Single-Voxel 1H-Magnetresonanz-Spektroskopie des menschlichen Gehirns mit zweidimensional ortsselektiven Hochfrequenz-Anregungen
Final Report Abstract
Die Magnetresonanz-Spektroskopie hat sich aufgrund ihrer Fähigkeit, Stoffwechselprodukte im lebenden Organismus nicht-invasiv und räumlich lokalisiert untersuchen zu können, zu einem wichtigen Werkzeug in der klinischen Forschung und Diagnostik entwickelt. Am häufigsten werden single voxel-Verfahren verwendet, die das Signal in einem quaderförmigen Volumen messen. Da die zu untersuchenden anatomischen oder pathologischen Strukturen meist eine abweichende Form aufweisen, ist die Abdeckung oft unvollständig oder es kommt zu unerwünschten Signalbeiträgen aus benachbartem Gewebe (Partialvolumeneffekte). Dadurch wird die Bewertung der Daten erschwert, Pathologien können unerkannt bleiben oder Normalbefunde nicht sicher erkannt werden. Mit zweidimensional ortsselektiven Hochfrequenz-Anregungen können in einer Ebene jedoch beliebige Formen angeregt werden, so dass ein anatomisch angepasstes Zielvolumen verwendet werden kann und diese Probleme vermindert oder vermieden werden können. Um die in der Magnetresonanz-Spektroskopie oft benötigten kurzen Echozeiten zu erhalten, können die Anregungen zerlegt (segmentiert) werden, so dass erst über mehrere Messungen, die zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ohnehin erforderlich sind, das gewünschte Untersuchungsvolumen definiert wird. Entsprechende Hochfrequenz-Anregungen wurden im Rahmen des Projektes unter Verwendung verschiedener Gradientenschaltungen (Trajektorien) und Segmentierungs-Strategien entwickelt, implementiert, optimiert und für der Magnetresonanz-Spektroskopie des menschlichen Gehirns eingesetzt. Insbesondere ist die Arbeitsgruppe die erste und bisher einzige, die Single-Voxel-Spektren beliebig geformter Zielregionen im Menschen vorgelegt hat. Im wesentlichen wurden zwei erfolgversprechende Ansätze identifiziert. Zum einen wurde eine sog. blipped-planare Trajektorie eingesetzt, bei der pro Segment lediglich eine Linie abgetastet wird. Dieser Ansatz ist sehr unempfindlich gegen Frequenz-Verschiebungsartefakte und die Pulsdauern der einzelnen Segmente liegen im Bereich konventioneller schichtselektiver Anregungen. Er ist daher sehr robust, weist jedoch einen Signalverlust auf, der allerdings bei Verwendung der entwickelten gewichteten Abtastung mit Kippwinkel-Anpassung weitgehend kompensiert werden kann. Zum anderen wurden zweidimensional ortsselektive Anregungen basierend auf einer sog. PROPEL-LER-Trajektorie entwickelt. Durch die Verwendung von Half-Fourier-Segmenten und nicht-selektiven Refokussierungspulsen zwischen den Linien eines Segments können trotz der relativ langen Pulsdauern typische Echozeiten und eine für Anwendungen in der 1H-Spektroskopie ausreichende Puls-Bandbreite erreicht werden. Beide Ansätze bieten spezifische Vorteile und es kann von der Feldstärke und der Fragestellung abhängen, welche Methode günstiger ist. Für die PROPELLER-Trajektorie können deutlich kürzere Echozeiten erreicht werden und die Signalamplitude ist höher, dafür sind die Hochfrequenz-Pulse deutlich länger und es sind zusätzliche nicht-selektive Refokussierungspulse erforderlich, um die benötigte Bandbreite zu erhalten. Insbesondere bei höheren Feldstärken (7T) und den dabei in vivo auftretenden B1-Inhomogenitäten kann dies nachteilig sein. Für die 1H-Spektroskopie bei 3T erscheint die PROPELLER-Trajektorie jedoch nach unserer Erfahrung gegenwärtig die Methode der Wahl zu sein. Insbesondere konnte bei einem Vergleich mit der konventionellen Lokalisierung in einer Gruppe gesunder Probanden gezeigt werden, dass durch die mit Verwendung von zweidimensional ortsselektiven Anregungen und anatomisch angepassten Zielvolumen (i) die Signal-Amplitude und das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht wird und (ii) die Reproduzierbarkeit der bestimmten Metabolit-Konzentrationen verbessert wird. Damit wurden im Rahmen des Projektes wesentliche Beitraöge zur Verminderung von Partialvolumeneffekten und Verbesserung der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Single-Voxel-Spektroskopie geleistet, von denen Anwendungen in der biomedizinischen Forschung am Menschen und die klinische Diagnostik profitieren können.
Publications
- Short-Echo-Time MR Spectroscopy of Single-Voxel with Arbitrary Shape in the Living Human Brain Using Segmented 2D-Selective RF Excitations Based on a Blipped-Planar Trajectory. Magn. Reson. Imaging 27, 664–71 (2009)
Weber-Fahr W, Busch MG, Finsterbusch J
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mri.2008.10.004) - Segmented 2D-Selective RF Excitations with Weighted Averaging and Flip Angle Adaptation for MR Spectroscopy of Irregularly Shaped Voxel Magn. Reson. Med. 66, 333–340 (2011)
Finsterbusch J, Busch MG
(See online at https://doi.org/10.1002/mrm.22806) - Spatially 2D-Selective RF Excitations Using the PROPELLER Trajectory: Basic Principles and Application to MR Spectroscopy of Irregularly Shaped Single Voxel. Magn. Reson. Med. 2011:66;1218–1225
Busch MG, Finsterbusch J
(See online at https://doi.org/10.1002/mrm.22903) - Hadamard-Encoding Combined With Two-Dimensional-Selective Radiofrequency Excitations for Flexible and Efficient Acquisitions of Multiple Voxels in MR Spectroscopy. J. Magn. Reson. Imaging 2012:35;976-983
Busch MG, Finsterbusch J
(See online at https://doi.org/10.1002/jmri.23521) - Improving the Performance of Diffusion-Weighted Inner Field-of-View Echo- Planar Imaging Based on 2D-Selective Radiofrequency Excitations by Tilting the Excitation Plane. J. Magn. Reson. Imaging 2012:35;984-992
Finsterbusch J
(See online at https://doi.org/10.1002/jmri.23522)
