Jonathan Patrick Schwardt, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2026 :
"GABA Detektion im menschlichen zervikalen Rückenmark mit Magnetresonanzspektroskopie"
"GABA Detection in the Human Cervical Spinal Cord with Magnetic Resonance Spectroscopy"
Summary
Zahlreiche Metabolite des menschlichen Körpers können mit Magnetresonanzspektroskopie (MRS) nicht-invasiv detektiert werden, was in klinischer Praxis und wissenschaftlichen Studien verwendet wird. Unter den detektierbaren Metaboliten ist der hemmende Neurotransmitter γ-Aminobuttersäure (GABA), der im zentralen Nervensystem gefunden werden kann. Aufgrund dessen niedriger Konzentration und spektraler Überlappung mit größeren Peaks des Spektrums wird es bevorzugt mittels sogenanntem Spectral Editing detektiert, wenn die Feldstärke kleiner als 7 T ist. Zusätzlich werden große Voxel verwendet, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erhalten, sodass routinemäßige GABA Detektion aufs Gehirn beschränkt ist. MRS im Rückenmark benötigt jedoch kleinere Voxel aufgrund der geringen Querschnittsfläche, was zusammen mit den stärkeren Feldinhomogenitäten durch das umliegende Gewebe das SNR reduziert und die GABA Detektion erschwert.
In dieser Dissertation wurde die Standard Point Resolved Spectroscopy (PRESS) Sequenz modifiziert, um spectral editing basierend auf der Wasserunterdrückungsmethode von Mescher-Garwood (MEGA-PRESS) zu ermöglichen. Die modifizierte Sequenz wurde mit der des Herstellers und einer von der Spektroskopiegemeinschaft verglichen und zeigte keinen Verlust in spektraler Qualität und gute editing Effizienz. Die Machbarkeit der GABA Detektion im menschlichen zervikalen Rückenmark von einzelnen Probanden wurde durch Vergleich von Spektren aus dem Rückenmark und der Inselrinde abgeschätzt. Um Artefakte zu vermeiden und ein optimales SNR zu erhalten, wurde das Spektroskopieprotokoll optimiert und verschiedene Shimalgorithmen und Justagevolumen zur Optimierung der Shimmingroutine verglichen. Die Ergebnisse wurden verwendet, um editierte Spektren im zervikalen Rückenmark in sieben MRT Messungen aufzunehmen, in vier von diesen wurde GABA mit ausreichenden Cramér-Rao lower bounds detektiert. Die Reproduzierbarkeit von MEGA-PRESS Spektren in einer Flasche wurde für hoch befunden. Abschließend wurde die Kompatibilität von zwei-dimensionalen Radiofrequenzpulsen mit spectral editing gezeigt.
Titel
Kurzfassung
Numerous metabolites of the human body can be detected non-invasively with magnetic resonance spectroscopy (MRS), which is utilized in clinical practice and research. Among the detectable metabolites is the inhibitory neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA), which can be found in the central nervous system. Due to its low concentration and spectral overlap with more prominent peaks of the spectrum, however, spectral editing is preferred for the detection of GABA at field strengths smaller than 7 T. Additionally, the signal is normally acquired from large voxels to obtain sufficient signal-to-noise ratio (SNR) in reasonable scan times, which has limited routine detection of GABA to the brain as part of the central nervous system. MRS in the spinal cord, though, requires smaller voxel sizes due to the small diameter of the spinal cord. Together with increased field inhomogeneities caused by the surrounding tissue, this leads to a reduction of SNR, such that the detection of GABA is more difficult.
In this thesis, the standard Point Resolved Spectroscopy (PRESS) sequence was modified to allow for spectral editing based on the Mescher-Garwood water suppression method (MEGA-PRESS). The modified sequence was compared against the vendor’s sequence and a sequence provided by the spectroscopy community, which showed no loss in spectral quality and good editing efficiency of the modified sequence. Next, the feasibility of GABA detection in the human cervical spinal cord of single subjects was assessed by estimating the required scan time by comparing spectra from the spinal cord with spectra from the insular cortex. The protocol of the spectroscopy measurements was optimized to avoid artifacts and yield optimal SNR. Furthermore, the shimming routine was optimized by comparing different shim algorithms and adjustment volumes. The final protocol and shimming routine was used to acquire edited spectra from the cervical spinal cord in seven scan sessions. GABA was detected with sufficient Cramér-Rao lower bounds in four of these spectra. The reproducibility of the MEGA-PRESS acquisition tested in a phantom was high. Finally, the compatibility of two-dimensional radiofrequency pulses with spectral editing was shown.