Tripelquantengefilterte 23Na-Spektroskopie und –Bildgebung

Tripelquantengefilterte 23Na-Spektroskopie und –Bildgebung
Christian Matthies, Armin Nagel, Peter Bachert, Wolfhard Semmler, Lothar Schad
Einleitung
Natrium (23Na) ist neben Wasserstoff (1H) der am besten mit Magnetresonanztomographie (MRT)
detektierbare Kern im menschlichen Körper und spielt in vielen physiologischen Prozessen eine
Schlüsselrolle. Insbesondere wird über Na-K-Pumpen in der Zellmembran ein Konzentrationsgradient von
intrazellulärem Natrium (~10 mM) zu extrazellulärem Natrium (~150 mM) aufrechterhalten. Eine
Veränderung dieses Konzentrationsgradienten ist daher ein starkes Anzeichen für eine funktionelle Störung.
Daher gibt eine MRT-Messung der 23Na-Konzentrationsverhältnisse in vivo zusätzliche Informationen über
die Vitalität des Gewebes.
Momentan existieren drei Ansätze, um gezielt das intrazelluläre 23Na-NMR-Signal zu detektieren.
Durch "Shift-Reagenzien", d.h. große paramagnetische Moleküle, die die Zellmembran nicht durchdringen,
kann selektiv das Signal des extrazellulären Natriums mit einem "chemical shift" versehen werden [1].
Aufgrund der Toxizität solcher Reagenzien verbieten sich jedoch In-vivo-Messungen beim Menschen. Für
Inversion-Recovery-Sequenzen zur nicht-invasiven Unterdrückung des extrazellulären Natrium-Signals
müssen zuvor die T1-Zeiten bestimmt werden [2], außerdem ist bei dieser Methode unklar, was insgesamt
unterdrückt wird. Mit Filtern für Tripel-Quantenkohärenzen (TQC) kann ebenfalls nicht-invasiv das Signal von
Natriumkernen detektiert werden, die mit makromolekularen Strukturen assoziiert sind und deren
Korrelationszeit daher länger ist als die Larmor-Periode [3]. Es gibt starke Indizien dafür, daß der größte
Anteil des TQC-gefilterten 23Na-Signals vom intrazellulären Bereich stammt [4]. Zur genaueren
Untersuchung dieser Fragestellung wurde in dieser Arbeit an einem 3-T-Tomographen ein Tripel-QuantenFilter mit Spektroskopie- und Bildgebungssequenzen für 23Na kombiniert und an Modellsystemen getestet.
Material und Methoden
Die Messungen wurden an einem klinischen 3-T-MR-Tomographen (Magnetom Tim Trio; Siemens
Medical Solutions, Erlangen) durchgeführt. Anregung und Signaldetektion erfolgte mit einer doppeltresonanten (32.59 MHz / 123.2 MHz) "Birdcage"-Spule (Rapid Biomed GmbH, Würzburg).
Für 23Na-TQF-Spektroskopie wurde einer Sequenz aus drei Rechteckpulsen (Abb. 1) verwendet
(Präparationszeit 1, Evolutionszeit 2, Flipwinkel , Pulslänge 500 µs). Der Tripel-Quanten-Filter wurde über
ein Phase-Cycling-Verfahren realisiert (Pulsphasen 1 = k/3, 2 = k/3, 3 = 0, ADC-Phase = k, k=1..6).
Für die tripelquantengefilterte
23Na-Bildgebung
wurde eine Dichteangepaßte 3D-Radial-Sequenz [6,7] mit
dem oben beschriebenen Tripel-QuantenFilter kombiniert. Dabei wurden folgende
Messparameter verwendet: TR = 100 ms,
TE = 1 = 6 ms, 2 = 50 µs, nav = 6, NProj =
500, Auflösung: 8 mm isotrop.
Als
Modellsystem
für
das
Abb. 1: Sequenz für Na-Spektroskopie mit Multi-Quanten-Filter
intrazelluläre
Kompartiment
dienten
Phantome mit Agarosegel (NaCl-Lösung,
cNa = 1 M, Agarose-Konzentrationen 0%, 2.5%, 5%, 10%).
Ergebnisse
Aufgrund der bei Spin-3/2-Kernen dominierenden Quadrupolwechselwirkung erfolgt die Relaxation
von 23Na biexponentiell (Abb. 2). Anders als bei einem konventionellen FID (free induction decay) steigt das
tripelquantengefilterte Signal initial an, um nach einem Maximum wieder abzufallen. Die maximale
Signalintensität hängt dabei biexponentiell von der Präparationszeit 1 ab.
