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NAA unkorrigiert

Im Dokument Ch Cr (Seite 159-166)

Patienten Kontrollen

[a.u.]

1600

1500

1400

1300

1200

1100

1000

SD = 8,15 % SD = 7,78 %

SD = 7,46 %

SD = 6,85 %

SD = 6,57 %

SD = 7,12 %

p = 0,161 p = 0,026

p = 0,013

A B

C

Abb.4.40: Boxplotsder Mittelwerte der NAA-Konzentrationen nach den verschiedenen

Korrekturschritten. Der angegebenep-Wert ist das Signikanzniveau der

t-tests,SDbeschreibtdieStandardabweichunginProzentdesMittelwertes.

Signikanzniveauvonp=0,026(t=2,34,zweiseitig)kleineralsdie

Metaboliten-konzentrationen der Kontrollpersonen. Der Mittelwert jeder Gruppe ist1488,47

(SD=102,10)fürdiePatienten bzw.1582,89(SD=118,10)fürdie

Kontrollper-sonen.

SignikanteErgebnisse mitden oensichtlichstenGruppenunterschieden ergeben

sich,wenndieMetabolitenwertesowohlfürdiePRESS-Anregungsprolealsauch

fürdenCSF-GehaltderMRSI-Voxelkorrigiertwerden(Abb. 4.40C).Die

Grup-penstatistikfür diemittlerenNAA-Werte istsignikantmitp=0,013 (t=2,65,

zweiseitig).

Zusätzlichzur steigendenSignikanzder Gruppenstatistikmitjedem

Korrektur-schritt zeigt sich, dass diein Prozent vom Mittelwert ausgedrückte

Standardab-weichung mitjeder Korrektur kleiner wird.

DieGruppenstatistiken fürChundCr ergeben fürkeine derverwendeten

Metho-densignikantenUnterschiedezwischenPatientenundKontrollpersonen(p=0,68

fürCh CSF-korrigiertund p = 0.89 für Cr CSF-korrigiert).

Zusammenfassung und Diskussion

Das groÿe Potential der 31

P - und 1

H-MR-spektroskopischen-Bildgebung liegt in

der nicht-invasiven Beobachtung von Stowechselvorgängen in vivo. Dieses

Po-tential bei Untersuchungen am Menschen im klinischen Tomographen

auszu-schöpfen, ist eine wissenschaftliche Herausforderung, bei der es gilt, innovativ

sowohl auf dem Gebiet der Datenakquisition als auch der Datenauswertung

be-stehende Limitationen zu überwinden und neue Methoden zu entwickeln. Ziel

aller Entwicklungen ist es, das Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten zu

ver-grössern, sowie diepraktische Anwendbarkeit und Interpretierbarkeitdieser

Me-thode zu verbessern. Dementsprechend gliedert sich die vorliegende Arbeit in

zwei Bereiche:

Erstens wurden Möglichkeiten zur 31

P -Signalverstärkung durch 1

H-31

P

-Polari-sationstransferamklinischenTomographenuntersucht. MitderRINEPT-Sequenz

können die viel gröÿeren Unterschiede in den Besetzungszahlen der

Energieni-vaus der 1

H-Übergänge durch simultan eingestrahlte breitbandige HF-Pulse auf

die 31

P-Niveaus übertragen werden. Dieser Polarisationstransfer durch skalare

Kopplung ist aus der hochauösenden NMR bekannt, wurde aber bisher kaum

anklinischenTomographeneingesetzt[Gone97a]. Eskonntegezeigtwerden,dass

heteronuklearerPolarisationstransferdurchRINEPTaneinemmiteinemzweiten

HF-Kanalausgestatteten klinischenTomographen möglichist. Die

Messparame-ter wurden in Experimenten an Modell-Lösungen optimiert und erste

In-vivo-Experimentedurchgeführt. FürdenklinischenEinsatzwurdezurortsaufgelösten

Messung eine 3D-MRSI-RINEPT-Sequenz mitsphärischem Aufnahmeverfahren

zur Akquisition von Datensätzen mit 121212 Voxeln entwickelt (Kap. 3.4 &

AnhangB).

Zweitens beschäftigt sichdiese Arbeit mitKonzepten der Datenauswertung, die

den gemessenen Spektren die biochemische Aussagekraft verleihen. Durch die

Evaluationund Anpassung von FitmethodenkonntedieAuswertungvon

MRSI-Daten vereinfacht werden. Mit der Entwicklung von Algorithmen zur

Gewebe-bestimmung der Voxel wurden Korrekturen der MRSI-Daten eingeführt, die die

Varianz der Messwerte beim interpersonellen Vergleich veringern und damit die

Aussagekraft klinischer MRSI-Studien erhöhen.

