Geri Dön

1H-MRSI of the deep gray matter structures in patients with amyotrophic lateral sclerosis

Amyotrofik lateral skleroz hastalarında derin gri madde yapılarının multi voksel proton manyetik rezonans spektroskopisi

PDF İndir

  1. Tez No: 885432
  2. Yazar: MERYEM TORLAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İSA YILDIRIM, PROF. DR. ESİN ÖZTÜRK IŞIK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Mühendislik Bilimleri, Bioengineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 69

Özet

Amyotrofik Lateral Skleroz (ALS), beyin ve omurilikteki sinir hücrelerinde dejenerasyona neden olan hayatı tehdit eden bir hastalıktır. ALS motor nöron hastalığı olarak da bilinir. Hem üst hem de alt motor nöronların dejenerasyonu ile karakterize edilir ve bu durum kas zayıflığına, nihai olarak felce yol açar. ALS'nin gelişiminde altta yatan mekanizmalar tam olarak anlaşılmamış olsa da bu hastaların nöronal işlevde çeşitli roller oynayan genlerde mutasyonlar taşıdığı bilinmektedir. ALS hastalarında kolların ve bacakların istemli kontrolü etkilenir. ALS hastalığının ana klinik belirtileri kas zayıflığı ve disfaji (yutma) güçlüğü gibi motor belirtiler olmasına rağmen, hastaların yarsında bilişsel bozukluk gibi motor dışı semptomlar da görülür. Ayrıca dizarti (konuşma zorluğu) de bu belirtiler arasında yer alır. ALS'nin Avrupa'da 100.000'de 2,8, Kuzey Amerika'da ise 100.000'de 1,8 oranında ortalama dağılım gösterdiği bilinmektedir. ALS, erkeklerde kadınlara göre daha sık görülmektedir. Erkek: kadın insidans oranı 1,4'tür. ALS hastalığının başlangıcından sonra ortalama yaşam süresi genellikle 2-4 yıl arasındadır. Çoğu vakada hastalığın başlangıcını ileri yaşlarda olduğu bilinmektedir. 25 yaşından önce görülen vakalar tüm vakaların %1'ini, 45 yaşından önce görülen vakalar ise tüm vakaların %10'unu temsil etmektedir. ALS hastalığı başlangıç yaşı ortalamasının 61,8±3,8 yıl olduğu ve yaş aralığının 54-67 yaş olduğu bilinmektedir. ALS teşhis yaşı ortalamasının ise 64,4±2,9 yıl olduğu ve yaş aralığının 58-68 yaş olduğu bilinmektedir. Günümüzde ALS hastalığı için bilinen bir tedavi yöntemi yoktur. Tedavinin temel amacı semptomları olabildiğince kontrol altına almaktır. Manyetik Rezonans Spektroskopisi (MRS), belirli beyin bölgelerindeki metabolit konsantrasyonunu değerlendirmek için kullanılır ve ALS teşhisi konmuş bireylerde sıkça kullanılır. MRS moleküller içindeki atom çekirdekleri tarafından üretilen radyo frekanslı elektromanyetik sinyallerin belirlenmesine dayanır. MRS bazı atom çekirdeklerinin dönen çubuk mıknatıslar gibi davranma özelliğinden yararlanır. Güçlü manyetik alan bir manyetik alan üretir ve nükleer manyetik alanlar bu manyetik alanla etkileşime girer. Bu etkileşim nedeniyle nükleer manyetik alanlar ile uygulanan manyetik alan arasında enerji transferi gerçekleşir. Bu fenomen, fizik ve mühendislikte rezonans olarak bilinir. Spektroskopi ise rezonans meydana geldiğinde belirli bir frekansın veya diğer bir deyişle dalga boyunun incelenmesi için kullanılan terimdir. Tüm atom çekirdekleri (izotoplar) dönen çubuk mıknatıs gibi davranamaz ve bu nedenle MRS sinyalleri üretemez. Tıbbi veya biyolojik MRS çalışmalarında kullanılan dönen çubuk mıknatıs özellikleri sergileyen atom çekirdekleri arasında 1H, 7Li, 13C, 19F, 23NA ve 31P bulunur. Tüm bu izotoplar farklı karakteristik frekanslara sahiptir ve bu nedenle her biri farklı MRS sinyalleri üretir. Bu nedenle, izotoplar frekans farklılıklarına göre ayırt edilebilirler. Bununla birlikte, MRS çalışmalarının çoğunda proton manyetik rezonans spektroskopisi (1H-MRS) kullanılmasının nedeni 1H-MRS'nin diğer spektroskopi tekniklerinden daha kolay uygulanabilmesidir. Bunun nedeni ise geleneksel manyetik rezonans görüntüleme (MRG)'de kullanılan aynı ekipmanın kullanılmasıdır. 