Bestimmung der Konzentration wichtiger 31P

Bestimmung der Konzentration wichtiger 31P-Metaboliten im
menschlichen Körper mittels Magrietresonanz-Spektroskopie
R.Buchli, D.Meier, C.ßurger, G.McKinnon und P.Bocsiger
Institut für Biomedizinische Technik und Medizinische Informatik, Universität und
GH 8044 Zürich, Schweiz
METHODE
EINFÜHRUNG
Mit der MR-Spektroskopie können auf nichtinvasive Art
Informationen über die Stoffwechsel Vorgänge im menschlichen Körper gewonnen werden. Die Resonanzlinien
von 31 P-Spektren können den Metaboliten Phosphomonoester (PME), anorganisches Phosphat (Pi), Phosphodiester (PDE1, PDE2), Phosphokreatin (PCr) und Adenosintriphosphat (7-, -, ß-ATP) zugeordnet werden (siehe
Abb.l). Die Fläche einer Resonanzlinie ist proportional
zur Konzentration des entsprechenden Metaboliten.
Als Ergebnisse von Untersuchungen werden oft relative
Metabolitenkonzentrationen als Verhältnisse der Flächen
der interessierenden Resonanzlinien angegeben.
Die
Flächenverhältnisse für das untersuchte, pathologische
Gewebe werden mit den entsprechenden Verhältnissen für
gesundes Gewebe verglichen.
Mittels MR-Spektroskopie sind aber nicht nur relative
Konzentrationsangaben möglich, sondern es können auch
absolute Angaben in mmol/l gemacht werden. Um MRSpektren quantifizieren zu können, ist eine KalibrierungsStrategie notwendig.
Abb.l: Ein Wadenmuskel-Spektrum, das dazugehörige,
berechnete Modell-Spektrum, und die einzelnen ModellResonanzlinien sind dargestellt.
Pi
/3-ATP
-10
10
-20
PP771
Tabelle 1: Absolute 31P-Metaboliten Konzentrationen im
gesunden, erwachsenen, menschlichen Körper.
Muscle
n
10
Mean (mmol/l)
Stand.Dev. (%)
Liver
17
Mean (mmol/l)
Stand.Dev. (%)
Brain
24
Mean (mmol/l)
Stand.Dev. (%)
82
PME
Zürich,
ABSOLUTE 31 P-METABOLITE CONCENTRATIONS
in healthy adult human calf muscle, liver, and brain
Pi
PDE1 PDE2
PCr f-ATP
-
1.9
32
2.9
9
3.8
21
5.5
40
20.9
6
5.7
12
6.6
7
5.7
9
4.1
24
1.9
20
10.5
17
4.6
45
0.0
3.3
18
6.5
24
3.1
25
3.3
18
1.1
14
6.0
16
19.1
31
3.1
10
3.0
15
3.6
12
2.8
18
Um lokalisierte, gewebespezifische Spektren erhalten zu
können, müssen die Signalanteile von ausserhalb des interessierenden Gewebes unterdrückt werden. Die Selektierung
von oberflächennahem Gewebe (z.B. Skelettmuskeln) erfolgt meistens mittels einer kleinen, kreisrunden RFSpule, deren Empfindlichkeitsbereich dieselbe Grosse wie
das interessierende Gewebe aufweist. Zur Selektierung
von tieferliegendem Gewebe (z.B. Hirn, Leber) muss eine
volumenselektive Pulssequenz zur Anregung der Kernspins
angewendet werden. Solche volumenselektiven Messungen
werden mit relativ grossen RF-Spulen durchgeführt.
Zuerst werden zwei Kalibrierungs-Strategien zur Quantifizierung von oberflächennahem Gewebe vorgestellt:
A. WATER REFERENCE METHOD (1): Das 3lP-Spektrum
wird mit Hilfe des in vivo ^-Spektrums und der bekannten
Wasserkonzentration im Gewebe quantifiziert. Dazu wird
eine RF-Spule benötigt, die auf die Resonanzfrequenz
von 31P-Kernen und ^-Kernen abgestimmt werden kann.
Ferner muss das Sensitivitätsverhältnis zwischen dem 31Pund dem ^-Empfangspfad experimentell mittels eines
Eichphantoms ermittelt werden (siehe Abb. 2A).
