31P MRS protocol optimization and repeatability testing in calf muscle of healthy volunteers on a clinical 7 Tesla MR scanner

Abstract

Hovedmålet for denne masteroppgaven var å etablere en skannprotokoll og evaluere repeterbarheten i 31P MRS i leggmuskelen hos friske frivillige på den kliniske 7T MR-skanneren ved St. Olavs Hospital. Startpunktet for protokolloptimaliseringen var basert på protokollen som ble funnet optimal for et 31P metabolittfantom laget i forbindelse med fordypningsprosjektet høstsemesteret 2020. For å bekrefte innholdet av 31P metabolitter i fantomet ble en liten prøve fra fantomet analysert ved bruk av high resolution magic angle spinning magnetic resonance spectroscopy (HR MAS MRS). Metabolittene ble identifisert ved brukt av analyseprogrammene Chenomx og TopSpin. De identifiserte metabolittene var: PC, PE, Pi, α-ATP, β-ATP, γ-ATP og NAD.

En protokoll med kortere repetisjonstid (800 ms) og endret pulstype (rektangulær) ble funnet optimal i en leggmuskel hos en frisk frivillig sammenlignet med den optimale protokollen som ble funnet for fantomet i fordypningsprosjektet. Disse resultatene antyder at optimale opptaksparametere er vesentlig forskjellig i et fantom sammenlignet med en muskel hos en frivillig. Bruken av fantomer kan være veldig nyttig til for eksempel testing av 31P MRS-protokoller i en tidlig fase.

Oppsettet til repeterbarhetstestingen bestod av segmenter med tre skanninger, hvor hvert segment ble skilt ved reposisjonering av 31P-overflatespolen. Etter tre slike segmenter strammet den frivillige leggmuskelen, uten at spolen ble reposisjonert, for et fjerde segment. Til slutt ble et siste segment bestående av fem skanninger gjennomført med avslappet muskel.

Hovedresultatene viste at repeterbarheten var sublim for skanninger som ble gjennomført rett etter hverandre uten at 31P-spolen ble reposisjonert. Sammenligningen av skanninger før og etter reposisjonering ga større differanser. De metabolske forandringene før, under og etter stramming av muskelen ble også analysert ved å se på arealet under toppen i spekteret for metabolitten PCr, målt ved bruk av analyseverktøyet FID-A. Intracellulær pH ble beregnet fra den kjemiske skift-differansen mellom Pi og PCr. Beregnet pH i de frivillige da muskelen var avslappet var rundt 7.04 ± 0.01. pH lik 6.98 ± 0.01 ble beregnet da muskelen var strammet. Målingen av signalet fra PCr avtok ved stramming av muskel for fem av seks skanninger. Samlet sett er disse dataene i samsvar med det andre har funnet tidligere.

Repeterbarheten for 31P-overflatespolen på 7T MR-skanneren var generelt god, selv om noen intra-individuelle forskjeller ble funnet. Hovedkilden som førte til mindre optimal repeterbarhet var reposisjoneringen av 31P-spolen mellom skanninger av de friske frivillige. Spolen var kapabel til å detektere og repetere gode resultater med tanke på den kjemiske skift-differansen som ble brukt til å beregne pH i de frivilliges muskel.

The main objective for this master's thesis was to establish a scan protocol and evaluate the repeatability in 31P MRS in calf muscles of healthy volunteers at the clinical 7T MR scanner at St. Olavs Hospital. The protocol optimization was based on the protocol found optimal for the '31P metabolites phantom' made during the specialization project during the fall semester of 2020. To confirm the content of 31P metabolites in the phantom, a small sample from the phantom was analyzed using high resolution magic angle spinning magnetic resonance spectroscopy (HR MAS MRS). The metabolites were identified using the softwares Chenomx and TopSpin. The metabolites found were PC, PE, Pi, GPC, α-ATP, β-ATP, γ-ATP and NAD.

A protocol with shorter repetition time (800 ms) and changed pulse type (rectangular) was found optimal in a calf muscle of a healthy volunteer compared to the optimal protocol found for the '31P metabolites phantom'. These results suggests that optimal acquisition parameters are quite different in a phantom compared to in a muscle in a volunteer. Using a phantom can be very useful when, for example, testing 31P MRS protocols in an initial phase.

The scan setup used for repeatability testing consisted of segments with three scans separated by repositioning of the 31P loop coil. After three such segments the volunteer flexed the calf muscle, without repositioning the coil, for a fourth segment. At the end a final segment of five scans was performed with relaxed muscle.

The key results showed that the repeatability was sublime for scans performed right after each other without repositioning the 31P loop coil. When comparing scans before and after repositioning of the coil the differences were larger. The metabolic changes before, during and after flexing of the calf muscle was also analyzed by looking at the peak area of PCr measured with the use of the analysis software FID-A, and the intracellular pH calculated from the chemical shift difference between Pi and PCr. Measured pH in the volunteers for a relaxed calf muscle was around 7.04 ± 0.1. A pH of 6.98 ± 0.1 was found when the muscle was flexed. The amount of PCr decreased during muscle flexion for five out of six scans. Overall, these data are in line with earlier findings made by others.

The repeatability for the 31P loop coil at the 7T MR scanner was in general very good, even though some intra-individual differences were found. The main source leading to less adequate repeatability was the repositioning of the 31P loop coil between the scans of the healthy volunteers. The coil was also able to detect and repeat good results considering the chemical shift difference used to calculate the pH in the muscle of the volunteers.