Development and implementation of novel experimental methods for the quantification of the healthy and diseased brain by means of sodium magnetic resonance imaging

Shymanskaya, Aliaksandra; Stahl, Achim; Nagel, Armin; Shah, Nadim Joni

doi:10.18154/RWTH-2020-03946

Development and implementation of novel experimental methods for the quantification of the healthy and diseased brain by means of sodium magnetic resonance imaging = Entwicklung und Umsetzung neuartiger experimenteller Methoden zur Quantifizierung des gesunden und erkrankten Gehirns mit Hilfe der Natrium-Magnetresonanztomographie

Shymanskaya, Aliaksandra^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Aliaksandra Shymanskaya, M.Sc

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (155 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Shah, Nadim Joni (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH* ; Nagel, Armin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-03-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-03946
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/787158/files/787158.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IDH (frei) ; MRI (frei) ; brain (frei) ; glioma (frei) ; sodium (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Natrium-Magnetresonanztomographie wird eingesetzt, um Stoffwechsel in unterschiedlichen Gewebearten zu untersuchen. Natrium ist verantwortlich für die Aufrechterhaltung des Zellmilieus und des Zellvolumens. Der Natriumgradient spielt eine wichtige Rolle in der Signalübertragung. Die Natrium-Konzentrationen innerhalb und außerhalb der Zellen sind im gesundem Gewebe stark geregelt, und Abweichungen in der Natriumverteilung können Anzeichen von Krankheiten sein. Aufgrund der quadrupolaren Struktur des Kerns relaxiert Natrium biexponentiell. Multiple Quantenkohärenzen (MQCs) entwickeln sich, wenn die beiden Relaxationskonstanten ungleich sind. Sie können in sogenanntem eingeschränktem Natrium beobachtet werden, wobei Natrium in Flüssigkeiten kein signifikantes MQCs Signal erzeugt. In dieser Arbeit wurde eine Methode zur Abschätzung von Natriumparametern in Modellen von gesundem und kranken Gewebe erarbeitet. Eine Quantifizierungsroutine wurde entwickelt, die verschiedene Gewebeparameter abschätzt, z.B. gesamte Natriumkonzentration, intrazelluläre Natriumkonzentration und intrazellulären Mol- und Volumenanteile. Zu diesem Zweck wurde eine verbesserte SISTINA-Sequenz mit zwei relaxationsgewichteten Aufnahmen entwickelt, welche drei unterschiedliche Kontraste liefert. Relaxationszeiten wurden den relaxationsgewichteten Daten gewonnen. Dieser Ansatz ermöglicht eine Abschätzung mehrerer Parameter aus einer Messung. In dieser Arbeit vorgeschlagene Simulationen schätzen die Genauigkeit verschiedener Anpassungsansätze ab. Bei gesunden Probanden wurde die Quantifizierungsmethode angewendet, um eine Referenzbasis zu erstellen. Weiterhin wurde die Leistungsfähigkeit der Methode abgeschätzt. Patienten mit zerebralem Gliomen und multipler Sklerose wurden untersucht, und Natriumparameter wurden bestimmt. Bei zerebralen Gliomen wurde eine positive Korrelation zwischen Natriumparametern und dem Mutationsstatus der Isocitrat-Dehydrogenase (IDH) festgestellt.

Sodium magnetic resonance imaging (MRI) is used to investigate metabolic processes in tissues. Sodium plays a role in the maintenance of cell milieu and volume, as well as in signal transmittance. Its concentration in intracellular and extracellular space is closely regulated in healthy tissue, and, therefore, any deviations in sodium distribution are a sign of disease. Due to the quadrupolar nature of its nucleus, sodium can relax biexponentially. Multiple quantum coherences (MQCs) can evolve if the two relaxation constants differ. This represents the difference between sodium in fluid, which does not develop significant multiple quantum coherences, and so-called “restricted” sodium. In this thesis, a method is suggested for estimating tissue sodium parameters using models for healthy and diseased tissue. A quantification routine was created, which estimates several tissue parameters, such as tissue sodium concentration, intracellular sodium concentration, and intracellular molar and volume fractions. For this, an enhanced SISTINA sequence with two relaxation-weighted read-outs, to deliver three different contrasts, was developed. This approach enables the estimation of several parameters from one measurement. The data evaluation routine proposed in this thesis involves the use of simulations to estimate the precision of several fitting approaches. An appropriate, efficient method was applied in healthy subjects to create a reference. Finally, cerebral glioma and multiple sclerosis patients were measured and sodium tissue parameters were estimated. In cerebral gliomas, a positive correlation between sodium parameters and isocitrate dehydrogenase (IDH) mutational status was discovered.

OpenAccess:
PDF
(additional files)