Dynamic 3D Relaxation Time Mapping of Deuterium (2H) Labeled Resonances in the Human Brain at 7T

Abstract

Viele Erkrankungen des menschlichen Gehirns wie z.B. Krebs, neurodegenerative Pathologien oder Diabetes sind durch eine Störung des Glukosestoffwechsels gekennzeichnet. Deuterium metabolic imaging (DMI) ist eine vielversprechende Methode der Magnetresonanzbildgebung, welche nicht-invasiven Einblick in dynamische Prozesse des intrazellulären Glukosestoffwechsels ermöglicht. Für präzisere Konzentrationsabschätzungen wären gewebespezifische Relaxationszeiten von entscheidener Bedeutung. Bisher wurden jedoch ausschließlich unlokalisierte Relaxationszeiten von deuterierten Substanzen publiziert. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Erfassung gewebespezifischer Relaxationszeiten von deuterierten Substanzen (Glukose, Glutamat+Glutamin) im gesunden menschlichen Gehirn. Zu diesem Zweck wurden Inversion-Recovery und Hahn-Spin-Echo Akquisitionsmethoden in eine existierende 3D free induction decay Magnetresonanzspektroskopie-bildgebungssequenz implementiert. Die Funktionialität der entwickelten Pulssequenz wurde anhand von in vitro Messungen an einem Wasserphantom validiert. Anschließend wurde das Gehirn acht gesunder Probanden, unmittelbar nach oraler Verabreichung von deuterierter Glukose untersucht. Relaxationszeiten in grauer und weißer Substanz von Glc(T1GM = 56 ± 14 ms; T1WM = 60 ± 19 ms; T2GM = 37 ± 1 ms; T2WM = 36 ± 2 ms) und Glx (T1GM = 167 ± 22 ms; T1WM = 173 ± 12 ms; T2GM = 36 ± 1 ms; T2WM = 34 ± 1 ms) waren nicht signifikant unterschiedlich. Um gewebespezifische Relaxationszeiten von Wasser zu messen, wurde zusätzlich ein Proband ohne Verabreichung von deuterierter Glukose gemessen (T1GM = 352 ± 15 ms; T2GM = 36 ± 1 ms; T1WM = 311 ± 13 ms; T2WM = 31 ± 1 ms). Die entwickelte Pulssequenz kann prinzipiell auf beliebig andere Kerne angewendet werden, wie z.B. 1H oder 31P. Dies könnte die Spezifität zur Erkennung kleiner lokaler Änderungen von Relaxationszeiten verbessern, wie sie häufig bei bestimmten Pathologien beobachtet werden, und letztendlich die Genauigkeit der Konzentrationsabschätzung in zukünftigen Studien verbessern.

Impaired glucose metabolism plays an important role in many common brain diseases such as cancer, neurodegenerative diseases or diabetes. Deuterium metabolic imaging (DMI) is an emerging Magnetic Resonance technique to non-invasively map the cellular glucose uptake and downstream metabolism. For a reliable concentration estimation, tissue-specific relaxation times are essential, yet only unlocalized relaxation time constants of deuterium labeled resonances are reported. The aim of this thesis was to measure tissue-specific longitudinal and transversal relaxation times of deuterated resonances (glucose, glutamate+glutamine) in the healthy human brain after oral administration of deuterium labeled glucose. Hence, Inversion recovery and Hahn spin-echo acquisition schemes were implemented into a 3D free induction decay Magnetic Resonance spectroscopic imaging sequence featuring a fast non-Cartesian concentric ring trajectory readout. Following validation of the sequence in vitro using a water phantom, eight healthy volunteers were measured after oral administration of deuterated glucose. Tissue-specific T1 and T2 relaxation time constants of Glc (T1GM = 56 ± 14 ms; TWM =60 ± 19 ms; TGM = 37 ± 1 ms; T2WM = 36 ± 2 ms) and Glx (T1GM = 167 ± 22 ms; T1WM = 173 ± 12 ms; T2GM = 36 ± 1 ms; T2WM = 34 ± 1 ms) were not significantly different between GM and WM. One volunteer was additionally remeasured without glucose administration to determine relaxation times of the natural abundance water (T1GM = 352 ± 15 ms; T2GM = 36 ± 1 ms; T1WM = 311 ± 13 ms; T2WM = 31 ± 1 ms). The developed sequence can be in principle applied to other nuclei e.g., 1H or 31P MRSI, potentially improving the specificity to detect small local variations in relaxation times, as often observed for certain pathologies and ultimately improve the accuracy of concentration estimation in future studies.