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In-vivo-MRT

Arbeitsgruppe 8.12

In-vivo-MR-Spektroskopie

Die 1H-MR-Spektroskopie in vivo zielt auf die quantitative, nichtinvasive Konzentrationsbestimmung von Metaboliten im Gehirn. Dafür werden am 3-Tesla-Tomographen Messverfahren entwickelt, die es erlauben, MR-Spektren mit hoher spektraler Auflösung, genauer Ortsselektion und hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis in möglichst kurzer Untersuchungszeit zu gewinnen. Neben der Optimierung konventioneller Verfahren werden neue Methoden entwickelt, die bisher nicht zugängliche Analyte messbar machen. Dabei werden auch die Vorteile des höheren Signal-Rausch-Verhältnisses und der verbesserten spektralen Auflösung bei 7 Tesla genutzt.

3-T-PRESS-Spektren bei 30 ms und 80 ms Echozeit Metabolitbestimmung mit SPECIAL (SPin ECho full Intensity Acquired Localized): Spektrum (Orig) aus dem anterioren Cingulum und Fitergebnisse für 13 Metaboliten

 

Gemeinsam mit der AG Messdatenanalyse und Messunsicherheit (8.42) wird an neuen Verfahren zur Spektrenauswertung gearbeitet, die eine Quantifizierung der Metabolitkonzentrationen in mmol pro Liter oder kg Gewebe mit geringer Messunsicherheit ermöglichen.

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Arbeitsgebiete

  • Entwicklung und Optimierung von Pulssequenzen für die MR-Spektroskopie; spezielle Sequenzen zum Nachweis gekoppelter Resonanzen; Nutzung der 8-Kanal-Sendetechnik für die MRS in beliebig geformten Voxeln zur Erhöhung der anatomischen Selektivität

  • Anwendung von Phased-Array-Oberflächenspulen zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Verbesserung der Lokalisation; neue Spulen für X-Kerne, z. B. 31P und 7Li

  • verbesserte Verfahren zur Spektrenauswertung mit komplexer Untergrundbehandlung und Messunsicherheitsbudget; Quantifizierung von Metabolitkonzentrationen

  • Erprobung, Validierung und Applikation neuer Messverfahren der statischen und funktionellen MRS im Rahmen von Studien an Probanden und Patienten mit klinischen Partnern

  • MRS am 7-T-Humanscanner des Opens external link in new windowB.U.F.F. in Berlin-Buch

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Beispiele

  • Implementierung der funktionellen MRS bei 7 Tesla: Nachweis der metabolischen Antwort auf ein alternierendes visuelles Paradigma.


    Alternierende Stimulation der visuellen Hemifelder führt zum Absinken von gamma-Aminobuttersäure (GABA) und Anstieg von Lactat im aktivierten Voxel. Die Messungen wurden mit einer selbstentwickelten Zweikanal-Sende-Empfangsspule für den occipitalen Kortex durchgeführt.

  • Neurochemisches profiling bei 7 Tesla: MRS bei seltenen zerebralen Erkrankungen (orphan diseases). Glutamat und Taurin sind bei Mitochondrial Membrane Protein-Associated Neurodegeneration (MPAN) signifikant erhöht gegenüber heterozygoten und gesunden Kontrollpersonen.



    Beispiel für ein MR-Spektrum aus der weißen Gehirnsubstanz bei MPAN, akquiriert mit der SPECIAL-Sequenz bei 7 T, und die daraus quantifizierten Konzentrationen von Glutamat (Glu) und Taurin (Tau).

  • Parallele Anregung für Spektroskopie in anatomisch geformten Voxeln (Shaped voxel spectroscopy - SHAVE) im Humangehirn zur Minimierung von Partialvolumeneffekten.


    In vivo MR-Spektrum aus einem mit der SHAVE-Methode (8-Kanal-Sendearray) angeregten anatomisch geformten Voxel, das nur weiße Gehirnsubstanz enthält. Im inneren Bild ist links blau unterlegt die angeregte Magnetisierung, rechts das Voxel im Gehirnbild zu sehen.

