Proton Magnetic Resonance Spectroscopy in Brain Tumors - Clinical Applications

Abstract

Aims: · to present a test phantom and test method for evaluation of proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) single volume localization techniques regarding signal contamination; · to describe the introduction of 1H-MRS in the daily routine of a standard MR-unit; · to evaluate the possibilities offered by 1H-MRS to improve preoperative diagnostic accuracy in patients scheduled for stereotactic biopsy of intracranial mass lesions; · to evaluate the possibilities offered by 1H-MRS to improve diagnostics and therapy control in patients with brain abscesses; · to test the hypothesis that 1H-MRS might be useful for differentiation of brain tumors, based on metabolic changes in tissue across brain lesions or surrounding tissue.



Results and conclusions: · The test phantom and test method allow quality assessment with good reproducibility. Contamination values for the tested sequence types and sizes of volume of interest (VOI) differed between 0.7% and 13.8% in one dimension and between 7% and 19.1% in three dimensions. · Of the first 102 MRS measurements performed 85% were of high spectral quality. Main reasons for poor quality were mal-positioning of the VOI, susceptibility problems due to hemorrhage, and post operative changes. · Metabolite ratios of normal tissue differed from those representing stereotactic target points. No significant difference between metabolite ratios representing different histopathologic tumor types could be seen. MRS could improve diagnostic accuracy in differentiation between infiltrating and circumscribed brain lesions based on different spatial distribution of pathologic spectra across the lesion. · MR spectra from abscesses showed resonances, not found in other intracranial pathologies and vanishing under antibiotic treatment, and can therefore be used to differentiate abscesses from other ring-enhancing lesions and might be used for therapy control. · Metabolite ratios representing different components of brain lesions or adjacent tissue differed significantly for the following differential diagnoses: a) high-grade glioma versus metastasis: NAA/Cho and Cr/Cho in contrast-enhancing tissue, and NAA/Cho in tissue adjacent to and at one voxel distance to the lesion; b) meningeoma versus low-grade glioma and metastasis: NAA/Cho in contrast-enhancing tissue; c) low-grade glioma versus metastasis: NAA/Cr in tissue adjacent to the lesion. Our data support the hypothesis that proton MRS can be useful for the reliable differentiation between brain tumors, tending to infiltrate adjacent tissue, and circumscribed, non-infiltrating brain lesions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hjärntumörer är en relativt vanlig sjukdom som förekommer hos både barn och vuxna. Utredning, prognosticering och uppföljning av patienter som har drabbats av sjukdomen sker genom klinisk undersökning och med hjälp av bildgivande tekniker som datortomografi (DT) och magnetisk resonans (MR) tomografi, i dagligt tal magnetkamera. I vissa fall kan det vara svårt att skilja mellan olika typer av hjärntumörer, eller mellan hjärntumörer och andra sjukdomar som har liknande utseende på DT- eller MR-bilder. I dessa fall kan operation på neurokirurgisk klinik och histopatologisk analys av vävnaden ge rätt diagnos. I denna studie har vi undersökt möjligheten till förbättrad differentialdiagnostik av hjärntumörer och bildmässigt liknande förändringar med hjälp av magnetisk resonansspektroskopi (MRS). MRS är en teknik som tillåter en analys av kemiska beståndsdelar i kroppens olika vävnader. Undersökningen sker medan patienten ligger i en magnetkamera och utan att man behöver ta vävnadsprover. Undersökningsresultaten presenteras som kurvor, s k spektra, som illustrerar kemiska ämnen i form av toppar. Toppens position anger vad det rör sig om för ämne och storleken (ytan under topparna) ger information om ämnets koncentration. Vid sjukdom sker förändringar i ämnenas koncentration som kan mätas med MRS. I delarbete I presenterar vi ett testfantom och en metod som gör det möjligt att testa utrustningens tillförlitlighet när det gäller undersökningsområdets position i vävnaden. Testfantomet och testmetoden visade sig fungera väl och den använda forskningsutrustningen hade god precision. I delarbete II beskrivs introduktionen av metoden (MRS) i klinisk verksamhet. Ungefär 85% av de första 102 undersökningarna som utförts på den aktuella utrustningen var av hög kvalitet som medgav detaljanalys av spektra. I delarbete III ingick 25 patienter som opererades med en neurokirurgisk teknik som kallas stereotaktisk biopsi, vilken tillåter riktad provtagning med minimal vävnadsdestruktion under ingreppet. Möjligheten att MRS kan bidraga till den preoperativa diagnostiken har undersökts och resultaten tyder på att MRS ger värdefull information i sådana fall där man vill skilja mellan lokalt växande tumörer och sådana som växer diffust in i vävnaden runt den på MR-bilden synliga tumören. I delarbete IV har tre patienter med hjärnabscesser, en bakteriell infektion i hjärnan, undersökts. Med hjälp av MRS kan hjärnabscesser skiljas från hjärntumörer genom att metoden kan påvisa avfallsprodukter som utsöndras av bakterierna i abscesshålan. En sådan differentialdiagnostik är mycket viktig eftersom det saknas andra tillförlitliga metoder och patienter med hjärnabscesser kan botas om korrekt terapi sätts in snabbt. I delarbete V har MR-spektra från 73 patienter jämförts med resultaten från den patologiska analysen (diagnosen) och skillnader mellan olika tumörtyper, t ex infiltrerande tumörer och mer lokalt växande tumörer (t ex metastaser) eller hjärnabscesser har kunnat påvisas – baserat på spektrala förändringar i tumörområdet och kringliggande vävnader. Baserat på våra analyser rekommenderar vi MR-spektroskopi som en tilläggsundersökning till konventionell MR- och DT-undersökning hos patienter med misstänkta hjärntumörer där MR och DT inte medger säker differentialdiagnostik.

• author: Björkman-Burtscher, Isabella
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Ekholm, Sven, Dept. of Diagnostic Radiology, Sahlgrenska University Hospital, Gothenburg, Sweden
• organization: Diagnostic Radiology, (Lund)
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: radiology, Clinical physics, Localization, Abscess, Brain, Tumor, Spectroscopy, Magnetic Resonance, tomography, medical instrumentation, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering
• pages: 30 pages
• defense location: Lecture hall 1, University Hospital, Lund
• defense date: 1999-04-16 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEXL--1035--SE
• ISBN: 91-628-3389-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0921d3c8-0fb7-41eb-91a3-99b5f36f92fa (old id 39399)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:13:16
• date last changed: 2018-11-21 20:57:30