Allerdings stellte sich bei Variation der Präparationszeit 1 heraus, dass es aufgrund von destruktiver
Interferenz zwischen den verschiedenen durchlaufenen Kohärenzpfaden zu Auslöschungen im gemessenen
Signal kommt (Abb. 2a). Diese konnten jedoch bei der Nachverarbeitung durch Benutzen der bekannten
Phasenbeziehungen zwischen den Kohärenzpfaden mathematisch korrigiert werden [5] (Abb. 2b). Dabei
spielt, anders als in [5] dargestellt, der genaue Mechanismus, der zur Verschiebung der Phasen zwischen
den Kohärenzpfaden führt, keine Rolle, da am Ende nur Absolutwert-Signale benötigt werden.
Bei der tripelquantengefilterten Bildgebung treten die Auslöschungen ebenfalls auf (Abb. 3b), können
aber wiederum korrigiert werden (Abb. 3c). Im Vergleich zur nicht-gefilterten 23Na-Bildgebung (Abb. 3a)
verschwindet aufgrund des Tripel-Quanten-Filters das Signal des Phantoms ohne Agarose, während das
a)
b)
Abb. 2: 23Na-TQF-Spektroskopie am Agarose-Phantom: Signale als Funktion der Präparationszeit 1, a)
unkorrigiert, b) korrigiert. Messparameter: TR  100 ms, 2  50 µs, nav  60.
0%
10 %
0%
10 %
0%
10 %
2.5 %
5%
2.5 %
5%
2.5 %
5%
Abb. 3: In-vitro-23Na-Imaging ohne (a) Tripel-Quanten-Filter (Echozeit TE  0.2 ms, weitere Messparameter: Abb
2 / im Text) und mit (b, c) Tripel-Quanten-Filter (Messparameter: Abb. 2): b) nicht korrigiert, c) korrigiert.
Transversal-Schnitte durch das Agarose-Phantom (Agarose-Konzentrationen sind angegeben).
Signal der übrigen Phantome, in denen die Natriumionen mit Makromolekülen der Agarose-Struktur
assoziiert sind, erhalten bleibt. Die Eigenschaften der Dichte-angepaßten Radialsequenz ermöglichen
Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses im Vergleich zu konventionellen Radialsequenzen [7]. Das
Signal des Phantoms mit 10% Agarose-Gehalt erscheint deutlich abgeschwächt.
Diskussion
Die Schwierigkeit bei multiquanten-gefilterten MR-Messungen besteht darin, dass das Natriumsignal
um einen Faktor 10 gegenüber der konventionellen Messung der 1-Quanten-Kohärenz abgeschwächt wird,
so dass Kompromisse bei Auflösung und Signal-Rausch-Verhältnis eingegangen werden müssen. Das
Signal von Natriumkernen, die nicht mit makromolekularen Strukturen assoziiert sind, konnte mit Hilfe der
tripelquantengefilterten Bildgebung in Experimenten an Phantomen zuverlässig eliminiert werden. Allerdings
ist zumindest mit den gewählten Sequenzparametern noch kein Kontrast zwischen den Phantomen mit den
beiden mittleren Agarosekonzentration erkennbar. Die Signalabschwächung bei der hohen AgaroseKonzentration ist möglicherweise die Folge einer stark verkürzten T2-Zeit.
Für eine eventuelle spätere Anwendbarkeit des Verfahrens in vivo und in der diagnostischen
Bildgebung müssen technische Möglichkeiten gefunden werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich
zu erhöhen.
Literatur
[1] Winter, Bansal, Journal of Magnetic Resonance 152, 70–78 (2001)
[2] Stobbe, Beaulieu, Magnetic Resonance in Medicine 54, 1305–1310 (2005)
[3] Seshan et al., Magnetic Resonance in Medicine 38, 821-827 (1997)
[4] Hancu et al., Magnetic Resonance in Medicine 42, 1146-1154 (1999)
[5] Tanase, Boada, Journal of Magnetic Resonance 174, 270-278 (2005)
[6] Nielles-Vallespin et al., Magnetic Resonance in Medicine 57, 74–81 (2007)
[7] Nagel et al., Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16 (2008)