German Title: In-vivo-Bestimmung des pH-Wertes und der Magnesiumionenkonzentration mittels 31P MRSI: Ein Ansatz anhand einer multiparametrischen Look-Up-Tabelle

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Abstract

Phosphorus (31P) magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) enables non-invasive imaging of pH value and magnesium ion concentration, [Mg2+], in living tissue. Typically, the chemical shifts of 31P metabolites are translated to pH and [Mg2+] via calibration equations, which, however, are well-defined only for physiological conditions, thus limiting their reliability in pathologies.

In this thesis, a novel approach for the in vivo determination of pH and [Mg2+] applicable for various chemical conditions, utilizing multiple 31P spectral properties in form of a look-up table, is proposed. To this end, the variability of spectral properties in vivo was investigated in high-quality human 31P MRSI data acquired at B0 = 7T, and reproduced in measurements of 114 model solutions prepared with physiologically relevant pH, [Mg2+] and ionic strengths, at B0 = 9.4T. The identified chemical shift changes of the adenosine-5’-triphosphate (ATP) resonances were translated into a multi-dimensional model, which was used for the implementation of a look-up algorithm, accounting also for measurement uncertainties. Application to in vivo data resulted in successful assignments of plausible pH and [Mg2+] values in healthy and tumorous tissue. The proposed approach is extendable by including further spectral properties, potentially allowing for more profound tissue characterizations, being particularly important for the application in pathologies.

Translation of abstract (German)

Phosphor-Magnetresonanzspektroskopische Bildgebung (31P MRSI) ermöglicht die nicht-invasive Bildgebung des pH-Werts und der Magnesiumionenkonzentration, [Mg2+], in lebendem Gewebe. Hierzu werden in der Regel die chemischen Verschiebungen der 31P-Metaboliten über Kalibrierungsgleichungen in pH und [Mg2+] umgerechnet, die jedoch nur für physiologische Bedingungen wohldefiniert sind, was ihre Zuverlässigkeit in Pathologien einschränkt.

In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für die In-vivo-Bestimmung von pH und [Mg2+] unter verschiedenen chemische Bedingungen vorgestellt, der mehrere Eigenschaften in 31P-Spektren in Form einer Look-Up-Tabelle nutzt. Zu diesem Zweck wurde die Variabilität der spektralen Eigenschaften in vivo anhand von hochwertigen 31P MRSI-Daten, aufgenommen bei B0 = 7T, untersucht und in Messungen von 114 Modelllösungen mit physiologisch relevanten pH, [Mg2+] und Ionenstärken bei B0 = 9.4T reproduziert. Die identifizierten Änderungen der chemischen Verschiebungen der Adenosin-5’-Triphosphat (ATP) Resonanzen wurden in ein mehrdimensionales Modell überführt, das für die Implementierung des Look-Up-Algorithmus verwendet wurde, der auch experimentelle Unsicherheiten berücksichtigt. Die Anwendung auf In-vivo-Daten führte zur erfolgreichen Zuordnung plausibler pH- und [Mg2+]-Werte in gesundem und tumorösen Gewebe. Der vorgeschlagene Ansatz ist durch die Einbeziehung weiterer spektraler Eigenschaften beliebig erweiterbar, was potentiell eine umfassendere Gewebecharakterisierung ermöglicht, die insbesondere für die Anwendung in Pathologien von Bedeutung ist.