MRSI telah banyak digunakan secara intensif untuk pemeriksaan otak dan kelainan patologisnya sejak awal tahun 1980. Saat itu, MR spectroscopy untuk pemerikasaan otak menggunakann nucleus phosphorus (31P). Namun teknik ini mempunyai kekurangan dari segi rendahnya sensivitas dan konsentrasi pada jaringan otak serta resolusi spasial yang tidak adekuat pada pemeriksaan fokal lesi berukuran sedang atau kecil, sehingga digantikan oleh hydrogen (1H). Teknik resonansi proton (1H) adalah paling banyak digunakan pada pemeriksaan otak karena kandungan hidrogen terbanyak dalam tubuh manusia dan emisi nukleusnya memancarkan frekuensi paling intens ketika berinteraksi dengan medan magnet eksternal serta pemeriksaannya dapat dikerjakan dengan coil yang sama dengan yang digunakan untuk imaging. (Debora Bertholdo, 2004)
Proton MRspectroscopy pada jaringan otak menunjukkan spectral dari beberapa metabolit dimana konsentrasi minimumnya antara 0.5 dan 1.0 mMol.
Dalam satu spektrum, metabolit-metabolit tersebut beresonansi pada frekuensi yang berbeda sehingga posisi tiap metabolit yang di plot sepanjang grafik axis horisontal berbeda satu dengan lainnya, dan merujuk pada pergeseran kimia (chemical shift), mempunyai skala unit dalam part per millon (ppm). (Debora Bertholdo, 2004)
Konsentrasi metabolit normal pada jaringan otak bervariasi sesuai umur pasien.Variasinya lebih terlihat pada 3 tahun pertama semenjak lahir, namun terkadang bisa juga sampai 16 tahun. Perbedaan signifikan ialah kenaikan rasio NAA/Cr dan turunnya rasio Cho/Cra sesuai pertambahan usia. (Debora Bertholdo, 2004)
Beberapa metabolit utama pada jaringan otak yang dideteksi Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) adalah:
a. N-acetyl aspartate (Naa): sebagai marker neuoral yang terdapat pada tubuh neuron dan axon. Penurunan nilai puncak dari spektrum ini mengindikasikan hilangnya neural (neural loss) , misalnya pada kasus glioma, ischemia, mesial temporal sclerosis, dan penyaki generatif. Naa terlihat di spektrum pada resonansi frekuensi 2.02 part per million (ppm).
b. Creatine (Cr): marker energi aerobic dari metabolisme jaringan otak. Nilai puncak pada spektrum relatif konstan sehingga dipakai sebgai pembanding internal untuk nilai metabolit lainnya. Penurunan nilai puncaknya pada spektrum umumnya terjadi pada metastasis tumor otak. Cr nampak di spektrum pada resonansi 3.02 ppm dan kadang ada puncak tambahan di 3.49 ppm.
c. Cholin (Cho): berhubungan dengan sintesa membran. Kenaikan puncak pada Cho menunjukkan peningkatan sintesa membran dan proliferasi sel dan terjadi pada kasus neoplasma pada jaringan otak. Cho beresonansi di spektrum pada 3.2 ppm.
d. Lactate: neuro modulator, umumnya tidak tampak pada jaringan otak normal.
Lactateakan terlihat pada keadaan patologis yang berhubungan hasil akhir dari metabolisme anaerobic. Dapat dijumpai pada cyst otak. Pada keadaan hypoxic/ischemic di jaringan otak, akan terlihat spektral terbalik dengan puncak ganda pada grafik. (Echo time=136 ms) pada frekuensi 1.33 ppm.
e. Lipids: metabolit ini tidak akan tampak pada jaringan normal. Keadaan patologis, dimana terjadi nekrosis, seperti neoplasm dan proses inflamasi / infeksi, puncak akan terlihat karena terjadi degradasi membran sel pada 0.9 dan 1.33 ppm.
f. Myoinositol: marker fungsi glial dan berperan penting sebagai agen regulator dari volume sel. Nampak relatif tinggi pada lesi low grade glioma dan relatif rendah pada lesi high grade tumor seperti anaplastic astrocytoma dan glioblastoma multiforme. (Debora Bertholdo, 2004)
15
Pola normal spektral dari metabolit jaringan otak ditunjukkan pada gambar 2.4
Gambar 4. Proton MR Spectroscopy Otak Normal (Irina, 2008)
Konsentrasi tiap metabolit lebih direpresentasikan oleh area dibawah puncak kurva ketimbang tinggi (peak) dari puncak tersebut. Konsentrasi metabolit-metabolit itu jauh lebih kecil dibandingkan air dan lemak. Oleh sebab itu , MR spectroscopy pemeriksaan otak menggunakan teknik Chemical shift selective (CHESS) (seperti yang dipakai pada teknik saturasi lemak,tetapi bedanya radiofrekuesi yang ditekan berpusat pada air bukan lemak , untuk menekan signal dari air atau cairan otak, sehingga frekuensi-frekuensi metabolit tersebut dapat terlihat dengan lebih prominen.
