Valutazione della spettroscopia di risonanza magnetica (MRS) cerebrale: impatto dei parametri fisici e delle bobine sulla quantificazione dei dati

Brain neurotransmitters act as vital chemical messengers between neurons, driving both physiological and cognitive processes. Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is the only non-invasive technique capable of measuring localised concentrations of neurometabolites in vivo. By detecting the difference in resonant frequencies of protons (1H) between water and distinct molecules, determined by their local chemical environment, metabolic information can be simultaneously extracted from the resulting spectrum. The area under each spectral peak is proportional to the number of signal-generating protons, enabling concentration quantification within a volume of interest (VOI). Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging (MRSI) extends this capability by generating spatial metabolic maps; however, its routine clinical application is hindered by low signal-to-noise ratio (SNR), lengthy acquisition times, and a lack of standardised protocols. This thesis addresses the need to evaluate and optimise acquisition protocols and scanning parameters for 2D metabolic acquisition, enabling the accurate measurement of brain neurotransmitters within a clinically acceptable timeframe (e.g. <5-7 mins). The optimised protocol is subsequently applied to evaluate radiofrequency coil performance in measuring neurotransmitter concentrations, comparing a dedicated 1H multi-channel head coil against the 1H channel of a dual-tuned 1H/23Na coil. To achieve these aims, the study was divided into three parts, with all scans performed on a Philips Ingenia CX 3T scanner. Firstly, in a phantom study scanning parameters (as water suppression, shimming and TR, SENSE and NSA) were systematically modified to optimise the acquisition of 2D Chemical Shift Imaging (CSI) slices using a Point Resolved Spectroscopy (PRESS) sequence and a General Electric GE-MRS "Braino" phantom. Secondly, the same scanner parameters were evaluated in vivo across four healthy controls (HCs), with the VOI positioned in cerebral white matter (WM). Thirdly, in vivo coil performance was evaluated by acquiring a single slice positioned within white matter using a PRESS sequence across five HCs, comparing the 32-channel head coil directly against the single-channel dual-tuned head coil. Data preprocessing and spectral fitting were performed using TARQUIN software. Voxel-wise SNR and N-acetylaspartate (NAA) concentration maps were generated. While SNR across the VOI served as the primary comparison metric, NAA fitting accuracy (%SD < 20) and the resulting NAA concentration estimates were evaluated as secondary parameters. Statistically significant differences (p<0.05) identified the optimal parameter configurations. For in vivo acquisitions, tissue segmentation from 3D T1-weighted images was performed to allow linear regression between WM fraction and NAA concentration to estimate metabolite levels in pure WM voxels. Phantom optimisation demonstrated that disabling SENSE acceleration together with manual shimming volume selection yielded the highest SNR improvement. While setting SENSE to OFF doubled scan duration (from 1:22 min to 2:43 min in phantom, corresponding to 6:43 min in vivo), acquisition times remained clinically feasible for single-slice 2D acquisitions. In vivo evaluations confirmed that the 32-channel head coil significantly outperformed the dual-tuned coil in terms of SNR (mean SNR: 25.5±3.9 a.u. vs. 11.1±3.2 a.u., p<0.05), while retaining the capacity for parallel imaging acceleration when scan duration is prioritised. These optimised settings lay the groundwork for future investigations focusing on spatial resolution, 3D spectroscopic imaging, and applications targeting specific low-concentration metabolites

I neurotrasmettitori cerebrali agiscono come messaggeri chimici tra neuroni, guidando processi fisiologici e cognitivi. La spettroscopia a risonanza magnetica(MRS) è l'unica tecnica non invasiva in grado di misurare le concentrazioni localizzate di neuro-metaboliti in vivo. Rilevando le frequenze di risonanza dei protoni(1H) nell'acqua e nelle diverse molecole, che variano leggermente in base al loro ambiente chimico locale, è possibile estrarre queste informazioni dallo spettro risultante: l'area sottesa a ciascun picco è proporzionale al numero di protoni generanti il segnale, consentendo la quantificazione della concentrazione molecolare nel volume di interesse(VOI). L'imaging spettroscopico (MRSI) estende questa misura generando mappe metaboliche spaziali; tuttavia la sua applicazione clinica è ostacolata da un basso rapporto segnale-rumore(SNR), da lunghi tempi di acquisizione e dalla mancanza di protocolli standardizzati. Questa tesi risponde alla necessità di ottimizzare i protocolli di acquisizione e i parametri di scansione per l’MRSI 2D, permettendo la misurazione dei neurotrasmettitori entro tempi clinicamente accettabili(<5-7min). Questo protocollo ottimizzato è stato successivamente applicato per valutare le prestazioni di bobine a radiofrequenza nella misurazione, confrontando una bobina per la testa multicanale dedicata all’ 1H con il canale singolo 1H di una bobina dual-tuned 1H/23Na. Per raggiungere questi obiettivi lo studio è stato suddiviso in tre parti, eseguendo le scansioni su uno scanner Philips Ingenia CX 3T. In prima fase, i parametri di scansione(quali la soppressione dell'acqua, lo shimming, il TR, il SENSE e il NSA) sono stati variati sistematicamente per ottimizzare l’acquisizione di strati 2D MRSI, usando la sequenza Point Resolved Spectroscopy(PRESS) su un fantoccio General Electric GE-MRS "Braino". Secondariamente gli stessi parametri sono stati affinati in vivo su quattro controlli sani(HC), con il VOI posizionato nella sostanza bianca cerebrale. Infine le prestazioni delle bobine sono state studiate acquisendo una singola fetta posizionata all'interno della WM mediante la sequenza PRESS su cinque HC, confrontando direttamente la bobina per la testa a 32 canali con la bobina per la testa a singolo canale. Il pre-processamento dei dati e il fitting spettrale sono stati eseguiti usando il software TARQUIN, da cui sono state generate mappe rappresentanti l’SNR e la concentrazione di N-acetil aspartato(NAA) in ogni voxel. L'SNR all'interno del VOI ha rappresentato la metrica primaria di confronto, mentre l'accuratezza del fitting dell' NAA(%SD<20) e le stime di concentrazione sono state valutate come parametri secondari. Differenze statistiche significative(p<0,05) tra le acquisizioni hanno consentito di identificare la configurazione ottimale di parametri. Per le acquisizioni in vivo, è stata eseguita la segmentazione tissutale a partire da immagini 3D pesate T1, per consentire la regressione lineare tra la frazione di WM e la concentrazione di NAA, al fine di stimare il livello di NAA in voxel di WM pura. L’ottimizzazione su fantoccio ha dimostrato che la disattivazione dell’accelerazione SENSE, con la selezione manuale del volume di shimming, ha prodotto il miglioramento più significativo in termini dell’SNR. Nonostante impostare SENSE su OFF raddoppi la durata della scansione(da 1:22min a 2:43min sul fantoccio, corrispondenti a 6:43min di acquisizione in vivo), il tempo di acquisizione rimane clinicamente accettabile. Le valutazioni in vivo hanno confermato che la bobina per la testa a 32 canali supera nettamente la bobina dual-tuned in termini di SNR(SNR medio: 25,5±3,9a.u. vs. 11,1±3,2a.u., p<0.05), avendo la possibilità di accelerazione tramite imaging parallelo se necessario prioritizzare la durata dello scan. Questo lavoro pone le basi per indagini incentrate sulla spettroscopia 3D e su applicazioni dedicate a metaboliti a bassa concentrazione.