Diffusion-weighted H and
P
NMR Spectroscopy on a Clinical MR Scanner
Abstract
NMR offers the possibility to measure diffusion coefficients by switching
a dephasing and a rephasing magnetic field gradient. These techniques
have been implemented on a clinical MR scanner.
The result of the diffusion coefficient strongly depends on the
evaluation procedure. Using a STEAM based sequence, the quality of the
aquired spectra is best, whereas non volume-selective techniques, pi
pulses and surface coils cause major distorsions owing to eddy
currents induced by strong gradients.
Motion artefact compensation is indispensable for diffusion
spectroscopy, but offers also benefit in standard spectroscopy.
A solution of N-acetyl aspartate (100 mM, 20)
was found to have a
.
Lactate has a D=(0.69 +/-
0.03)*10-9m2/s under same conditions.
The anisotropy of NAA diffusion was examined in the corpus callosum of
nine volunteers. Parallel to the axons, D is a factor of 1.5 higher
then perpendicular to them.
The absolute values of the NAA diffusion coefficients vary considerably
among the individuals; the mean value is
resp.
.
A STEAM sequence with a very short echo time was implemented both
in C and P
spectroscopy to carry out first experiments with diffusion measurements.
The work of this phd thesis was performed in the NMR
spectroscopy group at the German Cancer Research Center
(DKFZ) in Heidelberg
in 1996-98.
Diffusiongewichtete H- und
P-NMR-Spektroskopie am Kernspintomographen
Zusammenfassung
Ausgangspunkt dieser Arbeit ist eine von Stejskal und Tanner
(J.Chem. Phys. 42,288) entwickelte Technik, mit der mittels NMR
Diffusionskoeffizienten gemessen werden können. Dies geschieht durch
Schalten eines defokussierenden und eines rephasierenden magnetischen
Feldgradienten. Die Messung wird bei verschiedenen Gradientenstärken
wiederholt, und aus der zunehmenden Signaldämpfung läßt sich der
Diffusionskoeffizient D berechnen.
In dieser Arbeit wurden verschiedene Varianten dieser Technik auf einem
Ganzkörpertomographen implementiert mit dem Ziel
einer diffusionsgewichteten H- und
P-NMR-Spektroskopie an
Metaboliten (Stoffwechselprodukten) in vivo. Dabei stellte sich
insbesondere die Aufgabe, eine erwartete Anisotropie der
Diffusionskoeffizienten nachzuweisen.
Die Experimente zur Evaluierung der verschiedenen Sequenztechniken
wurden an einem Magnetom SP (SIEMENS AG, Erlangen) mit verschiedenen
Modellösungen durchgeführt. Zur Messung der anisotropen Diffusion wurden
Probanden mit der H-
bzw. P-NMR-Spektroskopie in einem
Magnetom Vision untersucht.
- Der Wert des Diffusionskoeffizienten hängt empfindlich
von dem verwendeten Auswertungsverfahren ab und kann (beim gleichen
Meßdatensatz) um über 100% schwanken. Beste Ergebnisse werden
erzielt, wenn zur Flächenbestimmung der Resonanzlinien die Spektren
zunächst durch Lorentz-Linien angepaßt werden.
- Von den implementierten Verfahren zur Diffusionsmessung liefern
STEAM-Sequenzen die vergleichsweise beste Qualität der Spektren.
Die Verwendung von
nicht-voxelselektiven Sequenzen und von Sequenzen mit 180o-Pulsen
(Spin-Echo, Composite-Sandwich) führt bei steigender Gradientenstärke
zu starken Verzerrungen. Die Verwendung von Antennen mit einem inhomogenen
B-Feld, d.h. von
Oberflächenspulen, führt ebenfalls zu Verzerrungen.
- Diese Verzerrungen werden v.a. durch induzierte Wirbelströme
verursacht. Tomographen ohne aktiv abgeschirmte Gradienten sind daher zu
quantitativen Messungen ungeeignet.
- Es wurde eine Sequenz entwickelt, mit der sich die Wirbelströme des
Gradientensystems überprüfen lassen.
- Für N-Acetylaspartat (NAA) wurde in wäßriger Lösung (100 mM,
20o C)
gemessen. Für Laktat ist D=(0.69 +/-
0.03)*10-9m2/s
unter denselben Bedingungen.
- Bei In-vivo-Diffusionsmessungen ist eine Bewegungskorrektur
(Posse
et al., Radiology 188,719) unerläßlich. Dieses Verfahren
wurde nun
auch bei der `konventionellen' Spektroskopie eingesetzt. Bei
Untersuchungen im Abdomen läßt sich damit das SNR um mehrere
Größenordnungen steigern.
- Die Richtungsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten von NAA
wurde bei neun Probanden im Corpus Callosum gemessen. D ist
längs der
Axonen um einen Faktor 1.5 höher als senkrecht dazu.
- Die absoluten Werte der
H-Diffusionsmessungen an NAA im Axon
schwanken relativ stark zwischen den Individuen; der Mittelwert beträgt
längs den Axonen
und quer dazu
.
- In der P-NMR-Spektroskopie wurden
zwei verschiedene
Lokalisationstechniken implementiert: Eine STEAM-Sequenz mit einer
minimalen Echozeit von 3.2 ms sowie eine modifizierte FROGS-Sequenz mit
sechs Sättigungsschichten. Ein Problem sind die
geringen Signalintensitäten in diesen Messungen.
- Messungen zur Richtungsabhängigkeit der Diffusion von
Phosphokreatin mit der
P-NMR-Spektroskopie im Wadenmuskel von
einigen
Probanden ergaben ein uneinheitliches Bild.
- Es wurde eine STEAM-Sequenz für C
implementiert. An
Aceton konnte mit einer diffusionsgewichteten STEAM-Sequenz die
Selbstdiffusion nachgewiesen werden.
Diese Arbeit wurde in der Arbeitsgruppe für multi-nukleare in-vivo
NMR-Spektroskopie am Deutschen Krebsforschungszentrum
(DKFZ) in Heidelberg
angefertigt. Der vollständige Text ist in Form eines pdf-Files
auf Nachfrage gerne erhältlich.
Created: 3-Mar-2001. Last changed: 16-May-2001.
© Michael Zwanger