In vivo 1H NMR spectroscopy of the rat brain at 16.4 T

Abstract

Since the discovery of nuclear magnetic resonance (NMR) in the middle of the 1940s, this phenomenon has become a crucial tool for investigating chemical compounds and protein structures. The introduction of imaging gradients for phase- and frequency-encoding made it possible to acquire spatial information giving rise to magnetic resonance imaging (MRI), which has been utilized widely in clinical and preclinical applications. Complementary to MRI, the development of sequences that use gradients to select a specific volume-of-interest (VOI) established magnetic resonance spectroscopy (MRS) for detecting the biochemical information in a specific location or a selected tissue type within a living subject. In contrast to MRI, which is based on the abundant signal from water, 1H MRS detects signals from protons attached to biologically more interesting molecules, suppressing the water signal, which leads to long measurement times due to the inherently low concentrations (millimolar) of the metabolites of interest. One of the fundamental approaches to solve this problem is to increase the static field strength.

The goal of this thesis was to develop and optimize a localization sequence for in vivo 1H NMR spectroscopy at 16.4 T, aiming for accurate quantification of metabolites. To increase the localization performance, outer volume suppression (OVS) modules preceded the localization part of the sequence. The use of short echo time (TE) enables to acquire the maximal neurochemical information, though with significant contributions from macromolecular components. A sophisticated algorithm, based on a linear combination of in vivo data with in vitro model spectra was used for precise quantification. A basis data set of metabolite spectra was generated by numerical simulation based on the density matrix formalism while macromolecular components were included by parameterization of measured signals.

The application of this methodology demonstrated the possibility to reliably acquire highly enhanced neurochemical profiles with the potential to quantify up to 20 metabolites in the rat brain. The sensitivity gain at ultra-high field strength was explored by analyzing the Cramér-Rao lower bounds (CRLB) as a function of the number of averages. Subsequently, interstrain differences in metabolite concentrations were examined in the thalamus and the hippocampus. The potential for extended applications of in vivo 1H NMR spectroscopy was demonstrated by acquiring the neurochemical profile in the posterior part of the rat brain, the cerebellum and the medulla oblongata, as well as in the hippocampus and the thalamus, demonstrating regional variations of metabolite concentrations. Intra- and inter-individual reproducibility was also investigated to ascertain the reliability and applicability of in vivo 1H NMR spectroscopy.

To assess the influence of the high field and the field homogeneity on the quantification, the dependence of the linewidth and signal-to-noise ratio (SNR) were examined with the use of Monte Carlo simulations. Finally, the effect of different ways to account for macromolecular signals on the results of metabolites quantification was investigated.

The experiments presented in the following chapters illustrate the high quality of spectral information that can be obtained in vivo at ultra-high field. Demonstrating reliable solutions to some of the main challenges of in vivo 1H NMR spectroscopy, like generation of basis spectra for quantification, implementing macromolecular signals into the quantification algorithm or optimization of the measurement protocol for ultra-short echo times, it is shown that highly accurate, quantitative values for the concentrations of up to 20 metabolites in the rat brain are possible, representing a detailed neurochemical profile.

The contents of chapters 2 to 5 are transcripts of papers that have been either published (chapters 2 to 4) or is in preparation to be submitted (chapter 5) to peer-reviewed journals specialized on MR imaging and spectroscopy.

Seit der Entdeckung der magnetischen Kernresonanz (nuclear magnetic resonance, NMR) in den 40er Jahren ist dieses Phänomen ein wichtiges Werkzeug in der Untersuchung chemischer Verbindungen und Proteinstrukturen geworden. Durch die Einführung von Bildgebungsgradienten zur Phasen- und Frequenzkodierung wurde es möglich, räumliche Informationen aufzuzeichnen, wodurch die Magnetresonanztomographie (MRI) begründet wurde, die vielerlei Anwendungen in klinischem und präklinischem Gebiet findet. Als Ergänzung zur Bildgebung wurde, durch die Entwicklung von Techniken zur Volumenselektion, die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) eingeführt, die es ermöglicht, biochemische Informationen aus einem bestimmten Bereich oder Gewebe eines lebenden Organismus zu erhalten. Im Gegensatz zur MRI, die auf dem starken Signal des hochkonzentrierten Wassers beruht, zeichnet die Protonenspektroskopie Signale von biologisch interessanteren Kernen unter Unterdrückung des Wassersignals auf, was aber aufgrund der geringen Konzentration der beobachteten Substanzen (millimolar) zu langen Messdauern führt. Eine grundsätzliche Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist die Erhöhung des statischen Magnetfelds.

