Bart Van De Bank

Diagnostiek met behulp van magnetische resonantie kan niet gedaan worden zonder een radio frequente spoel. Waar klinische MRI systemen standaard een spoel ingebouwd hebben heeft het systeem met een veldsterkte van 7 tesla deze niet. Dat is natuurlijk een paradijs voor de radio frequente spoelen ontwikkelaar, omdat hij (of zij) deze naar hartenlust kan ontwerpen en ontwikkelen. Voor het doen van experimenten aan andere kernen dan proton (multi-nucleair) zijn er nauwelijks commerciële spoelen te krijgen en moet er altijd een aparte RF spoel gemaakt worden voor verschillende frequenties en verschillende lichaamsdelen. Zo’n speciale spoel is gepresenteerd in hoofdstuk 4. Hierin wordt een spoel beschreven die speciaal voor extreem hoog veld gemaakt is en die met meerdere kanalen tegelijk de radio frequente signalen op protonen kan zenden en ontvangen. Daarnaast heeft deze een aparte volume spoel waarmee de fosfor kernen aangeslagen kunnen worden en heeft de meetopstelling een aparte ontvangst unit die voor een 7 keer zo sterk signaal zorgt dichtbij de ontvangst elementen. De meetopstelling bestaat dan ook uit 3 verschillende onderdelen: een 8 kanaals proton hoofdspoel, daarin past een vogelkooi die actief aangeschakeld wordt om de MR signalen naar de fosfor kernen te verzenden. In deze spoel is module van 7 ontvangstspoelen gemaakt die de signalen van de fosfor kernen weer oppakt. De hogere gevoeligheid van de fosfor signalen gecombineerd met het kleinere ontvangst volume, zorgt ervoor dat we in relatieve volumes (3.0 ml) in de occipitale cortex van het menselijk brein in klinisch acceptabele meettijden (~15 minuten) kunnen meten. Deze meetopstelling is gebruikt voor het onderzoek gepresenteerd in hoofdstukken 6 en 7.

Voor de studie gepresenteerd in hoofdstuk 5 onderzochten we variabiliteit en reproduceerbaarheid van een 1H spectroscopie meetmethode, welke een beperkte chemische verschuiving verplaatsingsfout heeft. Daarvoor is een identieke pulssequentie geïmplementeerd op vier verschillende 7T systemen. Deze systemen werden vervaardigd door twee verschillende leveranciers, Philips en Siemens. We beoordeelden de variaties en de reproduceerbaarheid van concentraties van verschillende metabolieten in 7 gezonde vrijwilligers met behulp van 1H spectra. Deze spectra waren van hoge kwaliteit en met een korte echo tijd opgenomen in een tweetal klinisch relevante gebieden uit de hersenen, namelijk de achterste cingulate cortex (grijze stof) en de corona radiata (witte stof). De data verwerking en analyse van alle MR-systemen is centraal uitgevoerd, waardoor dit werk kan dienen als een standaardisatie voor MR-spectroscopie op hoog veld MRI. Dit is een belangrijke stap naar een bredere bruikbaarheid en een krachtigere impact van de methodologie voor neurologie en voor klinische toepassingen. In deze studie is aangetoond dat het samenvoegen van data-ontvangst en na-verwerking van deze meetmethode zeer vergelijkbare resultaten oplevert op vier verschillende 7 Tesla systemen. De nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid die bereikt is met de semi-LASER sequentie in deze studie kan voortaan gebruikt worden als leidraad voor het kwantificeren van metabolietconcentraties in toekomstige (klinische) studies.

Met of zonder signaal verhoging meten, dat is de vraag die beantwoord wordt in hoofdstuk 6. Signaal verhoging van PNP signalen kan op het eerste gezicht worden gezien als een veelbelovend instrument om ofwel meettijden in te korten, of om de ruimtelijke resolutie te verhogen. Het was echter nog niet bekend of deze signaal verbetering gunstig was voor alle PNP kernen op een hoge veldsterkte in het brein. Ook was het onbekend of er geen extra variatie toegevoegd werd aan de verkregen gegevens door de methode om signaal verhoging te verkrijgen. Om deze vraag te beantwoorden, hebben we gekeken naar de variaties in verschillende metingen. Een van de metingen had niet NOE-verhoogde signalen (native), en de ander had wel NOE-verhoogde signalen. De vraag kan voor een groot deel beantwoord worden met ‘ja’. De verbetering van het signaal, gegenereerd door NOE-verbeterde metingen, verhoogde de relatieve herhaalbaarheid van de metingen in de hersenen in gezonde vrijwilligers. Variaties die zijn gevonden in de metingen per metaboliet, met en zonder NOE-verbeteringen, kunnen bijna geheel worden verklaard door de variatie in herhaalbaarheid van de individuele PNP MRSI metingen. Daarom moedigen wij het gebruik van NOE versterkte PNP MRSI aan.

