Quantifizierung von Lebermetaboliten mittels lokalisierter 1H MR-Spektroskopie

Diplomarbeit von Michael Stanka

Einleitung:

Mit der in vivo-Magnet-Resonanz-Spektroskopie steht ein nicht-invasives, chemisch-analytisches Verfahren zur Verfügung, das Informationen über Stoffwechselvorgänge und pathologische Veränderungen im menschlichen Körper geben kann. Mit der 1H-MR-Spektroskopie kann man die Resonanzen der 1H-Kerne verschiedener Metabolite unterscheiden, während in der Bildgebung nur die Resonanz der 1H-Kerne des Wassers genutzt wird. Durch Single-Voxel- (z.B. Stimulated Echo Aquisition Mode, STEAM) und Multi-Voxel-Sequenzen (z.B. Chemical Shift Imaging, CSI) ist es darüber hinaus möglich, Signale aus einem oder mehreren Volumenelementen zu erhalten, deren Ort und Größe genau vorgegeben werden kann, um somit Aussagen über die Stoffwechselvorgänge lokal begrenzter Gebiete zu gewinnen.

Eine quantitative Aussage über die relativen Konzentrationsverhältnisse ist nur unter Kenntnis der Spin-Gitter-Relaxationszeiten und der Spin-Spin-Relaxationszeiten möglich, da diese für verschiedene Metabolite unterschiedlich sein können, und man somit trotz gleicher Konzentration unterschiedlich große Signalintensitäten erhält. Zur Bestimmung der absoluten molaren Konzentrationen der verschiedenen Metabolite ist, neben den Relaxationszeiten, die Kenntnis des Sende- und Empfangsprofils der verwendeten Spule erforderlich. Dabei haben Oberflächenspulen, im Gegensatz zu Sattel- und Helmholtzspulen, stark inhomogene Profile, die eine Quantifizierung erschweren. Probleme können zusätzlich durch Bewegungen der untersuchten Organe, z.B. in der Leber, entstehen. Bisher ist bei vielen Erkrankungen des Lebergewebes, wie z.B. der Leberzirrhose, eine exakte Diagnosestellung nur durch histologische Untersuchungen von Leberbiopsien möglich. Die NMR-Spektroskopie kann als ein nicht invasives Verfahren bei geeigneten Voraussetztungen quantitative Aussagen über Stoffwechselvorgänge im Lebergewebe liefern und somit die Zahl der Biopsien, die aufgrund von möglichen Komplikationen, wie z.B. Blutungen, für den Patienten nicht risikolos sind, reduzieren.

In dieser Diplomarbeit, im Rahmen der interdisziplinären Zusammenarbeit der Institute für Kernphysik und Klinische Radiologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, sollten die Grundlagen geschaffen werden, um eine ortsunabhängige Quantifizierung von Metaboliten im Lebergewebe mit einer Oberflächenspule mittels der in vivo-1H MR-Spektroskopie durchführen zu können.

Gang der Untersuchung:

Der experimentelle Teil dieser Arbeit gliedert sich in folgende Abschnitte:

1.) Überprüfung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Relaxationszeitmessungen mit der verwendeten Meßsequenz anhand von Konzentrationsreihen paramagnetischer Manganchloridlösungen und Bestätigung dieser Ergebnisse mit einem zweiten Verfahren, das zur Ermittlung der Relaxationszeiten die MR-Bildgebung zur Grundlage hat.

2.) Entwicklung eines Verfahrens mit dem das inhomogene Empfangsprofil der verwendeten Oberflächenspule experimentell ermittelt werden kann. Mit Kenntnis des Empfangsprofils ist es möglich einen Faktor zu bestimmen, der dann eine Korrektur der Signale aus Untersuchungsobjekt und externem Standard zuläßt. Zur quantitativen Auswertung der Spektren sollte ein Programm geschrieben werden, daß den Positionskorrekturfaktor nach Eingabe des Meßortes angibt.

3.) Erstellung eines Meßprotokolls zur Quantifizierung und Relaxationszeitbestimmung der Metabolite im Lebergewebe und Messungen an Probanden und in einer ersten klinischen Studie an Patienten, um die Anwendbarkeit dieses Verfahrens zu demonstrieren.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Grundlagen der NMR	3
2.1	Quantenmechanische Grundlagen	3
2.2	Klassische Beschreibung	5
2.3	Relaxation	6
2.3.1	Spin-Gitter-Relaxation	7
2.3.2	Spin-Spin-Relaxation	7
2.4	Wechselwirkungen im Molekül	8
2.4.1	Chemische Verschiebung	8
2.4.2	Skalare Kopplung	9
2.5	FT-NMR	10
2.5.1	Anregung durch HF-Pulse	11
2.5.2	Digitale Signalverarbeitung	12
3.	Material und Methoden	13
3.1	Aufbau des MR-Tomographen	13
3.2	Lokalisierte NMR	15
3.2.1	Bildgebung	15
3.2.2	Volumenselektive Spektroskopie	18
3.2.2.1	Bi-Techniken	19
3.2.2.2	Bo-Techniken	19
3.3	Techniken zur Bestimmung der Relaxationszeiten	24
3.3.1	Relaxationszeitmessung mittels MR-Bildgebung	25
3.3.2	Relaxationszeitmessung mittels NMR-Spektroskopie	27
3.3.3	Relaxationszeitmessung an Phantomen	29
3.3.4	Relaxationszeitmessungen im Lebergewebe	31
3.4	Quantitative NMR-Spektroskopie	32
3.4.1	Quantifizierungsstrategien	32
3.4.1.1	Adiabatische Pulse	32
3.4.1.2	Quantifizierung mittels internem Standard	34
3.4.1.3	Quantifizierung mittels Beladungsphantom	35
3.4.1.4	Quantifizierung mittels Positionskorrekturfaktor	36
3.4.2	Quantifizierung mittels externem Standard und Positionskorrekturfaktor	37
3.4.2.1	Bestimmung des Positionskorrekturfaktors	38
3.4.2.2	Überprüfung des Positionskorrekturfaktors	46
3.5	Untersuchungsprotokoll der in vivo Messungen	47
3.6	Probanden- und Patientenkollektiv	48
4.	Ergebnisse und Diskussion	50
4.1	In vitro Messungen	50
4.1.1	Ti -Messungen an Phantomen	50
4.1.2	T2-Messungen an Phantomen	55
4.1.3	Messungen zur Überprüfung des Positionskorrekturfaktors	59
4.2	In -Wo Messungen	61
4.2.1	Ti -Messungen im Lebergewebe	61
4.2.2	T2-Messungen im Lebergewebe	62
4.2.3	Charakterisierung des Lebermetabolismus mittels 1H lokalisierter STEAM-Spektroskopie	64
5.	Zusammenfassung und Ausblick	71
6.	Literaturverzeichnis	73
7.	Abkürzungsverzeichnis	77
8.	Anhang	79
9.	Danksagung	83