Zeitz, D. (2022). Stability of dynamic 1H-observed deuterium metabolic imaging in a 3T MR scanner [Diploma Thesis, Technische Universität Wien; Medizinische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2022.97142
In this thesis, the stability of a magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) sequence in a 3 Tesla (T) magnetic resonance (MR) scanner was evaluated. The importance of the stability of the MRSI sequence comes from its application in a novel dynamic imaging method using deuterium (2H)-labeled metabolites in hydrogen (1H) magnetic resonance spectroscopy(MRS). Due to long scanning times, one of the main requirements for the implementation of this dynamic method, in particular with field strengths of 3T, is a very high spatial and temporal stability of the underlying MRSI measurement sequence. The measurements were made at the High Field Magnetic Resonance Centre of the Medical University of Vienna in a 3T MR scanner. An MRSI sequence combined with concentric ring trajectory spatial encoding was used to obtain concentration maps of different metabolites. In a first run, 5 subjects were repeateadly scanned in a measurement session with the same MRSI sequence in order to evaluate its stability. The consistency of the results was mainly quantified with the coefficient of variation (CV). The metabolites, whose concentrations were taken for the analysis, are NAA+NAAG (tNAA) as a constant reference signal and Glutamine (Gln) and Glutamate (Glu) because of their role in the glucose metabolism in the brain. Then, 5 subjects were given a deuterated [6,6’-2H2]-glucose substrate which was quickly metabolized in the brain. The 2H nuclei in glucose are passed on to the metabolic follow-up products, namely to Gln and Glu which are combined as Glx. While 2H nuclei cannot be detected directly via 1H-MRS, the drop in 1H-MRS detectable signal, when a 1H nucleus in Glx is replaced by a 2H nucleus, can be detected as an indirect measure. The 2H-labeled group in Glx is called Glx4, and its decay was then quantified using a linear fit function. Assuming constant concentrations in the reference measurements, the CV for Glx4/Glx/tNAA is 4.5/3.9/3.1% averaged over the full volume of interest. After ingestion of the deuterated glucose substrate, a clear decline of Glx4 concentrations was observed in all subjects, with the concentration decrease after an hour being on average 10.13% in White Matter (WM) and 14.18% in Grey Matter (GM). Thus concentration decay of 2H-labeled Glx as well as a contrast between WM and GM was clearly distinguishable throughout the brain. Further, a simulated Lactate signal with constant and with decaying signal strength could be identified. This should probe the MRSI sequences ability of distinguishing between oxidative and non-oxidative glucose metabolism in the brain. Given these results, the stability of the 3D-FID-MRSI sequence is sufficient for the application in dynamic DMI with 1H-MRS in a 3T scanner.
en
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Stabilität einer bildgebenden Magnetresonanzspektroskopie (MRSI) Messsequenz in einem 3T MRT bewertet. Die Relevanz der Stabilität dieser Sequenz kommt von ihrer Anwendung im Rahmen von Deuterium Metabolic Imaging (DMI), einer dynamischen Methode, welche den Glukose Metabolismus im Gehirn lokalisieren und quantifizieren kann. Eine der Grundvoraussetzungen für DMI ist eine hohe zeitliche und räumliche Stabilität, da die Dauer der Messsequenz relativ lange ist. Die Messungen fanden in einem 3T MRT (Siemens Healthcare) am Hochfeldmagnetresonanzzentrum der Medizinischen Universität Wien statt. Die MRSI Sequenz in Kombination mit räumlicher Kodierung durch konzentrische Ringtrajektorien ermöglicht die 3D Darstellung von Konzentrationen einzelner Stoffwechselprodukte im Gehirn. Dabei wurden die Konzentrationen von NAA+NAAG (tNAA) als Referenzsignal mit konstanter Konzentration in allen Bereichen des Gehirns, sowie Glutamin + Glutamat, zusammengefasst zu Glx, analysiert. Zuerst wurde die Messsequenz an 5 gesunden Probanden mehrmals hintereinander angewandt, wobei die Reproduzierbarkeit der gemessenen Daten mit der Zeit evaluiert werden konnte. Die normale Fluktuation der Messdaten bei einer konstanten Konzentration wurde mithilfe des Variationskoeffizienten quantifiziert. Anschließend wurde für DMI ein deuteriertes Glukosepräparat verabreicht, welches rasch im Gehirn verstoffwechselt wird. Die Deuteriumkerne werden im Verlauf des Glukosestoffwechsels an Glx übertragen, da die chemischen Reaktionen durch die Präsenz von Deuterium nicht beeinflusst werden. Die Deuteriumkerne ersetzen die Wasserstoffkerne in der Glx4-Gruppe, wodurch die Resonanzfrequenz von Glx4 verändert wird. Jedoch kann mit Wasserstoff(1H)-Magnetresonanzspektroskopie (MRS) kein Deuterium(2H) detektiert werden. Da mit der Zeit mehr deuterierte Glukose zu Glx verstoffwechselt wird, wird mit der Zeit das Resonanzsignal der deuterierten Gruppe in Glx, also Glx4, in 1H-MRS schwächer. Diese Abnahme mit der Zeit kann dann mithilfe einer linearen Funktion quantifiziert werden. In den Referenzmessungen wurde der Variationskoeffizient für Glx4/Glx/tNAA gemittelt über das ganze Volumen bestimmt, und beträgt 4.54/3.92/3.13%. Nach Einnahme des deuterierten Glukose Präparats konnte eine deutliche Abnahme der gemessenen Glx4 Konzentrationen über die Dauer der Messungen beobachtet werden. Die Abnahme gegenüber den Startkonzentrationen ist im Mittel aller Probanden nach einer Stunde 10.13% in WM und 14.18% in GM. Zudem konnte ein simuliertes Laktat Signal quantifiziert und bildgebend dargestellt werden. Dabei wurden sowohl eine konstante, als auch eine abnehmende Laktatkonzentration simuliert. Dies sollte die Fähigkeit der Messsequenz, zwischen oxidativem und nicht oxidativem Glukose Stoffwechsel im Gehirn zu unterscheiden, beurteilen. Anhand der Ergebnisse kann man sagen, dass die Stabilität der Sequenz ausreicht, um in 3T für dynamisches DMI implementiert zu werden, da eine klare Abnahme der Glx4 Konzentrationen sowie ein Kontrast zwischen WM und GM erkennbar war.
de
Additional information:
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers