Technical Developments for Hyperpolarized 13C Magnetic Resonance Selective Metabolic Imaging : 초분극화 13C 자기공명 물질대사 영상을 위한 선택적 영상 획득 기술 개발
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 일반대학원, 2016
학위논문사항
Thesis(doctoral)-- 연세대학교 일반대학원 : 전기전자공학과.. 2016. 2
발행연도
2016
작성언어
영어
주제어
DDC
621.3
발행국(도시)
대한민국
형태사항
v, 79p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김동현
소장기관
자기공명영상은 비침습적으로 다양한 대조도를 가지는 인체구조와 질병을 영상화할 수 있는 기법이다. 보다 정량적인 적용분야에서는 핵자기공명분광법을 이용해 질병생리학적 접근을 통한 진단 및 치료계획이 시행되고 있다. 하지만 13C와 같은 동위원소들은 임상적으로 물질대사와 같은 여러 생리학적 기전에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있는 가능성이 있음에도 불구하고 전통적으로 그 신호민감도가 매우 낮다는 한계를 가지고 있다.
최근 동적 핵 분극화 기술 개발로 13C 기질의 생체 내 신호대잡음비를 10,000배 이상 증폭시킬 수 있게 되어, 이를 이용한 생체 내 물질대사를 영상화 할 수 있게 되었다. 하지만 이러한‘초분극화’신호는 열평형상태 회복에 의한 빠른 신호감쇄와 같은 새로운 문제들을 가지기 때문에, 이를 극복하기 위한 새로운 기술의 개발이 필요하다.
본 논문에서는 초분극화 13C를 이용한 자기공명 물질대사 영상을 위한 기술 개발과, 이에 필요한 배경지식들에 대해 다루고 있다. 첫 번째로는 초분극화 [1-13C] 피루브산의 보다 정확한 생체 외 물질대사 정량화를 돕기 위한 기술을 논하며, 이는 젖산탈수소효소 및 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 효소를 이용해 생체 물질대사 과정을 생체 외에서 재현되었다. 대사산물의 신호를 증폭시키기 위해 간단한 주파수-선택적 펄스열을 이용해 피루브산과 젖산의 신호를 번갈아 가며 얻는 자기공명분광 교차획득기법 및 이에 적합한 정량화 기법을 소개하였다.
두 번째로는 이전 기법을 보다 발전시켜 초 고자장에서 발생하는 공간적 화학이동현상을 이용해 대사물질들의 선택적인 영상을 획득하는 기법을 제시하였다. 초 고자장환경에서는 서로 다른 공명주파수를 가지는 화합물간의 주파수축에서의 분리가 상대적으로 멀어지게 되며, 이는 영상획득에서 공간적인 분리로 이어지게 되는데, 여기서 본 기법을 적용하게 되면 서로 다른 두 화합물로부터 발생되는 신호를 서로 다른 두 영상 평면에 위치시켜 동시에 영상을 획득하는 것이 가능해진다. 본 연구에서는 이 기법을 초분극화 [1-13C] 피루브산을 이용한 소동물 신장영상 획득에 적용하였고, 결과에 대한 분석을 제시하였다.
Magnetic resonance imaging (MRI) allows non-invasive and flexible detection and imaging of anatomies and diseases. For more quantitative applications, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy has been used to probe disease physiology in vivo, with the goal of improved diagnosis and treatment planning. However, spectroscopic methods have been traditionally challenged by low sensitivity, especially for signal detection of 13C isotopes. 13C probes has great potential in providing information regarding tissue / disease metabolism,
but their use has been hampered both by their low NMR sensitivity and low in vivo concentrations.
Recent technological advances utilizing dynamic nuclear polarization (DNP) has enabled dramatic signal increase of 13C substrates with over 10,000-fold enhancement for liquid-state polarization, allowing real-time imaging of the injected 13C probe and their downstream metabolic products. The ‘hyperpolarized’ signal detection, however, is characterized by number of challenges including rapid transient-state signal decay, which necessitates development of advanced data acquisition techniques.
In this dissertation, technical developments for metabolic imaging with hyperpolarized 13C substrate is presented, along with necessary background knowledge and instrumentations required to conduct such experiments.
First, a technique for quantitative modeling of hyperpolarized [1-13C] pyruvate metabolism is presented, where biological enzymes including lactate dehydrogenase (LDH) and nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) are used in vitro to mimic in vivo metabolism. Numerical simulations were performed to estimate signal levels arising from interleaved, spectrally-selective excitation scheme, then actual in vitro experiments were performed by designing tailored RF excitation pulse and incorporating it into the MR spectroscopic pulse
sequence. The proposed method has shown that increasing the signal arising from newlycreated downstream metabolites can increase the accuracy of metabolism kinetics quantifications.
In the second work, a technique which allows interleaved acquisition of metaboliteselective images in ultra-high environment is presented. With increased main magnetic field strength, the spectral dispersion (i.e. chemical shift) also increases, increasing spatial displacement between different resonances. With the proposed technique, this spatial displacement is exploited by low-bandwidth excitation RF pulse combined with slice-selection gradient reversal technique in resolving signals from two different metabolites at two different slice positions. The presented technique was applied for metabolite-selective in vivo [1-13C] pyruvate and lactate image acquisitions.
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