5.1 RINEPT an Modell-Lösungen

Zur Untersuchung der Signalverstärkung durch RINEPT wurden Messungen an

hochkonzentrierten Lösungen von(MDPA)und (PE) durchgeführt. MDPA

wur-de untersucht, da es im Gegensatz zu den In-vivo-31

P-MR-messbaren

Metaboli-ten eine signikanteskalare 1

H-31

P -Kopplungübernur zweiBindungslängen mit

J

AK

= 21 Hz, und keine skalare Kopplung der Protonen untereinander besitzt.

EswurdedahereineeinfachereRealisierungderExperimenteundgröÿere

Signal-verstärkung durchPolarisationstransfererwartet. PE andererseitsgehört zu den

In-vivo-31

P-MR-messbarenMetabolitenmiteinerheteronuklearen

Kopplungskon-stanten J

AK

=6,48 Hz. Hinzu kommen homonukleare Kopplungen der Protonen

des Spinsystems untereinander von J

AA1

= 6,90 Hz und J

AA2

= 3,25 Hz, die die

Abhängigkeit des Polarisationstransfers von den Messparametern beeinussen.

Das Signalim 31

P-Spektrum hat für beide Metaboliten Triplett-Struktur.

DieVerstärkungdurchRINEPThängtimWesentlichen vonzweiZeitparametern

ab: DieEchozeitTE1bestimmtdietatsächliche,durchUmordnungderBesetzung

derEnergieniveaus erreichteVerstärkung derResonanzender untersuchten

Spin-systeme. Durch die Refokussierungszeit TE2 wird dagegen die relative Phase

der MR-Signale des Multipletts beeinusst. Beide Zeitparameter sind von den

Kopplungskonstanten der beteiligtenSpins abhängig.

Zur Optimierung der Echozeit wurden diehochkonzentrierten Lösungen mit

IN-EPT bei Variation von TE1 gemessen. Bei optimalem TE1ergibt sich für beide

Substanzen eine Signalverstärkung der äusseren Linien des Tripletts. Aufgrund

des Fehlens des Refokussierungs-Pulses haben sie entsprechend der in Kap. 1

beschriebenen Theorie eine relative Phase von 180°. Die mittlere Linie des T

ri-plettsistunabhängigvonTE1und derWahldesExperiments(INEPTo.

90°-HF-Anregung).

DieRefokussierungszeitTE2wurdebestimmt,indemdieLösungen unter

Verwen-dungderimINEPT-ExperimentbestimmtenEchozeitenTE1undunter Variation

der RefokussierungszeitTE2mitRINEPTgemessen wurden. Es zeigtesich,dass

für beide Substanzen der relative Phasenunterschied der Komponenten des T

ri-pletts bei keiner Refokussierungszeit TE2 vollständig aufgehoben ist. Trotzdem

ergibtsichnach 1

H-EntkopplungeinedeutlicheSignalverstärkunggegenübereiner

90°-HF-Anregungin Abhängigkeit von TE2.

DiedurchdieExperimenteamFlüssigkeitsphantombestimmtenoptimalen

Mess-parameter und die Verstärkung gegenüber 90°-HF-Anregung sind für MDPA

(Kap. 4.1.1):

TE1 = 12ms1ms

TE2 = 10ms1ms ) MDPA

RINEPT

=0;290;03; (5.1)

wobeisich dieVerstärkung MDPA

RINEPT

durchVergleichdes 1

H-entkoppelten

MDPA-Signals nach RINEPT mit dem MDPA-Signal nach einem 90°-Puls mit

zusätz-lichem NOE-Puls unter Verwendung derselben Messparameter (TR= 5 s, 2

Ak-quisitionen)ergibt.

Für PE erhält man (Kap.4.1.3):

TE1 = 40ms5ms

TE2 = 32ms5ms ) PE

RINEPT

=0;660;02: (5.2)

UmdasS/NfürdieAuswertungdesPE-Signalszuverbessern,wurdendie

Phan-tommessungen mit TR=5s und 4 Akquisitionen durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigen, dass mitRINEPT an den untersuchten Spinsystemen

ei-ne Signalverstärkung am klinischen Tomographen möglich ist. Insbesondere ist

dieVerstärkung des PE-Signals trotz der kleinen Kopplungskonstanten mit66%

gegenüberdemSignalder90°-HF-AnregungmitNOE-Verstärkunggröÿeralsdie

Verstärkung des MDPA-Signals. Bei diesen Experimenten wurden jedoch noch

keine Relaxationseekte berücksichtigt, und der zu erwartende Signalverlust bei

RINEPTdurch T

2

-Relaxationist beiIn-vivo-Messungen gröÿer.

Zur Überprüfungder Funktionsweise der INEPT-und RINEPT-Sequenzen

wur-den die Messungen am Flüssigkeitsphantom mit Ergebnissen von

Modellrech-nungenverglichen. Dazuwurden dieAuswirkungen derSequenzen aufdie

unter-suchten Spinsysteme mit Hilfe der GAMMA-Bibliotheken simuliert (Kap. 4.1.2

& 4.1.4). Diese Simulationen werden numerisch durch Matrixoperationen an

komplexen Spinsytemen ausgeführt, wie sie in Kap. 1 für ein aus zwei Spins

bestehendes System beschrieben wurden.

