Separation of 23Na Compartments and Semi-Quantitative Determination of the Intracellular Sodium Concentration Using Ultra High Field Magnetic Resonance Imaging
Final Report Abstract
Die Magnetresonanztomographie (MRT) in der klinischen Routinediagnostik basiert zurzeit ausschließlich auf der Detektion des Signals von Wasserstoffatomkernen (1H). Natrium (23Na) besitzt nach H die besten Eigenschaften für die in vivo MRT. Natriumionen (Na+) spielen in vielen zellulären Prozessen eine wichtige Rolle, sodass die Na-MRT für viele Fragestellungen in der biomedizinischen Forschung von Interesse ist. Neben der nicht-invasiven quantitativen Bestimmung der gesamten Na+-Konzentration ist dabei die Trennung von verschiedenen Na+-Kompartimenten (z.B. intra- und extrazelluläres Na+) von großem Interesse. Für Anwendungen am Menschen eignen sich dazu jedoch nur relaxationsgewichtete Methoden oder die Triple-Quanten-gefilterte (TQF) 23Na-MRT, die beide nur eine teilweise Trennung des intra- und extrazellulären Signals ermöglichen. Andere Gruppen konnten im Tiermodell zeigen, dass der größte Teil des TQF Signals aus dem Intrazellulärraum stammt. Allerdings ist das Signal der TQF-23Na-MRT um ca. eine Größenordnung gegenüber der konventionellen 23Na-MRT reduziert. Aufgrund der geringen räumlichen Auflösung erschweren außerdem Partialvolumeneffekte quantitative Messungen. Fokus eines Teilprojekts dieses Antrags war die Implementierung und Evaluierung einer Methode zur Korrektur von Partialvolumeneffekten. Zusätzlich wurden Verfahren zur Korrektur von B0- und B1-Inhomogenitäten implementiert. Zusammen mit der Partialvolumenkorrektur konnte die Genauigkeit von quantitativen Na-MRT Messungen deutlich verbessert werden. Das Signal-zu-Rausch Verhältnis (SNR) der 23Na-MRT ist aufgrund der geringen in vivo Na+-Konzentration und der geringeren MR-Empfindlichkeit des Na-Atomkerns um ca. 3 Größenordnungen kleiner als das SNR der konventionellen 1H-MRT. Das geringe SNR limitiert die erreichbare räumliche Auflösung und erfordert lange Messzeiten. Durch die Verwendung von Mehrkanalspulen konnte das SNR verbessert werden. Hierzu wurde auch ein spezielles Rekonstruktionsverfahren (adaptive combine) für die Anwendung im Bereich der 23Na-MRT optimiert. Im Rahmen des Antrags wurde außerdem eine neue Methode für die biexponentiell gewichtete 23Na-MRT entwickelt, die ebenfalls Tripelquantenkohärenzen detektiert. Die neue Methode ermöglicht aber ein ca. 3fach höheres SNR im Vergleich zur konventionellen TQF-23Na-MRT. Zusätzlich kommt die neue Methode mit zwei (statt drei) Anregungspulsen aus, was zu einer entsprechenden Verringerung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) führt und somit die Anwendung der Methode bei der Ultra-Hochfeld MRT erleichtert. Außerdem wird nur ein 4-fach (statt 6-fach) Phasenzyklus benötigt, was eine Reduktion der Messzeit ermöglicht. Damit wird eine Anwendung der Messtechnik in klinischen Studien erleichtert. Da Natrium im menschlichen Körper gelöst als Ion vorliegt, wurde auch eine Methode entwickelt die eine Normierung der Natriumkonzentration auf den lokalen Wassergehalt ermöglicht. Im Rahmen des Projekts konnten neue Messverfahren, Bildrekonstruktionsverfahren und verschiedene Korrekturverfahren entwickelt und evaluiert werden. Damit konnten die methodischen Möglichkeiten der 23Na-MRT insgesamt und auch die Möglichkeiten zur Trennung verschiedener Na+ -Kompartimente deutlich erweitert werden. Abschließend konnte eine Studie an Patienten mit muskulären Ionenkanalerkrankungen durchgeführt werden, in der die klinische Anwendbarkeit einiger Methoden gezeigt werden konnte.
Publications
- Improved T2* Determination in 23Na, 35Cl, and 17O MRI Using Iterative Partial Volume Correction Based on 1H MRI Segmentation. Magn Reson Mater Phy 2017
Niesporek SC, Umathum R, Fiedler TM, Bachert P, Ladd ME, Nagel AM
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/s10334-017-0623-2) - Two-pulse biexponential-weighted 23Na imaging. J Magn Reson 2014; 240C:67-76
Benkhedah N, Bachert P, Nagel AM
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jmr.2014.01.007) - Partial volume correction for in vivo 23Na-MRI data of the human brain. Neuroimage 2015; 112:353-363
Niesporek SC, Hoffmann SH, Berger MC, Benkhedah N, Kujawa A, Bachert P, Nagel AM
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2015.03.025) - 7-T 36Cl and 23Na MR Imaging for Detection of Mutation-dependent Alterations in Muscular Edema and Fat Fraction with Sodium and Chloride Concentrations in Muscular Periodic Paralyses. Radiology 2016; 151617
Weber MA, Nagel AM, Marschar AM, Glemser P, Jurkat-Rott K, Wolf MB, Ladd ME, Schlemmer HP, Kauczor HU, Lehmann-Horn F
(See online at https://doi.org/10.1148/radiol.2016151617) - Evaluation of adaptive combination of 30-channel head receive coil array data in 23Na MR imaging. Magn Reson Med 2016; 75(2):527-536
Benkhedah N, Hoffmann SH, Biller A, Nagel AM
(See online at https://doi.org/10.1002/mrm.25572) - Mapping of Sodium and Water Content Ratio in Vivo in the Human Calf. In: Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 2016. p 3945
Marschar AM, Berger M, Ladd M, Bachert P, Nagel AM
