Multicentre study for a robust protocol in single-voxel spectroscopy: quantification of MRS signals by time-domain fitting algorithms

Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) is an advanced clinical and research application which guarantees a specific biochemical and metabolic characterization of tissues by the detection and quantification of key metabolites for diagnosis and disease staging. The "Associazione Italiana di Fisica Medica (AIFM)" has promoted the activity of the "Interconfronto di spettroscopia in RM" working group. The purpose of the study is to compare and analyze results obtained by perfoming MRS on scanners of different manufacturing in order to compile a robust protocol for spectroscopic examinations in clinical routines. This thesis takes part into this project by using the GE Signa HDxt 1.5 T at the Pavillion no. 11 of the S.Orsola-Malpighi hospital in Bologna. The spectral analyses have been performed with the jMRUI package, which includes a wide range of preprocessing and quantification algorithms for signal analysis in the time domain. After the quality assurance on the scanner with standard and innovative methods, both spectra with and without suppression of the water peak have been acquired on the GE test phantom. The comparison of the ratios of the metabolite amplitudes over Creatine computed by the workstation software, which works on the frequencies, and jMRUI shows good agreement, suggesting that quantifications in both domains may lead to consistent results. The characterization of an in-house phantom provided by the working group has achieved its goal of assessing the solution content and the metabolite concentrations with good accuracy. The goodness of the experimental procedure and data analysis has been demonstrated by the correct estimation of the T2 of water, the observed biexponential relaxation curve of Creatine and the correct TE value at which the modulation by J coupling causes the Lactate doublet to be inverted in the spectrum. The work of this thesis has demonstrated that it is possible to perform measurements and establish protocols for data analysis, based on the physical principles of NMR, which are able to provide robust values for the spectral parameters of clinical use.

MR spectroscopy in human prostate: in vitro and in vivo measurements to optimize new quantification algorithms

Il cancro della prostata (PCa) è il tumore maligno non-cutaneo più diffuso tra gli uomini ed è il secondo tumore che miete più vittime nei paesi occidentali. La necessità di nuove tecniche non invasive per la diagnosi precoce del PCa è aumentata negli anni. 1H-MRS (proton magnetic resonance spectroscopy) e 1H-MRSI (proton magnetic resonance spectroscopy imaging) sono tecniche avanzate di spettroscopia in risonanza magnetica che permettono di individuare presenza di metaboliti come citrato, colina, creatina e in alcuni casi poliammine in uno o più voxel nel tessuto prostatico. L’abbondanza o l’assenza di uno di questi metaboliti rende possibile discriminare un tessuto sano da uno patologico. Le tecniche di spettroscopia RM sono correntemente utilizzate nella pratica clinica per cervello e fegato, con l’utilizzo di software dedicati per l’analisi degli spettri. La quantificazione di metaboliti nella prostata invece può risultare difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore (SNR) degli spettri e del forte accoppiamento-j del citrato. Lo scopo principale di questo lavoro è di proporre un software prototipo per la quantificazione automatica di citrato, colina e creatina nella prostata. Lo sviluppo del programma e dei suoi algoritmi è stato portato avanti all’interno dell’IRST (Istituto Romagnolo per lo Studio e la cura dei Tumori) con l’aiuto dell’unità di fisica sanitaria. Il cuore del programma è un algoritmo iterativo per il fit degli spettri che fa uso di simulazioni MRS sviluppate con il pacchetto di librerie GAMMA in C++. L’accuratezza delle quantificazioni è stata testata con dei fantocci realizzati all’interno dei laboratori dell’istituto. Tutte le misure spettroscopiche sono state eseguite con il nuovo scanner Philips Ingenia 3T, una delle machine di risonanza magnetica più avanzate per applicazioni cliniche. Infine, dopo aver eseguito i test in vitro sui fantocci, sono stati acquisiti gli spettri delle prostate di alcuni volontari sani, per testare se il programma fosse in grado di lavorare in condizioni di basso SNR.

Synthesis and characterization of hydroxyapatite modified with (9r)-9-hydroxystearic acid

(9R)-9-hydroxystearic acid (9R-HSA) has been proven to have antitumoral activity because it is shown to inhibit histone deacetylase 1, an enzyme which activates DNA replication, and the (R)-enantiomer has been shown to be more active than the (S)-enantiomer both in vitro and by molecular docking. Hydroxyapatite is the main mineral component of bone and teeth and has been used for over 20 years in prostheses and their coating because it is biocompatible and bioactive. The goal of incorporating 9R-HSA into hydroxyapatite is to have a material that combines the bioactivity of HA with the antitumoral properties of 9R-HSA. In this work, 9R-HSA and its potassium salt were synthesized and the latter was also incorporated into hydroxyapatite. The content of (R)-9-hydroxystearate ion incorporated into the apatitic structure was shown to be a function of its concentration in solution and can reach values higher than 8.5%. (9R)-9-hydroxystearic acid modified hydroxyapatite was extensively characterized to determine the effect of the incorporation of the organic molecule. This incorporation does not significantly alter the unit cell but reduces the size of both the crystals as well as the coherent domains, mainly along the a-axis of hydroxyapatite. This is believed to be due to the coordination of the negatively charged carboxylate group to the calcium ions which are more exposed on the (100) face of the crystal, therefore limiting the growth mainly in this direction. Further analyses showed that the material becomes hydrophobic and more negatively charged with the addition of 9R-HSA but both of these properties reach a plateau at less than 5% wt of 9R-HSA.

Characterization of a dual-energy X-ray absorptiometry system for soft tissues assessment and their correlations with metabolic state

Il crescente utilizzo di sistemi di analisi high-throughput per lo studio dello stato fisiologico e metabolico del corpo, ha evidenziato che una corretta alimentazione e una buona forma fisica siano fattori chiave per la salute. L'aumento dell'età media della popolazione evidenzia l'importanza delle strategie di contrasto delle patologie legate all'invecchiamento. Una dieta sana è il primo mezzo di prevenzione per molte patologie, pertanto capire come il cibo influisce sul corpo umano è di fondamentale importanza. In questo lavoro di tesi abbiamo affrontato la caratterizzazione dei sistemi di imaging radiografico Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA). Dopo aver stabilito una metodologia adatta per l'elaborazione di dati DXA su un gruppo di soggetti sani non obesi, la PCA ha evidenziato alcune proprietà emergenti dall'interpretazione delle componenti principali in termini delle variabili di composizione corporea restituite dalla DXA. Le prime componenti sono associabili ad indici macroscopici di descrizione corporea (come BMI e WHR). Queste componenti sono sorprendentemente stabili al variare dello status dei soggetti in età, sesso e nazionalità. Dati di analisi metabolica, ottenuti tramite Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) su campioni di urina, sono disponibili per circa mille anziani (provenienti da cinque paesi europei) di età compresa tra i 65 ed i 79 anni, non affetti da patologie gravi. I dati di composizione corporea sono altresì presenti per questi soggetti. L'algoritmo di Non-negative Matrix Factorization (NMF) è stato utilizzato per esprimere gli spettri MRS come combinazione di fattori di base interpretabili come singoli metaboliti. I fattori trovati sono stabili, quindi spettri metabolici di soggetti sono composti dallo stesso pattern di metaboliti indipendentemente dalla nazionalità. Attraverso un'analisi a singolo cieco sono stati trovati alti valori di correlazione tra le variabili di composizione corporea e lo stato metabolico dei soggetti. Ciò suggerisce la possibilità di derivare la composizione corporea dei soggetti a partire dal loro stato metabolico.