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Spektroskopie

Technische Grundlagen
 
Die Spektroskopie ist ein seit den 40er Jahren bekanntes Verfahren, das unter anderem der Analyse chemischer Verbindungen dient. Inzwischen zählt der Einsatz dieses Verfahrens zum klinischen Alltag, um den Metabolismus von Organen genauer zu beschreiben.
Die einfachste bekannte Methode bei Wasserstoffprotonen ist das Einzelvolumenverfahren, auch bekannt unter dem Begriff "Single Voxel Spectroskopy (SVS)".
Das empfangene hochfrequente Signal(FID)wird mit Hilfe der Fourier Transformation in seine einzelnen Frequenzanteile zerlegt. Die in einem Voxel gemessene Resonanzfrequenz wird dann als "Peak" abgebildet. Dabei verhält sich die Fläche unterhalb des Peaks proportional zur Anzahl signalgebender Kerne.
Grundlage der Funktionsweise der Spektroskopie ist die chemische Verschiebung (chemical shift). Entscheidendes Merkmal für die Wasserstoffprotonen- Spektroskopie ist ihre Umgebung. Wasserstoffatome sind an verschiedenen Molekülen gebunden. Es herrscht eine unterschiedlich chemische und magnetische Umgebung. Das hat zur Folge, dass die Resonanzfrequenz von der Larmorfrequenz abweicht. Ein Kern eines Moleküls liefert nicht eine, sondern mehrere Resonanzlinien. Die Einheit für die chemische Verschiebung ist ppm (parts per million). Ein gutes Beispiel liefern Wasser und Fett. Der Resonanzfrequenzunterschied in einem B0 von 1T liegt bei 150Hz. Ein 1.5 T starkes Magnetfeld ergibt einen Frequenzunterschied von 225 Hz. Der relative Frequenzunterschied beträgt 3.5 ppm.
 
Die Verwendung anderer Kerne für die Spektroskopie ist ebenfalls möglich. Es muss aber eine Voraussetzung erfüllt werden, nämlich ein magnetisches Dipolmoment. Aus diesem Grund sind Elemente, die eine gerade Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern besitzen für die Spektroskopie nicht geeignet. Ein anderes spektroskopiegeeignetes Element ist Phosphor. Es eignet sich gut, um phosphatgebundenen Energiestoffwechsel bei Skelett- und Herzmuskelerkrankungen zu untersuchen.
Anwendung
Um den Metabolismus des Gehirns zu charakterisieren, ist eine herkömmliche Kopfspule ausreichend geeignet. Es gibt auch Spulen, die besonders für die Spektoskopie geeignet sind. Diese sind Sende - und Empfangsspule in einem und liefern ein besseres SNR. m klinischen Alltag hat sich die Singel - Voxel - Spektroskopy (SVS) durchgesetzt. Die Planung der VOI(Volume of Interest) erfolgt an herkömmlichen Bildern und muß alle drei Raumebenen berücksichtigen.
Die bekannte Ortskodierung, die eine Schichtfrequenz und Phasenkodierung beinhaltet, findet bei der Spektroskopie nicht statt. Es gibt lediglich eine Phasenkodierung in allen drei Raumebenen. Auf eine Frequenzkodierung wird verzichtet, um den Verlust von substanzgebundenen Informationen im Spektrum zu vermeiden.
Die Sequenztypen *PRESS und *STEAM sind etabliert in der MR- Spektroskopie, wobei die erstgenannte ein besseres SNR und eine besser Qualität des Spektrums liefert.
Um auch die sehr geringe Metabolitenkonzentration zu erkennen, muss das äußere Magnetfeld optimal homogenisiert und das Wasser unterdrückt (supprimiert) werden.
Zur Unterdrückung sind zwei Verfahren geeignet. Die erste Methode "CHESS"(chemical shift selective saturation)sättigt die wassergebunden Protonen frequenzselektiv, bevor die eigentliche Spektroskopie - Messung beginnt. Die zweite Methode setzt einen Inversionsimpuls voraus(180°), der bereits aus der Inversion - Recovery - Technik bekannt ist. Die eigentliche Spektroskopie - Messung wird erst dann eingeleitet, wenn die an Wasser gebundenen Protonen den "Null-durchgang" erreichen und somit kein Signal abgeben können.
Im gesunden Hirnparenchym sind bei einem langen TE (135ms bzw. 270ms) drei Metabolite nachweisbar.
 
→ (a) N - Acetyl - Asparat (NAA)
→ (b) Kreatin/Phosphokreatin(Cr)
→ (c) Cholin/Phosphocholin(Chn)
 
→ (a) Marker für intaktes neuronales Gewebe
→ (b) Marker für Energiestofwechsel
→ (c) Marker für Zellwachstum
 
Bei erkranktem Gewebe sind folgende Substanzen nachweisbar.
 
→ (a) Lactat
→ (b) freie Lipide
→ (c) Alanin
 
→ (a) Marker für pathologischen anaeroben Stoffwechsel (Ischämie, Störung oxid. Mitochon-drienfunktion)
→ (b) Marker für Zelluntergang (Nachweis für nekrotisches Gewebe)
→ (c) Marker für Meningiome
 
Andere Substanzen, wie Glutamat, Glutamin oder Glycin sind nur bei einem kurzen TE (20-30ms) sichtbar. Der Grund liegt in der vollständigen Relaxation bei einem langen TE.
Spektrum vom gesunden Hirnparenchym
(Spektrum vom gesunden Hirnparenchym)
* PRESS = point resolved excitation spin echo
* STEAM = stimulated echo acquisition mode
(Lactat - Doppelpeak bei 1.3 ppm)
(Breitbasiger Peak bei 1,3 und 0,9 ppm)
(Doppelpeak bei 1,5 ppm)
Durch viele Verbesserungen der MR - Technik ist es in den letzten Jahren gelungen, auch kleine Organe wie die Prostata hochaufgelöst abzubilden. Eine Kombination aus einer rektal eingeführten Endorektal- und einer Oberflächenspule macht dieses möglich.
Eine spektroskopische Untersuchung des Prostatagewebes kann eine bösartige Erkrankung nachweisen, da im Vergleich zum gesunden Prostatagewebe, der Citratgehalt abnimmt und das Cholin erhöht wird.
(normales Spektrum) (Prostatakarzinom)
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