Titelaufnahme

Titel
Three-dimensional magnetic resonance spectroscopic imaging for absolute quantification of in vivo 31P metabolites in human liver / Author Marek Chmelik
Verfasser / VerfasserinChmelík, Marek
Begutachter / BegutachterinMoser, Ewald
Erschienen2009
Umfang146 S. : 1 CD-ROM, MRSI-TOOL ; zahlr. Ill. u. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2009
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Magnetresonanzspektroskopiebildgebung, Phosphor, menschliche Leber, Absolute Quantifizierung, Konzentration, Magnetresonanzspektroskopie
Schlagwörter (EN)spectroscopic imaging, phosphorus, human liver, absolute quantification, concentration, magnetic resonance spectroscopy
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-5943 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
Three-dimensional magnetic resonance spectroscopic imaging for absolute quantification of in vivo 31P metabolites in human liver [6.33 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es ein verbessertes Protokoll (z.B. höherer räumliche Auflösung, höhere Feldstärke, vereinfachte Akquisition und Erstellung von Karten der räumlichen Konzentrationsverteilung) für die absolute Quantifizierung von in vivo 31P-Lebermetaboliten vorzustellen. Dies wurde durch hochaufgelöste k-Raum gewichtete 31P 3D-Magnetresonanzspektroskopiebildgebung (MRSI) erreicht unter Verwendung einer B1 insensitiven Anregung. Darüber hinaus wurde die Realisierbarkeit der Quantifizierung von 31P Metabolitkonzentrationen in der Leber von gesunden Probanden und Typ II Diabetes Patienten getestet.

Die vorliegende Arbeit besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil enthält eine Zusammenfassung des notwendigen technischen Hintergrundes und erläutert die Motivation für die im Weiteren beschriebenen Experimente aus physiologischer Sicht. Nach einer Einführung über die Geschichte der in vivo MRS (Kapitel 1.1), werden einige physikalisch-technischen Grundlagen der MRS zusammengefasst, die für die vorgestellten Experimente relevant sind. Dies inkludiert MRS-relevante Eigenschaften von Oberflächenspulen (Kapitel 2.2), Radiofrequenzpulsen (Kapitel 2.3), insbesondere B1-unabhängige oder adiabatische Pulse, ein Kapitel über die Multivoxellokalisierungstechnik MRSI (Kapitel 2.4) und ein Kapitel, welches Strategien für absolute Quantifizierung zusammenfasst (Kapitel 2.5).

All diese Kapitel tragen zum Hauptziel dieser Arbeit bei, welches auf der Tatsache basiert, dass in vivo MRS prinzipiell dafür eingesetzt werden kann absolute Konzentrationen, in mmol L-1 oder mymol.g-1, von Gewebe in vivo zu bestimmen. Kapitel 3 gibt einen Überblick über die Relevanz der in vivo Multikernspektroskopie in der menschlichen Leber, welche eine einzigartige Möglichkeit für die nicht-invasive Untersuchung des menschlichen Stoffwechsels darstellt. Dieser Teil wird mit der Beschreibung der Motivation dieser Arbeit abgeschlossen (Kapitel 4). Der zweite Teil beginnt mit einer Beschreibung des experimentellen Protokolls (Kapitel 5.1). Dies beinhaltet Informationen über die Hardware (MR System, HF Oberflächenspulen), die entwickelten Software- akete für die Verarbeitung, Darstellung und Quantifizierung der MRSI Daten Quellcodes sind auf einer mitgelieferten CD-ROM enthalten) und eine Beschreibung der Quantifizierungsschritte, welche zur Bestimmung der absoluten Konzentrationen der hepatischen 31P Metaboliten führen.

