Quantitative Bestimmung von Glutamat im Hirn mithilfe der MR-Protonenspektroskopie bei 1,5 T und 3 T

Zusammenfassung

Ziel: Anhand von in vitro- und in vivo-¹H-MR-spektroskopischen Messungen sollte der Einfluss einer Erhöhung der magnetischen Feldstärke von 1,5 T auf 3 T auf die quantitative Bestimmung von Glutamat untersucht werden. Material und Methoden: Es wurden In-vitro-¹H-MR-Spektren wässriger Lösungen von NAA, Glutamat, Glutamin und GABA sowie In-vivo-¹H-MR-Spektren im Gehirn von 6 gesunden Probanden an zwei klinischen Ganzkörper MR-Tomografen (1,5 T und 3 T) akquiriert. Für die In-vitro-Experimente wurde eine PRESS ¹H-Einzelvoxel-Sequenz (TR/TE = 10 000 / 30 ms) und für die In-vivo-Messungen eine PRESS 2D-¹H-CSI-Sequenz (TR/TE = 5000 / 30 ms) verwendet. Die In-vitro-Spektren wurden hinsichtlich der Überlagerung der Einzelsubstanzspektren sowie der Genauigkeit der absoluten Konzentrationsbestimmung (LC-Model) bei 1,5 T und 3 T verglichen. Die In-vivo-Spektren beider Feldstärken wurden hinsichtlich des SNR_Glu, der Linienbreite sowie der Cramer-Rao-Werte der Glutamatbestimmung unter Verwendung des LC-Modells miteinander verglichen. Für den Thalamus sowie den insulären und parietalen Kortex wurden die mittleren Glu/tCr-Quotienten gebildet, und die bei 1,5 T und 3 T erhaltenen Werte untereinander sowie mit entsprechenden Literaturwerten verglichen. Ergebnisse: Die spektralen Anteile der Einzelmetaboliten in den In-vitro-Spektren waren im Allgemeinen bei 3 T deutlich besser strukturiert. Die Abweichungen der in-vitro bestimmten absoluten Konzentrationen von den nominell eingestellten Werten fielen mit Ausnahme von GABA bei 3 T deutlich geringer aus als bei 1,5 T: NAA (1,5 T: –5,5 %, 3 T: + 0,7 %), Glutamat (1,5 T –18,1 %, 3 T: + 12,3 %), Glutamin (1,5 T: + 44,8 %, 3 T: + 9,2 %), GABA (1,5 T: –24,8 %, 3 T: –33,8 %). Im Vergleich zu 1,5 T verdoppelte sich das SNR_Glu der In-vivo-Spektren bei 3 T. Der Anteil der Voxel mit %SD_Glu < 20 betrug 53 % bei 1,5 T gegenüber 80 % bei 3 T. Die für den Thalamus, den insulären sowie parietalen Kortex bestimmten Glu/tCr-Quotienten lagen im oberen Bereich vergleichbarer Literaturwerte. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass aus der günstigeren Verteilung der Intensitätsmaxima bei 3 T eine verbesserte Trennbarkeit der Einzelspektren resultiert. Die höhere Ausgangsmagnetisierung bei B ₀ = 3 T und die höhere Sensitivität der bei der 3 T-Studie verwendeten Mehrkanalspule führen zu einem verbesserten SNR und erlauben somit eine größere Zuverlässigkeit des individuellen Nachweises sowie eine genauere quantitative Bestimmung von Glutamat.

Abstract

Purpose: The influence of different magnetic field strengths on the quantification of glutamate was experimentally investigated by means of in vitro and in vivo ¹H-MR spectroscopic measurements at 1.5 T and 3 T. Materials and Methods: In vitro ¹H-MR measurements of aqueous solutions of NAA, glutamate, glutamine and GABA were performed on two clinical MR scanners at 1.5 T and 3 T using a single voxel PRESS sequence (TR/TE = 10 000 / 30 ms). In vitro brain measurements were also performed at both field strengths using a PRESS 2D-¹H-CSI-sequence (TR/TE = 5000 / 30 ms) in 6 volunteers. Spectra at 1.5 T and 3 T were compared with respect to the overlap of the single compound spectra and the deviations between estimated and nominally adjusted concentrations. In vivo spectra at both field strengths were compared with respect to SNR_Glu, line width and Cramer-Rao values of the estimated glutamate intensities by using the LCModel. For the thalamus, insular and parietal cortex mean Glu/tCr ratios were estimated and compared between 1.5 T and 3 T as well as with corresponding values in the literature. Results: In general, an improved separation of signal maxima was observed in the in vitro spectra at 3 T. Except for GABA, all in vitro concentrations estimated at 3 T revealed lower deviations from their adjusted nominal concentration compared to 1.5 T: NAA (1.5 T: –5.5 %, 3 T: 0.7 %), glutamate (1.5 T: –18.1 %, 3 T: 12.3 %), glutamine (1.5 T: 44.8 %, 3 T: 9.2 %), GABA (1.5 T: – 24.8 %, 3 T: 33.8 %). The SNR of in vivo spectra at 3 T was nearly doubled compared to 1.5 T. The mean number of voxels with %SD_Glu< 20 was distinctly lower at 1.5 T (53 %) than at 3 T (80 %). Estimated Glu/tCr ratios for thalamus, insular and parietal cortex lay in the upper range of the literature values. Conclusion: The results indicate that the advantageous distribution of signal maxima at 3 T allows an improved separation of the individual spectra. Both the higher initial magnetization at 3 T and the improved sensitivity of the phased array matrix coil used in the 3 T study result in an increased SNR, which leads to better reliability of the individual detection as well as a more accurate quantification of glutamate.

Key words

MR spectroscopy - brain - glutamate - quantification - 3T - LCModel

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