ObwohldieSpinsysteme inden Modellrechnungenteilweisevereinfachtwurden

-Vernachlässigung der geminalen 1

H-1

H -Kopplungen, der intramolekularen

Rota-tion(Rotomere)unddersehrschwachen heteronuklearenKopplungder 31

P-Spins

mit weit entfernten Protonen - zeigen die Simulationen eine gute

Übereinstim-mung der Zeitparametermitden Messungen.

Die bei der Simulation ermittelte Signalverstärkung für MDPA stimmt mit den

am Flüssigkeitsphantom gemessenen Werten überein. Für PE wurde durch

Si-mulationallerdingslediglicheine Verstärkung von

PE

sim

RINEPT

=0;23 (5.3)

beobachtet. Da dieinKap.4.2.1durchgeführtenMessungen der

Relaxationskon-stanten T

1

und T

2

für PEin der Modellösung ein sehr langesT

1

ergaben, und die

MessungenanPEmit4Akquisitionendurchgeführtwurden,lagderSchlussnahe,

dass diese Diskrepanz zwischen Messung und Simulation auf Relaxationseekte

zurückzuführen ist,die daherweiteruntersucht wurden.

5.1.1 Relaxationseekte

Währenddie Spin-Spin-Relaxationaufgrund der langen T

2

-Relaxationszeiten im

Flüssigkeitsphantom nur geringen Einuss auf die Signalverstärkung durch

Po-larisationstransferhat, hat die longitudinaleRelaxationüber dieRepetitionszeit

TR sowohl Auswirkungen auf die Signalintensität bei der 90°-HF-Anregung, als

auch bei der RINEPT-Sequenz. Falls für die Repetitionszeit nicht TRT

1 gilt,

kommt es in Experimenten mit mehreren Akquisitionen zu Signalverlusten, da

die Spinsysteme nicht vollständig relaxieren können. Der Signalverlust für ein

Experiment zur Messung des 31

P-Signals nach 90°-HF-Anregung ist dabei von

der longitudinalenRelaxationskonstanteder 31

P-Spins T P

1

abhängig. Erkann

mi-nimiertwerden,indemdasSystemstattmiteinem90°-PulsmitdemErnstwinkel

(

opt

(TR))angeregt wird.

Da dieSignalverstärkung durch Polarisationstranfervon den

Besetzungszahlun-terschiedender 1

H-Niveausbestimmtwird,istderTR-abhängigeSignalverlustdes

RINEPT-Experiments sowohl von T P

1

, als auch von der logitudinalen

Relaxa-tionszeit der Protonen T H

1

abhängig.

Bildet man den Quotienten der TR-abhängigen Signale der RINEPT-Sequenz

gegenüber der Ernstwinkelanregung (E

TR

), so erhält man einen Ausdruck für

die Verstärkung durch Polarisationstransfer im Vergleich zur optimalen

1-Puls-Sequenz inAbhängigkeitvonTR(s.Gl.4.20). In dieseGleichung gehtnebenden

RelaxationskonstantenT

auchdieTR-unabhängigeRINEPT-Verstärkung

E=

RINEPT

+1für TR!1 ein.

Ist die Relaxationszeit der beteiligten Protonen kleiner als die der 31

ein relativ breites Plateau mit einer maximalen

Verstär-kung bei TR

opt

1;8T H

1

. Die Signalverstärkung durch RINEPT geht in diesem

Bereich noch über die theoretische durch Polarisationstransfer mögliche

Signal-verstärkung hinaus (E

TR (TR

opt

)>E, s.Abb. 4.34 B).

Die Verstärkungsfunktion E

TR

(TR)wurde an PE durch Aufnahme des

RINEPT-SignalsunddesSignalsnachErnstwinkelanregungbeiVariationvonTRgemessen.

Eine maximale Verstärkung wurde beiTR

opt

erreicht (s.Abb. 4.36 B).

Die Parameter E und T H

1

wurden durch Anpassung der theoretischen

Verstär-kungsfunktion abgeschätzt. Für die Verstärkung durch Polarisationstransfer an

PEergibt sichnun inguter Übereinstimmung mitden Modellrechnungen(s. Gl.

5.3)

PE

RINEPT

=E-1=0;220;05: (5.5)

FürdielongitudinaleRelaxationskonstantederProtonen desPE-Molekülsergibt

sichaus der Kurvenanpassung T H

1

=2;020;09s.

Die Ergebnisse zeigen, dass neben der Signalverstärkung durch

Polarisations-transfer auch eine weitere Signalverstärkung durch Optimierung der

Messpara-meter auf die in der Regel kürzeren Relaxtionszeiten der Protonen T H

1

erreicht

werdenkann. Weiterhinkann man RINEPT dazuverwenden,auf indirekte

Wei-seT H

1

zu bestimmen.

M e η opt

Im Dokument Ch Cr (Seite 159-166)