Mittlerweile wurden die absoluten Konzentrationen der hepatischen 31P Metaboliten in mehr als 30 Versuchspersonen erfolgreich bestimmt. Die Resultate dieser Experimente werden in Kapitel 5.2 und Kapitel 6 zusammengefasst. Das beschriebene Protokoll und die Daten von jungen gesunden Probanden wurden kürzlich publiziert. Die Daten der Typ II Diabetes Patienten, BMI und altersmässig übereinstimmenden Kontrollpersonen werden bei einer internationale Konferenz präsentiert und werden ebenfalls in einen international peer-review Journal publiziert. Die Doktorarbeit wird durch Folgerungen aus diese Arbeit und Zukunftsperspektiven abgeschlossen. Zusammengefasst, präsentiert diese Arbeit eine hochaufgelöste 3D 31P MRSI Technik, die die Quantifizierung von hepatischen 31P Metabolitenkonzentrationen und deren räumliche Verteilung in der menschlichen Leber erlauben. Infolge der einfachen und robusten Natur des experimentellen Designs, sollte diese Methode nicht nur für Studien der physiologischen Regulierung des hepatischen Energiestoffwechsels geeignet sein, sondern auch für zukünftige klinische Annwedungen. Die Methode sollte speziell zu einem besseren Verständnis der Anomalien beitragen, die Leberstoffwechselerkrankungen zugrunden liegen, welche nicht durch Alkohol induziert sind sowie fokalen (neoplastischen) Lebererkrankungen.

Zusammenfassung (Englisch)

The aim of this dissertation thesis is to introduce an improved protocol (i.e.

higher spatial resolution, higher magnetic field, simplified acquisition and creating maps of concentration spatial distribution) for the absolute quantification of in vivo hepatic 31P metabolites. This has been achieved by high resolution 31P 3D k-space weighted Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging (MRSI) using B1 insensitive adiabatic excitation. Furthermore, the feasibility of quantification of 31P metabolites concentrations in the livers of healthy volunteers and type 2 diabetic patients was tested.

This work is composed of two parts. The first part presents a summary of the technical background as well as a physiological motivation for the experiments that will be described in the second part. After an introduction about the history of invivo MRS (Chapter 1.1), basics of MRS, which are relevant to presented experiments, are summarized. This involves MRS related properties of surface coils (Chapter 2.2), radiofrequency (RF) pulses (Chapter 2.3), especially B1 independent pulses or adiabatic RF pulses, a chapter about the multivoxel localization technique MRSI (Chapter 2.4) and a chapter which summarizes absolute quantification strategies (Chapter 2.5).

All this chapters are contributing to the main goal of this work, which is based on the fact that in-vivo MRS can, in principle, be used to assess absolute concentrations in mmol L-1 or mymol.g-1 of tissue in vivo. Chapter 3 describes physiological relevance of multinuclear in-vivo NMR spectroscopy in human liver, which offers a unique possibility to study human hepatic energy metabolism non-invasively.

This part is concluded by a summary about motivation for this work (Chapter 4). The second part starts with a description of the experimental protocol (Chapter 5.1), including information about hardware (MR scanner, RF surface coil), the software package developed for processing, displaying and quantifying MRSI data (source codes are supplied on attached CD-ROM drive) and the description of quantitation steps, leading to the assessment of absolute concentration of hepatic 31P metabolites. This is followed by tests of protocol validation and assessment of protocol reproducibility. Meanwhile, the absolute concentrations of hepatic 31P metabolites in more than 30 subjects have been estimated successfully. The results of these experiments will be summarized in (Chapter 5.2 and Chapter 6). The described protocol and data of young healthy volunteers were recently published and the data of type 2 diabetic patients and BMI and age matched controls are accepted for an international conference and will be submitted to international peer-review journal. The thesis is complemented by conclusions and future perspectives. In summary, this thesis presents a high-resolution 3D 31P MRSI technique that allows quantification of hepatic 31P metabolite concentrations and their spatial distribution in human liver.

Owing to the simple and robust nature of the experimental design, this method should not only be suitable for studies on physiologic regulation of hepatic energy metabolism but also for future clinical applications.

In particular, this approach should contribute to a better understanding of abnormalities underlying metabolic liver diseases such as non-alcoholic liver disease and focal (neoplastic) liver diseases.