Spectroscopy - NMR beyond Water

Transkript

1 Spectroscopy - NMR beyond Water Wolfgang Weber-Fahr NeuroImage Nord, Institut für Systemische Neurowissenschaften NN

2 Übersicht Grundlagen der NMR-Spektroskopie Vom Peak zur Konzentration: Absolutquantifizierung Beispiele klinischer Anwendungen Funktionelle MRS

3 Grundlagen: Kernspinresonanz Kerne mit einem Spin richten sich im Magnetfeld B 0 aus. Dadurch entsteht eine Magnetisierung, die durch einen Hochfrequenzpuls auf der Resonanzfrequenz ausgelenkt werden kann. ω = γ Die MR-Bildgebung misst das Signal der Protonen in H 2 O. B 0 Unterschiedliche Kerne ( 1 H, 31 P, 13 C, 19 F etc.) haben unterschiedliche Resonanzfrequenzen.

4 Grundlagen: Signalentstehung Auslenkung durch einen Hochfrequenzpulz mit Lamorfrequenz Empfang des MR-Signals in geeigneter Antenne HF-Puls

5 Grundlagen: MR-Spektroskopie ω = γ B 0 Zeitsignal Frequenzspektrum MDPA J AK H J AK OH C OH Signal [a.u.] P H P J AK J AK O OH OH O Kopplung PE Zeit [ms] Frequenz [ppm] Fouriertransformation Fläche unter den Linien proportional zur Konzentration Chemische Verschiebung

6 8000 H 2 O 1 H-Spektroskopie Das H 2 O-Problem 64 NAA 1000 Ch Cr 56

7 Grundlagen: In-vivo 1 H-MRS 1 H-NMR-detektierbare Metaboliten im Gehirn NAA Cr Cr Cho Glx mi mi Glx N-Acetylaspartat, (Phospho-)Kreatin, Cholin, Laktat, Glutamat/Glutamin myo-inositol, Glukose, etc. Lip/Lac Glc ppm

8 N-Acetylaspartat (NAA) Beteiligt an der neuronalen Entwicklung und der Myelinisierung Marker für neuronale Funktion, Lebensfähigkeit. Hochsensitives Maß für den Bestand intakter funktionierender Neuronen Neuronaler Funktions- bzw. Untergangsmarker Birken DL & Oldendorf WH (UCLA): Neuroscience& Biobehavioral Review, 1989

9 ...NAA concentration is proportional to the neuronal density.

10 Cholin und Kreatin Vorkommen im Gehirn: Neuronen und Glia MRS-Cholin-Signal: Phosphocholin, Glycerophosphorylcholin, freie Choline beteiligt am Membrane Turnover MRS-Kreatin-Signal: Kreatin und Phosphokreatin Zwischenspeicher für energiereiche Phosphate

11 Single Voxel MR-Spektroskopie Cho Cr NAA Anregung eines quaderförmigen Volumens mit drei HF-Pulsen. Typische Größe: 2 cm 3 cm Kantenlänge Cr Glx mi Glx Lip/Lac Spin Echo Sequenz 3T: TE = 20 ms, TR=3 s, NEX = 128

12 Multi Voxel MR-Spektroskopie (MRSI, CSI):

13 Quantifizierung in der MRS Auflösung: 16x16 Voxel Voxelgröße: 1 cm 3 Mischung verschiedener Gewebearten Pointspread-Funktion Aus welchem Gewebe kommt das Signal?

14 Same Session SegSpec 3D data (whole head) Localizer images Co -registration Segmentation Transform. matrices Spectroscopy data (MRSI) Information about position of spectroscopy slab, chemical shift displacement etc.. 3 segmented data sets Profile correction for the MRS slab Measured slice & VOI profiles Segmentierung & Co- Registrierung von MRI und MRS-Daten All pixels corresponding to the spectroscopy slice MRS k-space sampling Complex k-space data Zero-filling, filtering & Fourier transformation Result images in MRSI resolution displaying GM, WM and CSF Neuroimage 2002

15 Anatomiebasierte Spektrenquantifizierung GM: 60.12% WM: 36.78% CSF:3.10% GM: graue Substanz WM: weiße Substanz CSF: Liquor

