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Ortsaufgelöste Metabolitenbestimmung im Gehirn

Besonders interessant für:

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Körpereigene Stoffe im Gehirn, sogenannte Metaboliten, spielen etwa bei neurologischen Erkrankungen eine Rolle. Ihre Konzentration und ihr Ort im Gehirn lassen sich jetzt genauer bestimmen, indem die sogenannte SPECIALMagnetresonanz-Spektroskopie(MRS)Methode mit der spektroskopischen Bildgebung bei 3 Tesla kombiniert wird. Bei Untersuchungen an Probanden mit dem klinischen MR-Tomografen der PTB konnte die Konzentration von bis zu 14 verschiedenen Metaboliten ortsgenau bestimmt werden. Es war der erste Einsatz der SPECIAL-Methode für die spektroskopische Bildgebung auf einem klinischen Scanner.

Voxelanordnung für MRSI (links) und zugehörige Spektren (Mitte) aus dem parietalen Gehirn-lappen eines Probanden, die mit der SPECIAL-MRSI-Sequenz aufgenommen wurden. Rechts: Beispielspektrum von einem hauptsächlich aus weißer Substanz (WM) bestehenden Voxel. Die spektralen Linien repräsentieren Metaboliten, ihre Amplituden deren Konzentrationen. Die gerin-gen Linienbreiten und die definierten spektralen Linien spiegeln eine hohe Datenqualität wider.

Die Magnetresonanztomografie (MRT) nutzt den Kernspin der Wasserprotonen, die im Organismus in großen Mengen vorhanden sind, um Abbildungen von Geweben mit hoher Auflösung zu erzielen. Durch geschickte Auswahl der Parameter der sogenannten MR-Messsequenzen ist es jedoch auch möglich, biochemische Substanzen aufgrund der in ihnen gebundenen Protonen zu unterscheiden und sogar ortsaufgelöst zu quantifizieren. Diese Messtechnik, die MR-Spektroskopie (MRS), wird zum Beispiel eingesetzt, um quantitative Informationen über Metaboliten im menschlichen Gehirn, etwa Neurotransmitter und Aminosäuren, zu erhalten. Sie profitiert von den zunehmend verwendeten hohen und ultrahohen Magnetfeldstärken (≥ 3 Tesla). Da allerdings wegen der niedrigen Konzentrationen der Metaboliten die Signalstärken bei der MRS bis zu 10 000-mal geringer sind als bei der MRT, sind die Anforderungen an die spektrale Auflösung und die Signalqualität der Messverfahren für die Quantifizierung von Metaboliten außerordentlich hoch.

Eine neue Methode, die diese Kriterien erfüllt, ist die sogenannte spin echo full intensity acquired localized (SPECIAL)Technik, mit der MRS-Signale relativ empfindlich gemessen werden können. Dass sie genaue Daten über Metaboliten in einzelnen Volumenelementen (Voxeln) des Gehirns liefern kann, hat sich bereits in Studien mit MR-Scannern bei den Feld-stärken 3 T und 7 T gezeigt. Für viele Anwendungen benötigt man aber Daten aus mehreren Voxeln, etwa um die Verteilung von Metaboliten in größeren Gehirnarealen zu erhalten.

Am 3-Tesla-Tomografen der PTB wurden nun die kurzen Echozeiten der SPECIAL-Methode mit der Ortsselektion der magnetresonanzspektroskopischen Bildgebung (MRSI) kombiniert. Mit dieser Kombination wurde es möglich, verschiedene Metaboliten in mehreren Voxeln einer frei selektierbaren Hirnregion nachzuweisen. Bei gesunden Probanden wurden mit einer Echozeit von 6,6 Millisekunden artefaktfreie Spektren mit hohem SignalRausch-Verhältnis aufgenommen. Daraus konnten die Konzentrationen von acht Metaboliten verlässlich in allen Voxeln bestimmt werden; für einzelne Voxel wurden sogar 14 Metaboliten zuverlässig quantifiziert. Der breiten klinischen Anwendung steht allerdings noch die lange Messdauer (34 Minuten für einen spektralen Datensatz) entgegen, an deren Verringerung zurzeit gearbeitet wird.

Ansprechpartner:

Ralf Mekle
Fachbereich 8.1 Medizinische
Messtechnik
Tel. (030) 3481-7767
E-Mail: ralf.mekle(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Mekle, R.; Mlynarik, V.; Walaszek, B.; Gruetter, R.; Ittermann, B.; Schubert, F.: 1H SPECIAL-MRSI at Ultra-Short TE: Improved Metabolite Detection for Multiple Voxels in Human Brain at 3T. Proc. 19 ISMRM, Montreal, Canada, 7.–13.5.2011, Abstract 3422