Implementazione ed ottimizzazione di una procedura per l'acquisizione e l'analisi di dati di spettroscopia a risonanza magnetica per la rilevazione del GABA

Abstract

La spettroscopia di Risonanza Magnetica (MRS) è una tecnica analitica strumentale che permette di ottenere dettagliate informazioni sulla presenza e sulla concentrazione di metaboliti presenti nel cervello umano. L’acido γ-amminobutirrico (GABA) è il principale neurotrasmettitore inibitorio del sistema nervoso centrale (SNC) ed è coinvolto in una pluralità di patologie del SNC. Misurare i livelli di GABA in-vivo è molto complicato poiché le sue concentrazioni nel cervello sono nell’ordine di 1- 2 mM (millimolare) e il suo segnale sovrappone quello della creatina (Cr) e del n-acetil-aspartato (NAA) con MRS ad idrogeno a campo magnetico standard (1.5-3.0 T). L’obiettivo di questa tesi è stato la progettazione, lo sviluppo e la verifica sperimentale di una metodologia basata su tecnologia di MRS a 3T al fine di meglio quantificare e controllare la concentrazione di GABA. Sono stati analizzati quattro fantocci, tre preparati, contenenti pochi metaboliti, ed uno acquistato, lo SPECTRE, contenente i principali metaboliti rilevabili in aree cerebrali. I dati sono stati acquisiti utilizzando una sequenza di MRS sperimentale, la MEGAPRESS specifica per l’analisi del GABA. Le analisi sono state eseguite utilizzando software specifici per la MRS che funzionano su ambiente MATLAB, Gannet ed Osprey. I software adoperati per l’analisi hanno presentato aspetti positivi e criticità. Le analisi eseguite con Gannet sui fantocci preparati hanno avuto un esito positivo in quanto i modelli dei dati combaciavano con il modello teorico ed il rapporto tra le quantificazioni del GABA nei diversi fantocci rimaneva invariato rispetto al valore nominale. Per lo SPECTRE non è stato possibile rilevare la concentrazione di GABA. Osprey è risultato migliore per l’analisi dei dati dello SPECTRE, ma non permette la quantificazione di GABA.

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is an instrumental analytical technique that allows detailed information to be obtained on the presence and concentration of metabolites present in the human brain. γ-aminobutyric acid (GABA) is the main inhibitory neurotransmitter of the central nervous system (CNS) and is involved in a variety of CNS pathologies. Measuring GABA levels in-vivo is very complicated since its concentrations in the brain are in the order of 1-2 mM (millimolar) and its signals overlaps that of creatine (Cr) and n-acetyl-aspartate (NAA) with standard magnetic field hydrogen MRS (1.5-3.0 T). The objective of this thesis was the design, development and experimental verification of a methodology based on 3T MRS technology in order to better quantify and control the concentration of GABA. Four phantoms were analysed, three prepared, containing few metabolites, and one purchased, the SPECTRE, containing the main metabolites detectable in brain areas. The data were acquired using an experimental MRS sequence, the MEGAPRESS specific for the analysis of GABA. The analyses were performed using specific MRS software running on MATLAB environment, Gannet and Osprey. The software used for the analysis presented positive and critical aspects. The analyses performed with Gannet on the prepared phantoms had a positive outcome as the data models matched the theoretical model and the ratio between the GABA quantifications in the different phantoms remained unchanged compared to the nominal value. For SPECTRE it was not possible to detect the concentration of GABA. Osprey was better for analysing SPECTRE data but does not allow quantification of the GABA.