16 Quantifizierung in der MRS Beispielstudie 1 H-MRSI im Hippocampus bei schizophrenen Patienten p = p = [a.u.] NAA uncorrected SD = 8.15 % SD = 7.78 % SegSpec NAA CSF corrected SD = 6.57 % SD = 7.12 % 10 Controls n=15 Patients n=15 13 Controls Patients Neuroimage 2002

17 Klinische Anwendung der MRS Onkologie Tumorklassifizierung Verlaufskontrolle Strahlentherapie Psychiatrische Erkrankungen Affektive Störungen Schizophrene Psychosen Demenzen Zwangs- und Angsterkrankungen Suchterkrankungen Therapie-Monitoring: 7 Li, 19 F, 13 C Neurologische Erkrankungen Alzheimer Parkinson Epilepsy

18 Klinische Anwendung der MRS: Onkologie Tumorklassifizierung: Verhältnis Cho/NAA Cho Cr NAA

19 Klinische Anwendung der MRS: Affektive Störungen Therapie-Monitoring bei Elektrokrampftherapie vor EKT nach EKT Ende et al. Arch Gen Psych 2000

20 Gibt es funktionelle MR-Spektroskopie fmrs?

21 Funktionelle MRS: Mögliche Kandidaten????

22 Funktionelle MRS: Mögliche Kandidaten NAA Cr Cr Glx mi Cho Glutamat/ Glutamin Laktat Lip/Lac mi Glx Glukose Glc GABA ppm

23 Funktionelle MRS: Glukose und Laktat Glukose visuelle stimulation Visuelle Stimulation Dunkelheit Laktat Frahm et. al. 1996

24 Funktionelle MRS: GABA γ - Aminobyrate ca. 0,7 mm Konzentration. Inhibitorischer Neurotransmitter. Komplizierte Struktur. Linien liegen unter NAA, GLX und Cr. Nur durch Spektren Editierung zu messen

25 Funktionelle MRS: GABA - Editierung Nutzung der skalaren Kopplung zwischen 4-CH 2 und 3-CH 2 bei TE = 68 ms Messung von jeweils zwei Spektren mit und ohne frequenzselektiven HF-Puls auf 3-CH 2 Selektiver HF-Puls bei 1.9 ppm Normales Spektrum Differenz mit GABA bei 3 ppm - = Glx GABA Glx NAA ppm ppm ppm 2 Tr = 1.5s NEX = 256 TA = 13 min

26 Funktionelle MRS: GABA Motor Learning task Sequene tracking Rest Random tracking Sequence tracking 8 ml Volumen über kontra- und ipsilateralen sensomotorischen Kortizes plaziert. TE = 68 ms, 10*64 Akquisitionsblöcke Floyer-Lea et. al. 2006

27 Funktionelle MRS: 13C-Spektroskopie natürliche Signale 12C nicht MRS detektierbar 1,1% nat. Häufigkeit 13C Infusion 13C-markierter Glukose (nichtradioakt.) ideal zur Bestimmung der Umbauraten des GlukoseMetabolismus de Graaf et al. NMR Biomed 2003

28 Funktionelle MRS: Visuelle Stimulation bei 7T T2*-Effekt Linien werden schmaler Blockdesign: Visuelle Stimulation für 5,3 min. 4 Blöcke mit jeweils 64 Scans pro Block. Spektren gemittelt für Aktivierung und Ruhe. Mangia et al. 2006

29 Funktionelle MRS: 13 C-Spektroskopie bei visueller Stimulation halbseitiger Visueller Stimulus Checkerboard 8 Hz 13 C-Glukose Infusion (20 min) Glutamatumsatz Nicht aktiviert aktiviert Chen et. al. MRM 2001

30 Zusammenfassung NMR-Spektroskopie wird erfolgreich als diagnostisches Tool bei klinischen Fragestellungen und in der klinischen Forschung eingesetzt. Funktionelle MRS ist möglich. Aber: Schlechte räumliche und zeitliche Auflösung. Aber fmrs kann Informationen zum Verständnis über Prozesse liefern, die weder durch fmri noch durch PET gewonnen werden können. fmrs ist die einzige Methode zur getrennten Betrachtung von Inhibition und Exzitation. Mit 13 C-MRS können die Umsatzraten der Neurometabolischen Kopplung gemessen werden.

31 ENDE