3D MRSI des gesamten Gehirns bei 7T

Dieser Projektantrag für das Erwin Schrödinger Auslandsstipendium des FWF handelt von hochaufgelöster MR spektroskopischer Bildgebung (MRSI) des gesamten Gehirns bei hoher magnetischer Feldstärke wie 7T. MRSI hat großes Potential zum Erkennen und Differenzierenvon Gehirnerkrankungen. Hochqualitative Daten wurden erreicht durch Kombinieren der Vorteile von 7T mit hoher Auflösung, einer Beschleunigungsmethode namens "parallel imaging", und anderen methodischen Verbesserungen. Die Beschleunigung von parallel imaging ist allerdings nicht ausreichend für MRSI des gesamten Gehirns bei hohen Auflösungen. Weiters ist das Magnetfeld bei 7T in vielen Hirnregionen inhomogen, welche für Gehirnerkrankungen und psychiatrische Störungen relevant sind. Dies führt zu verminderter Datenqualität. Beide Probleme verhindern den umfangreichen Einsatz von MRSI für klinische und neurowissenschaftliche Studien. Deshalb schlagen wir die Nutzung spezieller Spulen zur gleichzeitigen Datenakquisition und Verbesserung der Homogenität des Magnetfeldes vor, und den Einsatz von Beschleunigungsmethoden wie "SPICE" und "compressed sensing". Damit ist hochaufgelöstes MRSI des gesamten Gehirns bei 7T erstmals möglich. Zusammen mit der hohen Auflösung ist eine noch nie dagewesene Qualität und Auswirkung auf klinische Studien zu erwarten. Mit diesem Projektantrag wollen wir beantworten, ob die vorgeschlagene Spule das Magnetfeld genug homogenisiert um MRSI im gesamten Gehirn zu ermöglichen. Weiters, welche Kombination von Beschleunigungsmethoden die besten Ergebnisse liefert, und ob die beste Methode genügend beschleunigt. Schließlich, ob MRSI des gesamten Gehirns bei 7T mit dieser Methodik möglich ist. Diese Fragen werden beantwortet durch Vergleichen der Magnetfeldhomogenität mit und ohne Verwendung der vorgeschlagenen Spule. Die verschiedenen Beschleunigungsmethoden werden in einem multi-compartment Phantom mit bekannten Metabolitenkonzentrationen als Goldstandard verglichen. Für in-vivo Messungen wird eine standardmäßige MRSI Sequenz als Goldstandard verwendet. Es wird vorgeschlagen das Projekt in einem zweijährigen Aufenthalt im MGH/HST Athinoula A. Martinos Center in Zusammenarbeit mit Prof. Ovidiu Andronesi durchzuführen mit einer einjährigen Rückkehrphase zur Medizinischen Universität Wien. Durch Zusammenarbeit mit Dr. Stockmann, Dr. Ma, und Prof. Adalsteinsson ist eine Spule zur gleichzeitigen Signalakquisition und Verbesserung der Magnetfeldhomogenität für 7T, die SPICE Rekonstruktion, und compressed sensing Know-how und Quellcode verfügbar. Dadurch ist das Martinos Center die optimale Institution um die vorgeschlagenen Studien durchzuführen.

Magnetresonanzspektroskopische Bildgebung (MRSI) ist eine Methode zur Untersuchung der Konzentrationen bestimmter Stoffwechselprodukte wie Glutamat oder Kreatin mit einem MR-Scanner. Diese Metaboliten verändern sich häufig bei Krankheiten wie Tumoren oder Multipler Sklerose. MRSI ist nicht invasiv, aber hochauflösende Messungen von MRSI-Daten im Gehirn sind durch lange Messzeiten (~30 Minuten) und durch Inhomogenitäten des Hauptmagnetfeldes des Scanners eingeschränkt. Ziel dieses Projekts war es daher, eine Beschleunigungsmethode für 3D-MRSI zu entwickeln und fortschrittliche Hardware ("AC/DC-Spulen") zur Homogenisierung des Magnetfelds des MR-Scanners zu verwenden, um hochauflösende 3D-MRSI des gesamten Gehirns bei einer Feldstärke von 7 T zu ermöglichen. Die Beschleunigung wurde durch zwei Methoden zusätzlich zur Beschleunigung von spiralförmigen Trajektorien zur Signaldetektion vorgeschlagen: Die eine, "SPICE" genannt, nutzt ein mathematisches Modell, um die räumliche und die spektroskopische Dimension der Daten teilweise abzuspalten und verbessert so die Datenqualität bei gleichzeitiger Beschleunigung. Bei der anderen Methode werden während der Akquisition in der räumlichen Dimension zufällig Datenpunkte ausgelassen, und es wird spezifisches Vorwissen verwendet (z. B. dass sich das MR-Signal innerhalb des Gehirns nicht schnell ändert), um die fehlenden Daten zu rekonstruieren. Die AC/DC-Hardware verwendet dieselben MR-Spulen zur Signalerfassung ("AC", dieses Signal ist ein hochfrequenter Wechselstrom, engl. für "alternate current") und zur Homogenisierung des Hauptmagnetfelds des MR-Scanners. Dies wird erreicht, indem den Spulen ein Gleichstrom ("DC", engl. für "direct current") zugeführt wird, der ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum zur Homogenisierung des Hauptmagnetfeldes verwendet werden kann. Im Laufe des Projekts stellte sich heraus, dass spiralförmige Trajektorien zur Erkennung des MRSI-Signals Daten von geringer Qualität lieferten, weshalb stattdessen konzentrische Ringtrajektorien verwendet wurden. Auch die SPICE-Methode lieferte keine zufriedenstellenden Ergebnisse, da die räumlichen Verteilungen der verschiedenen Metaboliten zu ähnlich waren, was bei der vollständig abgetasteten "Goldstandard"-Rekonstruktion nicht der Fall war. Im Gegensatz dazu zeigte die Compressed Sensing Methode gute Ergebnisse für einen 2D-Datensatz bis zu Beschleunigungen von etwa 2,0-3,0. Die Homogenisierung des Hauptmagnetfeldes des Scanners mit AC/DC-Spulen funktionierte sehr gut, was bei Probanden die Datenqualität und das Volumen des quantifizierbaren Hirnvolumens nachweislich verbesserte. Bei Hirntumorpatienten wurde gezeigt, dass diese Methode den Nachweis eines bestimmten Metaboliten namens "D-2-Hydroxyglutarat" verbessert, so dass seine Detektion besser mit dem Tumorgewebe korreliert. Dies ist wichtig, da sich gezeigt hat, dass der Nachweis dieses Metaboliten mit dem Ausgang der Krankheit korreliert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Projekt dazu beitragen kann, MRSI des Gehirns zu verbessern, indem die Erfassung schneller und die Methodik zuverlässiger wird. Sie könnte daher in der klinischen Routine oder in der Neurowissenschaft nützlicher, verfügbarer und zuverlässiger werden.