Wetende dat NOE verbetering geen kwaad kan in de metingen en gezien het feit dat we een uitstekende RF-spoel hebben, kunnen we de haalbaarheid van functionele PNP-MRSI (fMRSI) aantonen op 7T. Dat hebben we gedaan in hoofdstuk 7. Daarbij verkenden we de rol van de hoog-energetische buffer die aanwezig is in de menselijke visuele cortex. Metingen hieraan zijn eerder gedaan, maar leverden minder nauwkeurige resultaten op vergeleken met die van ons. Met behulp van de geoptimaliseerde meetopstelling voor gelokaliseerde spectroscopische beeldvorming zoals beschreven in hoofdstuk 4, gecombineerd met lokale NOE-verbetering (hoofdstuk 6), waren we in staat om de signaal intensiteit van de PNP kernen te verhogen. Dit stelde ons in staat om herhaaldelijk gelokaliseerde 3D MRSI te doen met voldoende kwaliteit in een beperkte scantijd, waardoor gelokaliseerde spectroscopie tijdens visuele stimulatie en tijdens rust mogelijk werd. Met deze zeer gevoelig setup, toonden we aan dat de amplitude van PCr, Pi en ATP nauwelijks veranderde tijdens een visuele stimulatie. Hoewel enkele kleine veranderingen tijdens langere stimulaties zichtbaar waren konden er statistisch geen significante verschillen ontdekt worden. Dit toont aan dat het zeer moeilijk of zelfs onmogelijk is om de PCr-buffer leeg te maken. Het kan zijn dat het reservoir zeer snel wordt aangevuld, omdat er enige bescherming voor leegloop van dit systeem in de hersenen aanwezig zijn. Het kan ook suggereren dat dit energiereservoir in de visuele cortex nauwelijks of helemaal niet aangesproken wordt tijdens visuele stimulatie. Eerder gerapporteerde veranderingen in deze stof tijdens visuele stimulatie konden we niet nabootsen, zelfs niet bij zeer hoge veldsterktes in combinatie met een speciale zeer gevoelige meetopstelling. Dit gaf ons de indruk dat het energie buffer niet optreedt als een belangrijke energiebron in de visuele cortex.

Perspectieven voor de Toekomst
In dit proefschrift is de nauwkeurigheid en stabiliteit van metingen aan neuro-chemische verdelingen en hoog-energetische fosfaat niveaus in het menselijk brein op 7T bestudeerd en beschreven. De stabiliteit en betrouwbaarheid van metingen blijft een discussiepunt tussen spectroscopisten overal ter wereld.

Onafhankelijk van de unieke kwaliteiten en onderdelen van elk MR systeem en visie van verschillende onderzoeksgroepen die mogelijk hetzelfde systeem gebruiken zou iedere spectroscopie meting eenzelfde betrouwbare en reproduceerbaar resultaat op moeten leveren. Hoewel de concentraties van metabolieten doorgaans gerapporteerd worden binnen een bepaalde range, kan het goed zijn dat verschillende nabewerkingsstappen inclusief kwantificatie leiden tot verschillende resultaten. Daarom stel ik voor om de stabiliteit en invloed van verschillende kwantificatie algoritmen te onderzoeken. Daarbij dient ook gekeken te worden naar verschillende niveaus van voorkennis en dient men gebruik te maken van dezelfde datasets. Hiermee kan de kwantitatieve aard van spectroscopie bevestigd worden. Daarnaast kan deze studie aangeven waar de mogelijke bottlenecks zijn bij het kwantificeren van de data.

Een andere mogelijkheid die met dit proefschrift naar voren komt is het onderzoeken van de haalbaarheid van multi-nucleaire excitatie enkel en alleen van het gebied van interesse. Als eerste stap daarvoor hebben we de combinatie van B1-shimming en NOE verhoging voor PNP MRSI met meerdere ontvangstspoelen gepresenteerd. Met deze meetopstelling zou het mogelijk moeten zijn om de meerdere zendkanalen te gebruiken om transmit-SENSE toe te passen om daarbij alleen, via polarisatie technieken, de regio van interesse aan te slaan. Daarmee is het mogelijk om een nog hogere resolutie te behalen, of om alleen een intern structuur van een bepaald weefsel te onderzoeken.

Het meten van energie metabolisme in het menselijk brein gedurende langere perioden van visuele stimulatie is mogelijk geworden door alle besproken zaken in dit proefschrift te combineren. Hoewel we geen verandering in de hoog energetische fosfaten hebben gevonden gedurende de langere stimulatie perioden, kan het nog steeds het geval zijn dat deze slechts een rol spelen bij het begin van de activatie, waarbij de tijdschaal wellicht enkele seconden bedraagt, tussen gebruik en aanvulling van deze energie buffers en dat dit sneller verwerkt wordt dan te detecteren is. Een andere mogelijke verklaring kan zijn dat dit reservoir niet of nauwelijks aangesproken wordt in de visuele cortex van het menselijke brein tijdens visuele stimulatie. Hierover is nog geen consensus gepresenteerd in de wetenschappelijke literatuur. De meetmethoden en het meetinstrument zoals beschreven in dit proefschrift geeft de mogelijkheid om deze complexe materie verder te bestuderen.