Verbesserte Messung des Herzstoffwechsels mittels zeitgleicher 31P und 1H 7T MR

Erkrankungen des kardiovaskulären Systems sind die häufigste Todesursache in der westlichen Welt und belasten das Gesundheitssystem erheblich. Koronare Herzerkrankung und Kardio-myopathien gehen oft mit Veränderungen des Energiestoffwechsels im Herzmuskel einher. Das menschliche Herz ist auf eine ständige Sauerstoff- und Energieversorgung angewiesen, um seinen erheblichen Energiebedarf zu decken.31P Kernspinresonanz- spektroskopie (MRS) kann den Energieumsatz im Herzmuskel anhand der Metaboliten Phosphorkreatin (PCr) und Adenosintriphosphat (ATP) direkt bestimmen. Sowohl die Konzentrationen von PCr und ATP als auch deren Verhältnis sind Biomarker für Gewebsintegrität und -funktion sowie exzellente Anzeiger des Krankheitsverlaufs. Im Rahmen dieses Projekts sollen die notwendigen Techniken und Methoden entwickelt werden, um das volle Potenzial der 7T MRS am Herzen auszuschöpfen. Der erste Schritt, um das Signal-Rauschverhältnis (SNR) eines Hochfeldkernspintomographen für 31P MRS und somit die Sensitivität der Metabolitenquantifizierung weiter zu steigern, ist eine effiziente, sensitive und robuste Radiofrequenzspule (RF-Spule). Diese 1H/31P Dual- frequenzspule wird aus mehreren sogenannten Transmissionslinienresonatoren (TLR) aufgebaut, eine rezente Entwicklung unseres Labors. TLRs sind mechanisch flexible, monolithische Strukturen, welche keine Kondensatoren benötigen und vorteilhafte Eigenschaften für die parallele Bildgebung (Beschleunigung) zeigen, was insbesondere beim sich bewegenden Herzen wünschenswert ist. 31P MRS Pulssequenzen werden bezüglich genauer räumlicher Lokalisierung und zeitlicher Auflösung optimiert. Die Anfälligkeit auf Atembewegungen, welche die Genauigkeit der Lokalisierung limitieren würde, wird mithilfe von 1H Kernspinresonanztomographie (MRI) korrigiert. Die Position der 31P Aufnahme wird laufend basierend auf MRI Navigatorbilddaten aktualisiert. Das Ziel ist, eine Lokalisierungsgenauigkeit zu erreichen, die die klare Abgrenzung verschiedener anatomischer Strukturen wie zum Beispiel der Vorderwand, des inter- ventrikularen Septums oder fokaler Läsionen ermöglicht. Am Ende dieses Projekts steht navigatorunterstützte 31P MRS sowohl für dynamische Messungen als auch als spektroskopische Bildgebung zur Verfügung. Der mit der in unserem Zentrum entwickelten, innovativen Technologie zu erwartende Zugewinn an Genauigkeit und Sensitivität wird die Qualität der 31P MRS des menschlichen Herzens und damit der direkten Messung des Energiestoffwechsels auf ein noch nie da gewesenes Niveau heben. Dies bedeutet eine erhebliche Weiterentwicklung für die klinische Forschung und in weiterer Folge für die Diagnose und Überwachung des Therapieverlaufs von kardiovaskulären Erkrankungen.

Erkrankungen des kardiovaskulären Systems sind die häufigste Todesursache in der westlichen Welt und belasten das Gesundheitssystem erheblich. Koronare Herzerkrankung und Kardiomyopathien gehen oft mit Veränderungen des Energiestoffwechsels im Herzmuskel einher. Das menschliche Herz ist auf eine ständige Sauerstoff- und Energieversorgung angewiesen, um seinen erheblichen Energiebedarf zu decken. Phosphor-Kernspinresonanzspektroskopie (31P MRS) kann den Energieumsatz im Herzmuskel anhand der Metaboliten Phosphorkreatin (PCr) und Adenosintriphosphat (ATP) direkt bestimmen. Sowohl die Konzentrationen von PCr und ATP als auch deren Verhältnis sind Biomarker für Gewebsintegrität und -funktion sowie exzellente Anzeiger des Krankheitsverlaufs. Im Rahmen dieses Projekts haben wir die notwendigen Techniken und Methoden entwickelt werden, um das volle Potenzial der 7T MRS am Herzen auszuschöpfen. Um das Signal-Rauschverhältnis (SNR) für 31P MRS und somit die Sensitivität der Metabolitenquantifizierung weiter zu steigern, wurde eine effiziente, sensitive und an den Körper angepasste Radiofrequenzspule (RF-Spule) entwickelt. Die 31P MRS Pulssequenzen wurden bezüglich genauer räumlicher Lokalisierung und spektraler Auflösung optimiert. Es ist damit nunmehr verlässlich möglich, direkt den Säure-Basezustand (pH-Wert) und die freie Enthalpie des Herzmuskels zu bestimmen. Die Anfälligkeit auf Atembewegungen, welche die Genauigkeit der Lokalisierung limitiert, wird mithilfe von 1H Kernspinresonanztomographie (MRI) korrigiert. Die Position der 31P Aufnahme wird laufend aktualisiert, da die Messungen mehrere Minuten lang dauern. In diesem Projekt wurden schnelle MRT-basierte Bewegungserkennung, sogenannte Navigatoren entwickelt. Dabei wird erstmals mit Hilfe von Computerisiertes Sehen (computer vision) die Position des Herzens vollautomatisch in Echtzeit nachverfolgt, eine Technik, die bisher in Videos zur Verfolgung bestimmter Objekte eingesetzt und entwickelt wurde. Der modulare Aufbau der Lokalisierung erlaubt den vergleichsweise einfachen Einbau in diverse MRS und MRT Techniken, sogenannte Sequenzen, unter anderem sowohl für dynamische Messungen als auch als spektroskopische Bildgebung zur Verfügung. Der mit der in unserem Zentrum entwickelten, innovativen Technologie zu erwartende Zugewinn an Genauigkeit und Sensitivität wird die Qualität der 31P MRS des menschlichen Herzens und damit der direkten Messung des Energiestoffwechsels auf ein noch nie da gewesenes Niveau heben. Dies bedeutet eine erhebliche Weiterentwicklung für die klinische Forschung und in weiterer Folge für die Diagnose und Überwachung des Therapieverlaufs von kardiovaskulären Erkrankungen.