Low Temperature Physics: 46, 768 (2020); https://doi.org/10.1063/10.0001538
Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 8 (Август 2020), c. 914-919    ( к оглавлению , назад )

Theoretical models of diffusion-attenuated magnetic resonance signal in biological tissues

Alexander L. Sukstanskii and Dmitriy A. Yablonskiy

Mallinckrodt Institute of Radiology, Washington University School of Medicine, St. Louis, USA
E-mail: asukstansky@wustl.edu; YablonskiyD@wustl.edu

Received March 5, 2020, published online June 22, 2020

Abstract

Diffusion Magnetic Resonance Imaging (MRI) plays a very important role in studying biological tissue cellular structure and functioning both in health and disease. Proper interpretation of experimental data requires the development of theoretical models that connect the diffusion MRI signal to salient features of tissue microstructure at the cellular level. In this short review, we present some theoretical approaches to describing diffusion-attenuated magnetic resonance signals. These range from the models based on statistical properties of water molecules diffusing in the tissue-cellular environment, to models allowing exact analytical calculation of the magnetic resonance signal in a specific single-compartment environment. Such theoretical analysis gives important insights into mechanisms contributing to the formation of diffusion magnetic resonance signal and its connection to biological tissue cellular structure.

Анотація

Дифузійна магнітно-резонансна томографія (МРТ) відіграє дуже важливу роль у вивченні клітинної структури біологічних тканин та їх функціонування як у нормальному стані, так і при захворюваннях. Коректна інтерпретація експериментальних даних вимагає розробки теоретичних моделей, які пов’язують дифузний МРT сигнал з характерними особливостями мікроструктури тканини на клітинному рівні. У статті представлено деякі теоретичні підходи щодо опису магнітно-резонансних сигналів. Цей діапазон підходів змінюється від моделей, що засновані на розгляді статистичних властивостей молекул води, які дифундують у тканинно-клітинному середовищі, та до моделей, які дозволяють проводити точний аналітичний розрахунок магнітно-резонансного сигналу у конкретному однокамерному середовищі. Такий теоретичний аналіз дає важливу інформацію про механізми, що сприяють формуванню дифузного магнітно-резонансного сигналу та його зв’язку з клітинною структурою біологічної тканини.

Key words: magnetic resonance, Gaussian phase approximation, multiple propagator approach.