1H-MRS aynı anda nöronal bütünlüğün göstergesi olarak N-asetilaspartatı (NAA), enerji metabolizmasının bir göstergesi olarak kreatini (Cr) ve hücre zarı yenilenmesinin bir göstergesi olarak kolini (Cho) ölçebilir. Tüm MRS çekirdeklerinin doğada bulunma oranı farklıdır. Örneğin 13C'nin doğada bulunma oranı %1 iken 1H'nin neredeyse %100'dür. Bu nedenle en güçlü MRS sinyalini 1H üretir. MRS'de genellikle 1,5T veya 3T manyetik alan şiddetleri kullanılır. İki genel MRS lokalizasyon tekniği bulunmaktadır bunlar tek voksel spektroskopi ve multi voksel spektroskopidir. Tek voksel spektroskopide değerlendirilecek dokunun konumunu belirlemek için bir dizi manyetik rezonans görüntüsü kullanılır ve sadece bu konumdan MRS sinyalleri toplanır. Multi voksel spektroskopide ise manyetik rezonans görüntüleme (MRG) daha büyük bir alanı tanımlamak için kullanılır. Multi voksel spektroskopide belirli bölge içindeki tüm vokseller için spektrumlar elde edilir. Tek voksel spektroskopi multi voksele göre daha hızlı bir tekniktir. Ancak tek voksel spektroskopide metabolitlerin tek bir vokseldeki bilgileri alınırken, multi vokselde birden fazla voksel bilgisi sağlanır. MRG nörolojik ve psikiyatrik bozukluklarda biyobelirteçleri tanımlamak için kullanılan bir yöntemdir. T1 ve T2 ağırlıklı görüntülerde sinyal yoğunluğundaki ve genel hacimdeki değişiklikler kolayca fark edilemez. Bu bağlamda rutin MRG, ALS hastalarında tek başına yeterli değildir. ALS dahil olmak üzere beyin hastalıkları araştırmalarında MRS kullanımı oldukça yaygındır. Standart MRG'de değerlendirme proton ve mikro ortam nicelendirmeyi içerir ve protonların vücuttaki dağılımını gösteren görüntüler üretilir. Su en yaygın bulunan proton bakımından zengin bir molekül olduğu için, bu görüntüler vücuttaki su dağılımını yansıtmaktadır. Buna karşılık, temel MRS çalışmaları, sudan farklı moleküllerdeki protonların nicelendirilmesine odaklanır. Genellikle tüm beyni kapsamak yerine belirli bir hacim içinde gerçekleştirilen MRS'de, görüntü yerine spektrum üretilir. Bu spektrum içerisinde çeşitli protonlardan ve bunların ilgili mikro ortamlarından farklı maksimum sinyaller ortaya çıkar. Bu maksimum sinyallerin x ekseni üzerindeki yerleşimi protonların dönüş frekansına bağlıdır ve her maksimum sinyalin altındaki alan proton miktarını yansıtır. MRS çalışmalarında önerilen en düşük manyetik alan 1.5T'dır. Daha yüksek uzamsal çözünürlük, daha hızlı veri toplama süreleri ve metabolitlere daha fazla erişim, yüksek manyetik alan görüntülemenin bazı avantajlarıdır. Ayrıca yüksek manyetik alan kullanmak çok düşük konsantrasyonlarda bulunan glutamat ve GABA gibi metabolitleri tanımlamak için özellikle faydalıdır. ALS hastalığının metabolik etkilerini çeşitli beyin bölgelerinde, özellikle derin gri madde yapılarında anlamak önemlidir. Genel olarak gri madde, normal işlevleri mümkün kılar. Beyin ve omurilikte bulunan gri maddeyi etkileyen birçok sağlık sorunu vardır. İskeletin istemli hareketleri büyük ölçüde derin gri madde yapıları tarafından kontrol edilir. Hareketin gerçekleştirilmesini planlamanın yanı sıra, kaudat çekirdeği öğrenme, ödül ve bellek süreçlerinde rol oynar. Bazal gangliyonlar, beyin yarı kürelerinin derinlerinde yer alan ve hareket, davranış, biliş, duyusal-motor koordinasyon, duygular ve genel olarak motor süreçlerde rol oynayan bir grup subkortikal çekirdek olarak adlandırılır. Beyin korteksi, vücudun farklı bölgelerindeki reseptörlerden gelen duyusal uyarıcıları talamus aracılığıyla alır. Diğer yandan, putamen öğrenme ve motor kontrol sürecinde, konuşma açıklığı, dil fonksiyonları ve bilişsel işlevlerin içerisine dahil olduğu kritik bir rol oynar. Bu çalışmanın amacı ALS hastalarının beynindeki metabolik değişiklikleri sağlıklı kontrollerle kıyaslayarak değerlendirmektir. Bu amaçla yaş ortalaması 57.8±9,55 yıl olan (17 kadın, 13 erkek) 30 ALS hastası ve yaş ortalaması 48.44±10,5 yıl olan (16 kadın, 11 erkek) 27 sağlıklı kontrol için proton manyetik rezonans spektroskopi verileri, multi voksel semi-LASER (sLASER) sekansı (TR=1700ms, TE=40ms, VOI=10x10x15mm3) ve 