B. SYMMETRICAL PHANTOM METHOD (Neuentwicklung):
Ein mit Eichlösung gefülles Phantom wird an der Unterseite
der kleinen RF-Spule angebracht. Die symmetrische Lage
zwischen Phantom und Gewebe ermöglicht eine genaue
Kalibrierung, weil die signalsensitiven Gebiete (Sensitive
Areas) im Gewerbe und im Phantom genau gleich gross
sind. Eine einzige Messung genügt um eine Konzentrationsbestimmung machen zu können (siehe Abb.2B).
Nun werden zwei Kalibrierungs-Strategien zur Quantifizierung von tieferliegendem Gewebe beschrieben:
C. EXTERNAL PROBE METHOD (2): Eine kleine externe
Eichflasche wird in der Spulenmitte plaziert. Nach der
volumenselektiven Messung der 31P-Metaboliten wird das
Eichsignal mittels einer einfachen nicht selektiven Messung
erfasst (siehe Abb.2C).
D. SIMULATION PHANTOM METHOD (3): Nach der in
vivo Messung wird eine identische in viiro Eichmessung
mit einem Phantom durchgeführt. Die Grosse, die Form
und die elektrische Leitfähigkeit des Phantoms sollen dem
untersuchten Körperteil entsprechen (siehe Abb.2D).
Zwei prinzipiell verschiedene Spektren-Aus werte verfahren .
sind möglich: entweder wird das gemessene Induktionssignal im Zeitbereich oder, nach der Fouriertransformation,
das Spektrum in Frequenzbereich mittels einer iterativen
Computerroutine 'gerittet*. Beide Verfahren wurden angewandt.
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Biomedizinische
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Technik Band 36 · Ergänzungsband · 1991
RESULTATE
Alle vier Kalibrierungs-Strategien wurden mittels Testphantome auf Genauigkeit und Einfachheit geprüft.
Die sehr verbreitete WATER REFERENCE METHOD ist
nur mittelmässig genau (ca.8% Fehler) und leider recht
aufwendig, wie alle heteronuklearen Strategien, die zwei
Resonanzlinien bei zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen
vergleichen.
Die SYMMETRICAL PHANTOM METHOD ist recht genau
(ca.3% Fehler) und zudem sehr einfach zu handhaben.
Die EXTERNAL PROBE METHOD ist zwar in der Laborspektroskopie einfach und präzise, aber in der klinischen
Spektroskopie zu ungenau (ca.15% Fehler), weil die Grosse
des selektierten Volumens in die Konzentrationsberechnung
einfliesst. Die relevante, effektive Volumengrösse weicht
aber oft beträchtlich von der nominellen Volumengrösse ab.
Die SIMULATION PHANTOM METHOD ist einfach und recht
genau (ca.4% Fehler), vorausgesetzt die RF-Spule wird
während der in vitro Eichmessung gleich stark belastet wie
während der in vivo Untersuchung.
Die 31P-Metaboliten des menschlichen Wadenmuskels (calf
muscle) wurden mit der neuentwickelten SYMMETRICAL
PHANTOM METHOD quantifiziert. Die Metabolitenkonzentrationen in der Leber (Jiver), und im Hirn (brain) wurden
mit einer verbesserten Version der SIMULATION PHANTOM
METHOD ermittelt (siehe Tabelle 1).
LITERATUR
1. K.R.Thulborn and J.J.H.Ackerman, J.Magn.Reson. 55,
357 (1983).
2. K.Roth, B.Hubesch, D.J.Meyerhof, S.Naruse, J.R.
Gober, T.J.Lawry M.D.Boska, G.B.Matson, and M.W.
Weiner, J.Magn.Reson. 81, 299 (1989).
3. R.Buchli and P.Boesiger, "Abstracts, Eighth Annual
Meeting Soc. Magn. Reson. in Medicine, 1989," p.598.
Abb.2: Skizze der verschiedenen Kalibrierungs-Strategien.
Water Reference Method
Smmetrical Phantom Method
In Vivo
In Vitro
In Vivo
Calf Muscle
Phantom
Sensitive Area
Double Tuned
Surface Coll
Sensitive Area
Double Tuned
Surface Coll
in Vitro
Calf Muscle
Sensitive Area
Coil
Sensitive Area
Phantom
» 1 P-Spec!rum
1
H.Spectrum
"P-Spectrum
^H-Soectrum
Callbratlon Peak
Water Peak
"P Peak
External Probe Method
In Vivo
In Vitro
PCr
Peak
D Simulation Phantom Method
In Vivo
in Vitro
Llver
NSIS-Vol.
"Surf.Coll
Catlbratlon-Peak
" Surf. Coll
PCr
PCr
JDULA-
^Phantom
JlAJLA-
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