bz algorithm well distinguished different parts of the subcutaneous adipose tissue, muscle, crural fascia, intermuscular septum and bone inside the leg. We evaluated the feasibility of MREIT conductivity imaging in terms of its capability in detecting ablated lesions and differentiating tissue conditions in the liver radiofrequency (RF) ablation. The relative conductivity contrast ratios (rCCR, %) showed significant changes in ablation lesions by the increase of exposure time. This in vitro feasibility study demonstrates that current MREIT conductivity imaging can detect liver RF ablation lesions without using any contrast media and additional MR scans. We address MREIT conductivity contrast using various experiments in this thesis. For reduce the noise in magnetic flux density (Bz) data, we develop the low noise current source. Using a stable conductivity phantom including hollow cylinder with holes, we try to explain about MREIT conductivity contrast mechanism. We experimentally validated the possibility of MREIT clinical application through in vivo canine brain, postmortem canine body and in vivo human leg experiments. We also propose the other application of MREIT using a liver radiofrequency ablation lesion detection experiment. In future research direction, we suggest to improve the conductivity image reconstruction algorithm to handle the MR signal void phenomenon and to investigate how much imaging current can be safely injected into the human subject.
In impedance imaging, cross-sectional imaging of an electrical conductivity distribution inside the human body has been an active research goal. Injection an external current to an electrically conducting object produces internal distributions of voltage, current density and magnetic flux density. These quantities are dependent on the geometry of the object, electrode configuration and conductivity distribution. Electrical impedance tomography (EIT) reconstruction cross-sectional conductivity images using measured current-voltage data on the surface. Unfortunately, there are technical difficulties in EIT. First, the internal conductivity distribution and the boundary current-voltage data produce nonlinearity and low sensitivity. Second, the inverse problem is sensitive to the boundary geometry, electrode position and modeling errors as well as measurement artifact and noise. Hence EIT images have poor spatial resolution. Magnetic resonance electrical impedance tomography (MREIT) has been developed to produce high-resolution conductivity images. Current injection into an electrically conducting object induces distribution of magnetic flux density. In MREIT, using an MRI scanner with its main magnetic field in z direction, we can measure the z component of induced magnetic flux density (Bz) inside the object. The current injection must be synchronized with a chosen MRI pulse sequence and current source needs to be programmable to accommodate various pulse sequences. We describe how to reduce noise in measured magnetic flux density data based on analyses of noise sources in MREIT. We designed a low noise programmable current source with optical links, batteries and electromagnetic shields. We found that the new current source improves the output current SNR by about 10 dB and the MR magnitude image SNR by about 30%. We propose use of this low noise current source for in vivo animal and human MREIT imaging studies. The understanding of bioelectromagnetism governing Bz generation and its relation with MRI magnetic fields is required to produce to reconstruct conductivity from measured Bz. To understand the bioelectromagnetism of MREIT conductivity imaging, we designed a conductivity phantom for MREIT experiments. We built a stable conductivity phantom including hollow cylinder with holes. Filling both inside and outside the hollow cylinder with the same saline, we controlled ion mobilities to create a conductivity contrast without being affected by the ion diffusion process. From numerical simulations and imaging experiments, we found that slopes of induced magnetic flux densities change with hole diameters and therefore conductivity contrasts. We performed in vivo disease model animal experiments to validate the MREIT technique in terms of its capability to produce a conductivity contrast corresponding to brain ischemia and abscess. The results indicate that MREIT conductivity images provide meaningful diagnostic information that is not available from other imaging modalities. We have validated its feasibility by performing conductivity imaging experiments of postmortem canine bodies. Reconstructed conductivity images of heart, kidney, prostate, and other organs exhibited unique contrast information hardly observed in other imaging modalities. We present the in vivo cross-sectional conductivity image of the human leg with 1.7 mm pixel size using the magnetic resonance electrical impedance tomography (MREIT) technique. Scaled conductivity images reconstructed by using the single-step harmonic Bz algorithm well distinguished different parts of the subcutaneous adipose tissue, muscle, crural fascia, intermuscular septum and bone inside the leg. We evaluated the feasibility of MREIT conductivity imaging in terms of its capability in detecting ablated lesions and differentiating tissue conditions in the liver radiofrequency (RF) ablation. The relative conductivity contrast ratios (rCCR, %) showed significant changes in ablation lesions by the increase of exposure time. This in vitro feasibility study demonstrates that current MREIT conductivity imaging can detect liver RF ablation lesions without using any contrast media and additional MR scans. We address MREIT conductivity contrast using various experiments in this thesis. For reduce the noise in magnetic flux density (Bz) data, we develop the low noise current source. Using a stable conductivity phantom including hollow cylinder with holes, we try to explain about MREIT conductivity contrast mechanism. We experimentally validated the possibility of MREIT clinical application through in vivo canine brain, postmortem canine body and in vivo human leg experiments. We also propose the other application of MREIT using a liver radiofrequency ablation lesion detection experiment. In future research direction, we suggest to improve the conductivity image reconstruction algorithm to handle the MR signal void phenomenon and to investigate how much imaging current can be safely injected into the human subject.
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