3T Siemens manyetik rezonans görüntüleme (MRG) tarayıcısı kullanılarak elde edilmiştir. Proton spektrumları in vivo metabolitler hakkında çok fazla bilgi sağlayabilmektedir. LCModel in vivo spektrumları analiz etmek için kullanılmaktadır. LCModel yalnızca in vivo verilerin girdi olarak kullanıldığı tamamen otomatik bir sistemdir. Bu çalışmada ALS hastaları ve sağlıklı kontroller arasındaki metabolik farkları talamus, putamen, kaudat ve beyaz maddde bölgelerinde değerlendirmek amaçlanmıştır. Bu amacı gerçekleştirmek için, ALS hastaları ve sağlıklı kontrollerden elde edilen multi voksel manyetik rezonans spektral verileri LCModel kullanılarak analiz edilmiştir. LCModel, Glx, GSH, tNAA, tCho ve Tau metabolitlerini ve bu metabolitlerin tCr'e oranlarını nicelendirmek için kullanılmıştır. Doğru şekilde saptanan metabolitleri belirlemek için Cramer-Rao alt sınır eşiği 30'dan düşük olarak kullanılmıştır. Talamus, putamen, kaudat ve beyaz madde bölgelerindeki metabolit tepe oranları daha sonra bu iki grup arasında karşılaştırılmıştır. Talamus, putamen, kaudat ve beyaz madde bölgelerinde sağ ve sol yarıküre arasındaki metabolit tepe oranlarındaki istatiksel olarak anlamlı farkları tespit etmek için Wilcoxon işaretli sıralar testi kullanılmıştır. Bazı derin gri madde yapıları ve beyaz maddede ALS hastaları ve sağlıklı kontroller arasındaki metabolit tepe oran farklarını değerlendirmek için Mann-Whitney U testi kullanılmıştır. Talamus, putamen ve kaudat beyin bölgelerini tanımlamak için MNI152 beyin atlası kullanılmıştır. Bu çalışmanın sonucunda, ALS hastalarının putameninde sağlıklı kontrollere kıyasla daha yüksek tCho/tCr oranı gözlemlenmiştir. Ayrıca ALS hastalarının sol putameninde sağlıklı kontrollere kıyasla daha düşük bir Glx/tCr oranı eğilimi bulunmuştur. Ayrıca, ALS hastaları sağlıklı kontrollere kıyasla sol kaudatta daha yüksek tCho/tCr ve GSH/tCr oranları eğilimi göstermiştir. ALS hastalarında sağ talamus ve putamende sol tarafa göre daha yüksek Glx/tCr oranları gözlemlenmiştir. ALS hastalarının sağ kaudatında sol tarafa göre daha düşük bir Glx/tCr oranı eğilimi gözlemlenmiştir. Ayrıca, ALS hastalarında sağ kaudatta sol tarafa göre daha düşük tNAA/tCr oranı gözlemlenmiştir. Sağlıklı kontrollerde sağ talamusta sol tarafa göre daha yüksek Glx/tCr oranı gözlemlenmiştir. Ayrıca, sağlıklı kontrollerde sağ putamen ve sağ beyaz maddede sol taraflara kıyasla daha yüksek tNAA/tCr ve Glx/tCr oranları eğilimi gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, yürütücü işlev ve davranışla ilişkili derin gri madde bölgelerinde metabolik değişiklikler tespit edilmiştir. Bu değişiklikler ALS hastalarında derin gri madde bölgelerinin etkilendiğine dair bir kanıttır. ALS hastalarında putamen ve kaudat bölgelerinde sağlıklı kontrollere göre metabolik farklılıklar gözlemlenmiştir. Bu çalışmada ALS hastalarının sağlıklı gönüllülere kıyasla putamen ve sol kaudat bölgesinde daha yüksek tCho/tCr olduğu gözlemlenmesi ALS hastalarında nöron kaybından kaynaklanan gliosis ile ilişkilendirilmiştir. Literatürde GSH/tCr oranında azalma görülürken bu çalışmada ALS hastalarının sol kaudat bölgesinde daha yüksek GSH/tCr bulundu. Bu farklılığın sebebi kullanılan farklı MRS teknikleriyle ilişkilendirilmiştir. Ayrıca yüksek GSH literatürde artmış antioksidan kapasite ve oksidatif strese karşı daha büyük dirençle ilişkilendirilmiştir. ALS hastalarının sol putameninde daha düşük Glx/tCr bulunması, hastalarda glutamat eksikliği ile ilişkilendirilmiştir. Bu uyarıcı nörotransmitterin yetersiz üretimi motor nöronları önemli ölçüde etkileyebilmektedir. Sonuç olarak, bu çalışmada ALS hastalarının derin gri madde yapılarında daha yüksek gliosis, oksidatif stres yanıtı ve glutamat eksikliği gözlemlenmiş olup, ALS hastalarında bu bölgelerin etkilendiğine dair bir kanıt oluşturmaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, ALS hastalığının anlaşılmasına katkıda bulunabilir. Ayrıca, çalışma sonucunda elde edilen bulgular MRS'nin ALS gibi nörodejeneratif hastalıkların tanı ve izleniminde önemli bir araç olduğunu göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a life-threatening disease that causes degeneration in nerve cells in the brain and spinal cord. In ALS patients, voluntary control of the arms and legs are affected. Currently, there is no cure for ALS. The primary goal of treatment is to manage symptoms to the greatest extent possible. Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is employed to assess the concentration of metabolites in specific brain regions. This method has not been fully explored to understand the metabolic deficits in individuals diagnosed with ALS. It is crucial to understand the metabolic effects of ALS through various brain regions, particularly at the deep gray matter structures. 1H-MRSI data for 30 ALS patients, with a mean age of 57.8±9.55 years (17 females, 13 males) and 27 healthy controls, with a mean age of 48.44±10.5 years (16 females, 11 males) were acquired using a clinical 3T Siemens magnetic resonance imaging (MRI) scanner equipped with a multivoxel semi-LASER (sLASER) sequence (TR=1700ms, TE=40ms, VOI=10x10x15 mm3). In this study it is aimed to assess the metabolic differences between ALS patients and healthy controls (HC) at the thalamus, putamen, caudate and white matter regions. To achieve this, multivoxel magnetic resonance spectral data from ALS patients and HC were analyzed and metabolites Glx, GSH, tNAA, tCho, and Tau, as well as their ratio to tCr were quantified using LCModel. A Cramer-Rao lower bound (CRLB) threshold of less than 30 was employed to identify properly fitted metabolites. The metabolite peak ratios at the thalamus, putamen, caudate, and white matter regions were then compared between these two groups. A Wilcoxon signed-rank test was used to detect statistically significant differences in metabolite peak ratios between the left and right hemispheres at the thalamus, putamen, caudate, and white matter regions. The Mann-Whitney rank-sum test was used to evaluate metabolite peak ratio differences between ALS patients and healthy controls at some deep gray matter structures and white matter. MNI152 brain atlas was consulted to define the thalamus, putamen, and caudate regions. In conclusion, in this study, it was observed that ALS patients had a higher tCho/tCr ratio at the putamen compared to HC. Additionally, there was a trend for a lower Glx/tCr ratio at the left putamen of ALS patients compared to HC. ALS patients also showed a trend towards higher tCho/tCr and GSH/tCr ratios at the left caudate compared to HC. In ALS patients, higher Glx/tCr ratios were observed in the right thalamus and putamen compared to the left side. A trend towards a lower Glx/tCr ratio at the right caudate of ALS patients was observed compared to the left side. Additionally, ALS patients showed a lower tNAA/tCr ratio at the right caudate compared to the left side. In HC, higher Glx/tCr ratios were observed at the right thalamus compared to the left side. A trend towards higher tNAA/tCr and Glx/tCr ratios at the right putamen and right white of HC compared to the left sides were also observed. In this study, metabolic alterations were detected at the deep gray matter regions associated with executive function and behavior. Results of this study showed increased gliosis because of increased tCho/tCr ratio in ALS patients, a response to oxidative stress because of elevated GSH/tCr ratio in ALS patients, and deficiency in glutamate within these structures in individuals with ALS. The results of this study can contribute to a deeper understanding of ALS. Moreover, the findings obtained from this study suggest that MRS is a significant diagnostic and monitoring tool for neurodegenerative diseases such as ALS.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    767053

