Towards faster and more precise MR spectroscopy at 7 T

Abstract

In vivo magnetic resonance spectroscopy (MRS) is an important research tool to gain a deeper understanding of the biochemical processes underlying neurodegenerative or psychiatric diseases such as the Alzheimer’s disease or depression, respectively. However, it is not yet integrated into the clinical routine as a diagnostic tool since there are still some obstacles to overcome, such as 1) missing estimation of measurement uncertainties, and a lack of understanding of the influence of acquisition parameters on the precision, as well as 2) a difficult and time-consuming application which causes patient discomfort, high costs and limits the possible range of applications, e.g., for functional MRS questions. The focus of this thesis will be to address the two aforementioned challenges. To tackle the first challenge, different contributions of reproducibility and repeatability on the measurement uncertainty were evaluated by introducing a study design and statistical analysis framework to determine the minimally detectable changes (MDCs) of the investigated brain metabolites. These MDCs were then compared to the commonly used stand-in for measurement uncertainties, the Cramér-Rao lower bounds (CRLBs), which only represent a fraction of the full measurement uncertainty. As an example of a potential influence on the precision by acquisition parameters, the impact of the choice of a specific pulse within the employed sequence was investigated. Details on the determination of the measurement uncertainty and influences thereupon can be found in chapter 2. In chapter 3, the second challenge was addressed by the extension and thereby acceleration of single-voxel spectroscopy (SVS) to simultaneously obtain the spectroscopic signal of multiple spatially distinct regions by the introduction of the two spin-echo, full intensity acquired localized (2SPECIAL) sequence. To simultaneously acquire two voxels, the multi-band (MB) technique was applied, which allows the simultaneous excitation or inversion of two spatially distinct frequency bands. Here, the results from the investigation on the influence of the choice of the radio-frequency pulse from chapter 2 were utilized, and a pulse was chosen that was shown to not negatively affect the precision of the measurement but provides optimized properties regarding the MB requirements. Part of this challenge is to retrospectively decompose and reassign the acquired signals to their region of origin. To this end, a new decomposition algorithm – voxel generalized autocalibrating partial parallel acquisition (vGRAPPA) – was introduced and its performance was rigorously compared to a previously existing decomposition algorithm based on the sensitivity encoding (SENSE) technique. Both parts of this work are important pieces on the way of understanding and overcoming issues to make in vivo brain MRS faster and more precise to ultimately allow the transition of this high potential research tool towards clinical diagnostic application.

Die in vivo-Magnetresonanzspektroskopie (MRS) ist ein wichtiges Forschungsinstrument, um ein tieferes Verständnis der biochemischen Prozesse zu erlangen, die neurodegenerativen oder psychiatrischen Erkrankungen wie Alzheimer oder Depression zugrunde liegen. Sie ist jedoch noch nicht in die klinische Routine als Diagnoseinstrument integriert, da es immernoch einige Hindernisse zu überwinden gilt, wie 1) fehlende Quantifizierung von Messunsicherheiten sowie ein unvollständiges Verständnis des Einflusses von Aufnahmeparametern auf die Präzision, sowie 2) eine schwierige und zeitaufwändige Anwendung, die für die Patient:innen unangenehm ist, hohe Kosten verursacht und den möglichen Anwendungsbereich einschränkt. Das Adressieren der beiden vorgenannten Herausforderungen steht im Mittelpunkt dieser Arbeit. Um die erste Herausforderung anzugehen, wurden die verschiedenen Beiträge von Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit zur Messunsicherheit evaluiert, indem ein Studiendesign und ein statistischer Analyserahmen eingeführt wurden, um die minimal nachweisbaren Veränderungen (MDCs1) der untersuchten Hirnmetaboliten zu bestimmen. Diese MDCs wurden dann mit dem üblicherweise verwendeten Ersatz für die genauen Messunsicherheiten, den Cramér-Rao lower bounds (CRLBs), verglichen, die nur einen Teil der gesamten Messunsicherheit darstellen. Als Beispiel für einen möglichen Einfluss auf die Präzision durch Aufnahmeparameter wurde die Auswirkung der Wahl eines bestimmten Pulses innerhalb der verwendeten Sequenz untersucht, während durch verschiedene Wiederholungsmessungen ein Maß für die Reproduzierbarkeit und damit für die Absolutgenauigkeit der Messungen gewonnen wurde. Details dazu sind in Kapitel 2 zu finden. In Kapitel 3 wurde die zweite Fragestellung durch die Erweiterung und damit Beschleunigung der Einzel-Voxel-Spektroskopie (SVS2) zur gleichzeitigen Erfassung des spektroskopischen Signals mehrerer räumlich getrennter Regionen addressiert. Dazu wurde die two spin-echo, full intensity acquired localized (2SPECIAL) Sequenz eingeführt. Zur gleichzeitigen Erfassung von zwei Voxeln wurde die Multibandtechnik (MB) angewandt, die die gleichzeitige Anregung oder Inversion des Signals von zwei räumlich getrennten Frequenzbändern ermöglicht. Hier wurden die Ergebnisse der Untersuchung zum Einfluss der Wahl des Hochfrequenzpulses aus Kapitel 2 verwendet, und es wurde ein Puls gewählt, der nachweislich die Präzision der Messung nicht negativ beeinflusst, aber optimale Eigenschaften hinsichtlich der MB-Anforderungen bietet. Ein Teil dieser Fragestellung besteht darin, die erfassten Signale rückwirkend zu zerlegen und wieder ihrer Ursprungsregion zuzuordnen. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Dekompositionsalgorithmus - voxel generalized autocalibrating partial parallel acquisition (vGRAPPA) - eingeführt und seine Leistungsfähigkeit mit einem bereits existierenden Dekompositionsalgorithmus verglichen, der auf der Sensitivitätskodierungstechnik (SENSE3) basiert. Beide Teile dieser Arbeit sind wichtige Bausteine auf dem Weg zum Verständnis und zur Überwindung von Hürden, um die in vivo Gehirn-MRS schneller und präziser zu machen und damit letztendlich den Übergang dieses Forschungsinstruments mit hohem Potential zur klinischen diagnostischen Anwendung zu ermöglichen.