Metabolische Charakterisierung von raumfordernden Läsionen des Gehirns (FASTMRSI)

Einleitung - Vor kurzem kam der erste kommerziell erhältliche 7T-MR-Scanner auf den Markt, der für den klinischen Einsatz zugelassen ist. Die Hauptmotivation für höhere Feldstärken ist die Tatsache, dass ein besseres SNR in kürzerer Erfassungszeit erreicht werden kann oder eine höhere räumliche Auflösung in der gleichen Messzeit erhalten werden kann. Die Hochfeld-MRT hat auch Nachteile, z. eine wesentlich höhere spezifische Absorptionsrate (SAR), mit der höheren Suszeptibilität zusammenhängende Bildverzerrungsprobleme und längere Längsrelaxationszeiten. Dennoch ist der Wechsel zu höheren Feldern besonders vorteilhaft für die MR-Spektroskopie. Dies liegt daran, dass ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) mit einer höheren spektralen Auflösung kombiniert wird. Die zwei am häufigsten verwendeten Techniken für die spektroskopische Bildgebung (MRSI) sind: (i.) relativ langsame 2D/3D-Techniken wie PRESS- und semiLASER-basierte Techniken und (ii.) schnelle 3D-Echoplanar-basierte (EPI) Techniken. Obwohl die echoplanare spektroskopische Bildgebung (EPSI) eine Technik ist, die von Sir Peter Mansfield in der ersten Hälfte der 80er Jahre eingeführt wurde, wird die Methode immer noch kontinuierlich verbessert, und kürzlich wurden sehr vielversprechende Anwendungen im Zusammenhang mit der Hirntumordiagnostik veröffentlicht. Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang, dass das Verfahren mit spektralem Editieren zum Nachweis von 2-Hydroxy-Glutarat (2HG) bei Gliompatienten kombiniert werden kann. 2HG ist nur vorhanden, wenn das Gliom Mutationen im IDH-Gen aufweist. Es zeigt sich, dass Gliome mit der IDH-Mutation eine deutlich bessere Gesamtüberlebensprognose haben. Neben der Hirntumortypisierung ermöglicht die hochauflösende EPSI-Bildgebung auch die Untersuchung der Tumorinfiltration anhand metabolischer Kriterien. In der Chirurgie führt die präoperative Einnahme von 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) durch den Patienten vor der Operation dazu, dass bösartige Gliomgewebe unter Blaulichtbestrahlung selektiv fluoreszieren, und der Tumor selbst wird während des neurochirurgischen Eingriffs deutlich sichtbar. Die Tatsache, dass 5-ALA-gesteuerte komplett resezierte Gliompatienten eine signifikant längere Überlebenszeit haben, unterstreicht die Notwendigkeit, die genauen Tumorgrenzen zu kennen.

Ziele - Die Hauptziele der vorgeschlagenen Studie sind vielfältig:

(ich.) Die Entwicklung einer neuartigen EPSI-Pulssequenz unter Verwendung von 3D-Radial-k-Raum-Abtastschemata, die sich auf Robustheit bzgl. Patientenbewegung, ist robust in Bezug auf Artefakte durch chemische Verschiebungen, umfasst die Möglichkeit der 2HG-Spektralbearbeitung, verwendet SAR-reduzierte Hochfrequenz-(HF)-Pulse und arbeitet mit Gesamterfassungszeiten, die für den klinischen Routineeinsatz akzeptabel sind; (ii.) Vergleich der neuartigen Sequenz mit verfügbaren konventionellen EPSI-Techniken und semi-LASER-basierten Techniken für den klinischen Routineeinsatz, wobei ihre Leistung bei 3T und 7T verglichen wird; (iii.) Die Entwicklung eines Grafikprozessor (GPU)-basierten Anpassungsalgorithmus zur Quantifizierung von 3D-radialen EPSI-Daten basierend auf dem bestehenden tdfdfit-Algorithmus; (iv.) Erweiterung eines lokal entwickelten, auf maschinellem Lernen basierenden automatischen Qualitätsfilteralgorithmus zur Anwendung auf die neuartigen EPSI-Daten der Forscher; (v.) Quantitative Untersuchung zum Effekt räumlich ungleichmäßiger Sende- und Empfangseigenschaften für alle relevanten Metaboliten und ortsabhängige Signalamplituden-Korrekturschemata (Erweiterung einer lokal entwickelten Methode); (vi.) Untersuchung der genauen Effekte selektiver Anregung auf J-gekoppelte Spinsysteme und Vergleich dieser Effekte zwischen 3T und 7T; (vii.) Reproduzierbarkeitsstudie an 20 gesunden Freiwilligen, die zweimal mit demselben Protokoll gemessen wurden (10 wurden zweimal bei 7T und 10 zweimal bei 3T aufgezeichnet); (viii.) Präoperative Anwendung der am besten geeigneten EPSI-Pulssequenz bei insgesamt 75 Patienten. Alle Patienten werden sowohl bei 3T als auch bei 7T unter Verwendung der entsprechenden Protokolle aufgezeichnet; (ix.) Die Koregistrierung von präoperativen, räumlich aufgelösten 3D-EPSI-MRSI-Daten mit postoperativen 3D-FLAIR- und T1c-Bildgebung bei IDH-Wildtyp-Patienten mit vollständiger Resektion während 5-ALA-geführter neurochirurgischer Eingriffe wird Aufschluss darüber geben, ob MRSI- Techniken sind hilfreich, um das vom Tumor betroffene Volumen vorherzusagen; (x.) Dokumentation des Ortes einer Biopsie, Histologie, um eine bessere Korrelation zwischen MR-spektroskopischen Mustern und Histologie zu ermöglichen.

(xi) Vergleich der Leistung von CEST gegenüber der CMRR-semiLASER-MRSI-Sequenz w.r.t. zur Vorhersagegenauigkeit des IDH-Typs des Glioms durch die beiden Technologien.

Methodik - Die Implementierung einer robusten EPSI-Sequenz, die 3D-Radial-k-Raum-Abtastschemata und -Rekonstruktion verwendet, wird auf Siemens IDEA-Entwicklerplattformen für VE- und XA-Softwareversionen durchgeführt. Die Sequenz wird mit der Leistung verglichen, die mit einer anderen EPSI-Implementierung erzielt wurde, die über Siemens erhältlich ist, sowie mit der CMRR-Implementierung des MEGA (MEscher-GArwood) Semi-LASER (Localization by Adiabatic SElective Refocusing) für 2HG-Editing (CMRR Spectroscopy Paket, 2012). Die Quantifizierung der EPSI-Daten der Referenzsequenz wird mit dem MIDAS-Paket durchgeführt. Die EPSI-Daten der neuartigen Sequenz sowie der MEGA-Semi-LASER-Sequenz werden unter Verwendung einer parallelisierten GPU-Reimplementierung des tdfdfit-Algorithmus quantifiziert, der als separates Plugin innerhalb des jMRUI-Spectroscopy-Pakets (jMRUI: Java Magnetic Resonance User Schnittstelle). Die Koregistrierung von präoperativen EPSI-Daten mit postoperativen strukturellen MRT-Daten wird mit dem SPM-Programm (Statistical Parameter Mapping) durchgeführt. Weitere statistische Analysen und maschinelle Lernalgorithmen werden auf der statistischen Programmiersprache „R“ basieren. Die CEST-Pulssequenzen werden über Siemens-Healthineers bezogen.

Mögliche Bedeutung - (a.) Die präoperative Kenntnis des IDH-Status wird eine bessere individuelle neurochirurgische Behandlung des Patienten ermöglichen; (b.) Die Koregistrierung von metabolischen EPSI-Daten mit postoperativen strukturellen MR-Daten wird Informationen über die grundlegende Nützlichkeit von MRSI-Techniken zum Nachweis von Gliom-Infiltrationszonen geben; (c.) Verbesserte Nachsorge von Patienten mit IDH-mutiertem Gliom, die typischerweise einen langen Zeitraum mit minimaler Progression haben, gefolgt von schnellem aggressivem Wachstum und Transformation zu einem höheren Grad; (D.) Die Verfügbarkeit eines bildgebenden Biomarkers zur Überwachung des Tumorrezidivs wäre ein großer Fortschritt für alle Gliompatienten.