    Development of software tools for improved 1H magnetic resonance spectroscopic imaging

    İyileştirilmiş 1H manyetik rezonans spektroskopik görüntüleme için yazılım araçlarının geliştirilmesi

    SEVİM CENGİZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ESİN ÖZTÜRK IŞIK

  2. Tez No

    437988

    Determination of biomarkers for mild cognitive impairment in parkinson's disease using magnetic resonance spectroscopic imaging

    Manyetik rezonans spektroskopik görüntüleme kullanarak hafif kognitif bozukluğu olan parkinson hastalarında biyoişaretleciyilerin belirlenmesi

    SEVİM CENGİZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ESİN ÖZTÜRK IŞIK

  3. Tez No

    855144

    Assessment of the human brain metabolism in vivo using magnetic resonance spectroscopic editing techniques at 3T

    Manyetik rezonans spektroskopik düzenleme teknikleri ile beyin metabolizmasının in-vivo incelenmesi

    GÖKÇE HALE HATAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ESİN ÖZTÜRK IŞIK

  4. Tez No

    561260

    BreastIS: A software tool for flexible breast MRI analysis

    BreastIS: Meme MRG analiz yazılımı

    BAŞAK BAYRAMBAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ESİN ÖZTÜRK IŞIK

  5. Tez No

    529717

    Magnetic resonance imaging based differential diagnosis and prognosis of mild cognitive impairment in parkinson's disease using machine learning

    Parkinson hastalığı hafif kognitif bozukluğunun manyetik rezonans görüntüleme temelli makine öğrenme yöntemleriyle tanısı ve prognozu

    OZAN GENÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ESİN ÖZTÜRK IŞIK

Geri Dön