  • Zeit-Frequenz-Verfahren MRFit zur Auswertung von MR-Spektren mit komplexer Untergrundbehandlung und Einbeziehung von Modellspektren aus gehirnähnlichen Metabolitphantomen; neues Konzept der Bewertung der Messunsicherheit unter Einbeziehung der Unsicherheit des Untergrund-Fits (8.42)
     


    Relative Unsicherheiten (Mittelwerte von 10 in-vivo-Spektren) der Spektrenauswertung mit MRFit mit und ohne Berücksichtigung der Unsicherheit des Untergrund-Fits. Herkömmliche Methoden (Cramér-Rao lower bounds) unterschätzen die Messunsicherheit.

  • Optimierung der Point Resolved Spectroscopy zur Detektion des Neurotransmitters L-Glutamat; Implementierung einer Doppelquantenfilter-Sequenz zur Glutamatbestimmung; Bestimmung der Glutamatkonzentration in kortikalen Gehirnregionen (Gyrus cinguli, Hippokampus, präfrontaler Kortex) gesunder Probanden zum Aufbau einer Datenbasis für die Untersuchung psychiatrischer Erkrankungen (Kooperationspartner: Opens external link in new window Charité Universitätsmedizin Berlin, Opens external link in new windowMax-Planck-Institut für Bildungsforschung)
     

    Altersabhängigkeit der Glutamatkonzentration im anterioren Cingulum (ACC) und Hippocampus (HC) (n = 118) und der Glutaminkonzentration im ACC (n = 79)


  • Klinische Studie: MR-Spektroskopie bei Multipler Sklerose (MS), Kooperation mit dem  Jüdischen Krankenhaus Berlin


    MR-Spektren aus Läsion und normal erscheinender weißer Gehirnsubstanz (NAWM) bei einem Patienten mit MS

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Ausgewählte Literatur

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Towards a neurochemical profile of the amygdala using short-TE 1 H magnetic resonance spectroscopy at 3 T
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R. Mekle, S. Kühn, H. Pfeiffer, S. Aydin, F. Schubert, B. Ittermann
Detection of metabolite changes in response to a varying visual stimulation paradigm using short-TE 1 H MRS at 7 T
Opens external link in new window NMR Biomed 30 (2017).

S. Wilke, J. List, R. Mekle, R. Lindenberg, M. Bukowski, S. Ott, F. Schubert, B. Ittermann, A.Flöel
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P. Waxmann, R. Mekle, F. Schubert, R. Brühl, A. Kuehne, T. D. Lindel, F. Seifert, O. Speck, B. Ittermann
A new sequence for shaped voxel spectroscopy in the human brain using 2D spatially selective excitation and parallel transmission
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GABA concentration in superior temporal sulcus predicts gamma power and perception in the sound-induced flash illusion
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Met carriers of BDNF Val66Met genotype show increased N-acetylaspartate concentration in the anterior cingulate cortex
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M. Colla, F. Schubert, M. Bubner, J.O. Heidenreich, M. Bajbouj, F. Seifert, A. Luborzewski, I. Heuser, G. Kronenberg
Glutamate as a spectroscopic marker of hippocampal structural plasticity is elevated in long-term euthymic bipolar patients on chronic lithium therapy and correlates inversely with diurnal cortisol
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C. Montag, F. Schubert, A. Heinz, J. Gallinat
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J. Gallinat, U.E. Lang, LK. Jacobsen, M. Bajbouj, P. Kalus, D. von Haebler, F. Seifert, F. Schubert
Abnormal hippocampal neurochemistry in smokers: Evidence from proton magnetic resonance
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Quantitative MRS: Semi-parametric modelling and determination of uncertainties
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Glutamate concentrations in human brain using single voxel proton magnetic resonance spectroscopy at 3 Tesla
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