Implementation of chemical exchange-dependent saturation transfer (CEST) and T1rho MRI at high field

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Introduction: Rheumatoid arthritis (RA) is a public health problem that involves the disorder of articular cartilage. It has been reported that the loss of glycosaminoglycan (GAG) in cartilage is a signal of early RA onset. The macromolecules such as GAGs have much shorter TE and are not able to be identified using conventional MR Imaging techniques. In order to monitor GAGs concentration change in vivo, novel quantitative techniques such as T1rho mapping, gagCEST provide direct and indirect assessments of cartilage composition.

Methods: With the purpose of setting up the CEST sequences, phantom and in-vivo scans were performed. The MR signals under saturation pulse at different frequencies were fit into a smooth CEST “z-spectrum” and MTR asymmetry curve were calculated. A pulse sequence consisting of T1rho-prepped, FSE image acquisition. Multiple TSL(spin lock time; 10, 30, 50, 70, 100, 120 ms) were used to construct a T1rho relaxation map in the both phantom(a swine patella ex-vivo) and male wistar rat in the knee joint in-vivo.

Results: High MTRasym (1.0 ppm) values reflect the GAGs contents in both swine patella phantom and cartilage in rat knee in-vivo. The quantitation of gagCEST MRI is based on the asymmetry in the CEST spectrum curve around 1.0 ppm and its reference frequency -1.0 ppm. The experiments attempt to explain how molecular properties of model tissue systems influence proton relaxation in the rotating frame and how they may be employed to generate useful contrast in images. The experiments will emphasize quantitative measurements of spin-lattice relaxation in the rotating frame.

Conclusions: CEST MRI and T1rho image as a molecular imaging technique was developed to detect the in-vivo MMs protons, which cannot be assessed by the traditional MRI methods. In this study, CEST and T1rho MRI was performed in swine patella phantoms and rats in-vivo to set up the MR imaging procedures and test its performance in finding macromolecules. Based on these preliminary results, we can get meaningful 9.4T gagCEST and T1rho cartilage images. And the ability of other MMs zones potential remains such as Alzheimer’s disease, and tumors.

국문 초록 (Abstract)

서론: 관절의 장애를 가지는 관절염은 공공 보건에서 큰 어려움으로 여겨진다. 이런 관절염의 초기 증세로서 관절안의 glycosaminoglycan (GAG) 양이 감소되는 것이 보고되었다. 이런 GAG와 같은 고분자는 TE가 매우 짧고 일반적인 MR 영상 기법으로는 발견하기 어렵다. 생체 내에서 GAG와 같은 고분자 량의 변화를 관찰하기 위하여, T1rho 맵과 gagCEST는 직접 또는 간접적인 관절 성분 측정 MR 영상 기법이다.
방법: gagCEST와 T1rho 펄스 시퀀스 실험은 팬텀과 동물 생체 실험으로 실시했다. gagCEST의 경우 다양한 주파수의 포화 펄스로 CEST “z-spectrum”과 MTRasym을 계산하였다. T1rho의 경우는 일반적인 FSE 펄스 시퀀스 앞 부분에 스핀 고정 펄스를 연결하였다. 이 스핀 고정 부분의 시간(TSL : spin lock time)을 10, 30, 50, 70, 100, 120 ms으로 바꿔서 돼지 관절, 생체 랫 무릎 관절 영상을 얻었다. 이렇게 얻은 영상으로 T1rho 맵 영상을 구했다.
결과: gagCEST의 경우 돼지 관절 팬텀과 생체 랫 무릎 관절 모두 MTRasym = 1.0 ppm일 경우 가장 높은 값을 나타냈다. gagCEST의 정량화는 이 CEST 스펙트럼이 1.0 ppm일 때를 기반으로 한다. 그리고 T1rho 영상의 경우 일반적인 T1 강조영상, T2 강조영상보다 관절 부위의 신호 대 잡음비 (SNR : signal to noise ratio)가 더 높고, T1rho 맵 영상을 통해서 고분자의 정량화를 분명히 보여준다.
결론: gagCEST와 T1rho 펄스 시퀀스는 일반적은 MRI 영상 기법으로는 분석하기 어려운 생체 내 고분자를 영상화 하기 위해 만들어진 방법이다. 본 연구를 통해서, 돼지 관절 팬텀과 랫의 생체 내 무릎 관절을 CEST와 T1rho 영상 기법을 이용하여 실험을 수행했다. 그리고 실험 결과를 통하여, 고자장 (9.4T) MRI에서 gagCEST와 T1rho 기법을 이용하여 의미 있는 관절 영상을 얻었다. 추후 알츠하이머병, 암과 같은 다른 고분자 영역 질병에도 적용할 수 있는 가능성을 확인했다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of tables and figures v
• List of Abbreviations viii
• Introduction 1
• Material and Methods 4
• Results 17
• Discussion 27
• Conclusion 31
• References 32
• Abstract in Korean 35