Dynamische 31P MR Spektroskopie: Vergleich von verschiedenen Ergometern, magnetischen Feldstärken und Lokalisierungsmethoden

Abstract

Dynamische Phosphor-Magnetresonanzspektroskopie (31P-MRS) mit hoher zeitlicher Auflösung erlaubt einen nicht-invasiven Einblick in die mitochondriale Kapazität von Skelettmuskeln in vivo durch Messung der Regeneration von Phosphokreatin (PCr) nach Muskelbetätigung. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist der Vergleich verschiedener Parameter, die möglicherweise einen Einfluss auf die mit 31P-MRS gemessenen Ergebnisse von Muskelmetabolismus haben. Zu diesem Zweck wurden drei unabhängige Studien an zwei MR-Forschungsstandorten durchgeführt. Die erste Studie befasst sich mit der Auswirkung von Ergometerart, Spulendurchmesser und magnetischer Feldstärke innerhalb derselben Probandengruppe. Es wurden Messungen des Wadenmuskels mit drei verschiedenen Muskelbelastungen an elf Probanden in einem 3T MR-System mit einem selbstgebauten mechanischen Ergometer und in einem 3T und 7T MR-System mit einem kommerziellen pneumatischen Ergometer durchgeführt. Höhere Magnetfeldstärke verbessert die Datenqualität (größeres SNR, bessere Fitting-Genauigkeit) und daher die Zuverlässigkeit, dennoch wurden keine signifikanten Unterschiede in den metabolischen Parametern zwischen den Magnetfeldstärken festgestellt. Bei dem Vergleich zwischen den Instituten wurden signifikante Unterschiede in der PCr-Konzentration in Ruhe und im Abbau von PCr gefunden. Dies führt zu einem signifikanten Unterschied in mitochondrialer Kapazität (Qmax) bei niedriger Muskelbelastung. Aus dieser Studie kann geschlussfolgert werden, dass metabolische Parameter gemessen mit 31P-MRS nicht von der Magnetfeldstärke abhängen. Jedoch ist es für den Vergleich von Daten, die mit verschiedenen Ergometern aufgenommen wurden, wichtig, gleiche Muskelbelastung und gleiches Mess- und Auswertungsprotokoll zu verwenden. Dies gilt besonders bei der Untersuchung von Ergebnissen mit sehr niedriger Muskelbelastung. Die zweite Studie widmet sich der Bewertung von DRESS (depth resolved surface coil MRS) bei 7T als eine Lokalisierungsmethode für dynamische 31P-MRS, die nicht echo-basiert ist. Es wurden zwei dynamische Messungen von Plantarflexionen (eine nicht örtliche und eine mit schief über Gastrocnemius Medialis positionierten DRESS-Streifen lokalisierte Messung) bei vierzehn Probanden mit 25% der maximal erreichbaren Kontraktion durchgeführt. Signifikante Unterschiede in den metabolischen Parametern zwischen nicht-lokalisierten und DRESS-lokalisierten Daten wurden gefunden. Eine Aufspaltung des Phosphatsignals (Pi) wurde in mehreren nichtlokalisierten Datensätzen beobachtet, jedoch in keinen der DRESS-lokalisierten Datensätzen. Schlussendlich erbringt die DRESS-Lokalisierungsmethode eine gute örtliche Markierung und liefert muskelspezifischen Einblick in den oxidativen Metabolismus sogar bei relativ niedriger Muskelbelastung. Die dritte Studie visiert den Vergleich von Lokalisierung durch ein Volumenselement (Voxel) durch -slice selective localization by adiabatic selective refocusing- (semi-LASER) mit DRESS und Oberflächenspulenlokalisierung an. Fünf Probanden führten drei dynamische Messungen von Plantarflexion, je eine pro Lokalisierungsmethode, mit der gleichen Muskelbelastung durch. Das Signal von Gastrocnemius Medialis erhalten durch DRESS- und semi-LASER-Lokalisierung zeigt einen größeren Abbau von PCr und einen Trend zu kleineren und kleineren pH am Ende der Muskelbetätigung im Vergleich zur nicht-lokalisierten Erfassung. Aufgrund der relativ langen Echozeit von semi-LASER ist die Quantifizierung von J-gekoppelten Spinsystem (z.B. ATP) begrenzt und daher eine Berechnung von Qmax nicht möglich. Die Ergebnisse empfehlen eine bevorzugte Anwendung von semi-LASER bei dem Bedarf von hoher anatomischer und physiologischer Spezifität, DRESS hat jedoch den Vorteil von möglicher Qmax-Berechnung.

Dynamic phosphorus magnetic resonance spectroscopy (31P-MRS) with high temporal resolution enables, through measurement of phosphocreatine (PCr) recovery after exercise, a noninvasive evaluation of mitochondrial capacity of the skeletal muscle in vivo. The aim of this master thesis is the comparison of different parameters that can possibly influence the results of 31P-MRS investigation on muscle metabolism. To this end, three independent studies were performed at two MR sites. First study deals with the impact of ergometer type, coil diameter and magnetic field strength within the same group of subjects. Measurements of the calf muscle exercise in eleven subjects on a 3T MR system with home-made mechanical ergometer and on 3T and 7T MR systems equipped with commercial pneumatic ergometer were performed at three different workloads. Higher magnetic field strength improves the data quality (higher SNR, better fitting accuracy), increasing reliability, but no significant differences were found in the metabolic parameters between magnetic field strengths. In the inter-institution comparison, significant differences were found in the concentration of PCr measured at rest and in the depletion of PCr causing significant difference in mitochondrial capacity (Qmax) at low workload. From this study it can be concluded that metabolic parameters measured by dynamic 31P-MRS do not depend upon used magnetic field strength. However, same workload and same protocols for measurement and evaluation are important for comparison of data acquired with different ergometers, especially when effects of very mild exercise are examined. Second study is dedicated to evaluate the depth resolved surface coil MRS (DRESS) as a non-echo based localization method for dynamic 31P-MRS at 7T. Two dynamic examinations of plantar flexions at 25% of maximal voluntary contraction, one without spatial localization and one with the DRESS slap positioned obliquely over the gastrocnemius medialis, were conducted in fourteen volunteers. Significant differences in metabolic parameters were found between the non-localized and DRESS localized data. Splitting of the inorganic phosphate (Pi) signal was observed in several non-localized data sets consisting of a mixture of signals from several muscles, but in none of the DRESS-localized data sets. In conclusion, the DRESS localization scheme yields good spatial selection and provides muscle specific insight into oxidative metabolism even at relatively low exercise load. Third study targeted on the comparison of single voxel localization through slice selective localization by adiabatic selective refocusing (semi-LASER), with DRESS and surface coil localization. Five volunteers performed three dynamic examinations on plantar flexions, one with each localization method, at the same workload. Signal from gastrocnemius medialis acquired by DRESS and semi-LASER localization shows a higher PCr depletion, a trend towards lower tau and lower pH at the end of exercise in comparison to non-localized acquisition. Since the relatively long echo time needed for semi-LASER limits the quantification of J-coupled spin systems (e.g., ATP), a calculation of Qmax is not possible. The results suggest a favored application of semi-LASER than DRESS when higher anatomical and physiological specifity is needed with the advantage of DRESS in calculation of Qmax.