Das Ziel dieser Arbeit war es, eine Lokalisationstechnik für in vivo Protonenspektroskopie bei 16,4 T zu entwickeln und zu optimieren, mit dem Ziel, Metaboliten mit hoher Genauigkeit quantifizieren zu können. Um die Lokalisationsgenauigkeit zu erhöhen, wurden Sequenzmodule zur Unterdrückung der umgebenden Bereiche (outer volume suppression, OVS) verwendet, die der eigentlichen Lokalisierung vorangehen. Durch die Verwendung kurzer Echozeiten (TE) wurde es ermöglicht, die größtmögliche Menge an neurochemischer Information zu erhalten, wenn auch mit starken Beiträgen von makromolekularen Komponenten. Ein anspruchsvoller Algorithmus, beruhend auf Linearkombinationen von in vivo Daten mit in vitro Modellspektren wurde angewandt, um die Metabolitenkonzentrationen quantitativ zu bestimmen. Ein Basisset aus Metabolitenspektren wurde durch numerische, auf dem Dichtematrixformalismus beruhende Simulationen erzeugt, während die Signale von Makromolekülen durch die Parameterisierung gemessener Daten berücksichtigt wurden.

Die Anwendung dieser Methodik zeigte die Möglichkeit, hochgenaue neurochemische Profile zu erhalten, wobei bis zu 20 Metaboliten im Rattenhirn verlässlich quantifiziert werden konnten. Der Empfindlichkeitsgewinn durch das hohe Magnetfeld wurde untersucht durch eine Betrachtung der Cramer-Rao lower bounds (CRLB) als Funktion der Zahl der Mittelungen. Weiterhin wurden Unterschiede der Metabolitenkonzentrationen in Thalamus und Hippocampus verschiedener Rattenrassen untersucht. Die Möglichkeiten zu weitergehenden Anwendungen der in vivo Protonenspektroskopie wurden durch die Aufzeichnung der neurochemischen Profile im hinteren Bereich des Rattenhirns, dem Cerebellum und der Medulla oblongata, sowie in Thalamus und Hippocampus betrachtet, wobei regionale Unterschiede in den Metabolitenkonzentrationen nachgewiesen werden konnten. Weiterhin wurde die intra- und interidividuelle Reproduzierbarkeit der ermittelten Werte untersucht, um Informationen über die Verlässlichkeit und praktische Anwendbarkeit der Technik zu erhalten.

Um den Einfluss des hohen Magnetfelds sowie der Feldhomogenität auf die Quantifizierung zu untersuchen, wurden Monte-Carlo Simulationen eingesetzt, um die Abhängigkeit von Linienbreite und Signal-zu-Rausch Verhältnis zu ermitteln. Zuletzt wurde der Effekt von verschiedenen Techniken zur Berücksichtigung des Signals von Makromolekülen betrachtet.

Die Experimente, die in den folgenden Kapiteln vorgestellt werden, zeigen die hohe Qualität der spektralen Information, die in vivo bei starken Magnetfeldern gewonnen werden kann. Es werden verlässliche Lösungen für einige der wichtigsten Probleme der in vivo Protonenspektroskopie gezeigt, wie etwa die Erzeugung von Basisspektren für die Quantifizierung, die Implementierung der Signale von Makromolekülen in den Quantifizierungsalgorithmus, sowie die Optimierung der Sequenzparameter für kurze Echozeit, und es wird gezeigt, dass hochgenaue, quantitative Werte für die Konzentrationen von bis zu 20 Metaboliten im Rattenhirn möglich sind, die somit ein detailliertes neurochemisches Profil darstellen.

Die Inhalte der Kapitel zwei bis fünf sind aus Artikeln übernommen, die in begutachteten Fachzeitschriften der MR-Bildgebung und -Spektroskopie entweder bereits veröffentlicht (Kapitel 2 bis 4) oder eingereicht (Kapitel 5) sind.