Perbedaan pola dari spektral antara jaringan otak normal dan abnormal adalah dasar aplikasi klinis dari MR spectroscopy. Sedangkan Magnetic Resonance Imaging (MRI), perbedaan morfologi antara struktur anatomi otak normal dan abnomal menjadi dasarnya. Permasalahnya, ada beberapa kelainan patologis tanpa perubahan morfologi (misalnya: ischemia). Disamping itu, perubahan struktur anatomi tersebut masih perlu dibedakan jenisnya, dan terkadang sulit karena memilik karakteristik morfologi yang hampir sama, misalnya: tumor low grade glioma atau cerebral infark. (Irina Mader, 2008)
Intinya, proses terjadinya penyakit pada jaringan otak, kelainan metabolik sering kali terjadi lebih dahulu sebelum perubahan morfologinya. MR spectroscopy tidak berperan menggantikan Magnetic Resonance Imaging (MRI) imaging, namun sebagai tambahan informasi metabolik non invasif sehingga evaluasi diagnosa menjadi lebih komperhensif. (Irina Mader, 2008)
Dalam aplikasi klinis, pola spektral otak normal menjadi referensi pembanding untuk menentukan jenis kelainan pada otak yang abnormal. Dari penelitian secara klinis, beberapa kelainan pada otak ternyata memiliki karakteristik pola spektrum yang khas atau ibaratnya seperti ”tanda tangan”. (misalnya dengan penurunan atau kenaikan rasio metabolit tertentu). Hal ini bisa membantu pada dokter untuk mendiagnosa penyakit lebih baik lagi. (Irina Mader, 2008)
Aplikasi klinis yang umum digunakan pada pemeriksaan MR spectroscopy otak adalah pada kasus tumor, infeksi , inflamasi, epilepsi, dan sebagainya.
2.4.1 Kekuatan Magnet
Secara teori, MR spectroscopy bisa dilakukan pada Magnetic Resonance Imaging (MRI) berapa pun teslanya. Namun secara klinis, hanyaMagnetic Resonance Imaging (MRI) 1.5 Tesla dipakai sebagai standar karena resolusi spasial yang baik dan waktu imaging yang cepat, tanpa harus membeli alat baru dan biaya operasional tambahan. Bahkan telah banyak digunakan klinis menggunakanMagnetic Resonance Imaging(MRI) 3T, sementara MRI 7T telah dipakai sebatas riset.
Pulse Sequence
Ada 2 metode pulse sequence dasar yang digunakan untuk pengambilan sampel volume pada pemeriksaan MR spectroscopy yaitu Stimulated Echo Acquisition Mode (STEAM) dan Point Resolved Spectroscopy (PRESS).
Steam
Menggunakan radio frekuensi pulse 90°-90°-90° untuk medapatkan stimulasi echo. Teknik ini dapat digunakan dengan waktu echo yang pendek (TE=20-40 ms) untuk menampilkan metabolit dengan waktu relaksasi T2 yang pendek (misal: Lipid (lip), Glutamine dan glutameate (Gx), Myo-inisitol (mI), presisi voxel yang tinggi.
Namun tidak lengkap, sehinggal perbandingan antara signal dan noise (signal to noise ratio) lebih rendah.
17
Press
Menggunakan radio frekuensi pulse 90°-180°-180° untuk medapatkan stimulasi echo. Dapat digunakan dengan waktu echo yang pendek dan panjang.
Perbandingan signal to noise rasio dua kali lebih baik dan waktu akusisi yang lebih efisien dari STEAM. Baik digunakan untuk evaluasi lesi pada otak untuk melihat konsentrasi metabolit T2 yang panjang (misalnya NAA, Choline, creatine, dan lactate).Time Echo bisa dipakai: Intermediate =135-144 ms, 270, Long=270-288 ms.
2.4.2 Teknik Voxel pada MR Spectroscopy
Dalam melakukan sampling area anatomi otak Proton MR spectroscopy, kita bisa menggunakan teknik single voxel (SV) atau multivoxel (MV).
Teknik single voxel : paling umum dikerjakan dan tersedia hampir pada semua peralatanMagnetic Resonance Imaging(MRI). Teknik single voxel ini biasanya berukuran 2x2x2 cm =8 cm3, pemindainya berbentuk bujur sangkar. Untuk evaluasi lesi yang lebih kecil, ukuran volumenya bisa diturunkan.
Waktu pemeriksaan relatif cepat (kira-kira 3 sampai 5 menit). Kelemahan teknik ini ialah sangat terbatasnya area anatomi otak yang diperiksa sehingga hanya satu bagian area kecil saja yang dievaluasi dalam satu kali pemeriksaan, sehingga akurasi hasil pengambilan sampel sangat bergantung pada penempatan voxel yang tepat.
Teknik mutivoxel (MV): dikenal dengan Chemical Shift Imaging (CSI), menggunakan beberapa area kubikal (voxel) sehingga menjangkau area anatomi jaringan otak yang lebih luas. Keuntungannya, area-area tersebut tersebut dapat diperiksa secara simultan, sehingga jaringan otak abnormal dan normal, komposisi jaringan berbeda dan heterogen disekitar lesi dapat dievaluasi bersamaan. Disamping itu, konsentrasi dan distribusi metabolit dan perbandinganya dapat dipetakan dengan warna (colour mapping) berupa gambar anatomi dengan distibusi perbedaan gradasi warna sesuai dengan konsentrasi metabolit di area tersebut. Selain itu, teknik ini bisa meminimalkan kesalahan tempat pengambilan sampel karena efek volume parsial.
Kelemahannya terletak pada waktu akusisi yang lebih panjang dan agak sulit memperoleh area yang luas tersebut magnetis-homogen.
2.4.3 Penempatan Voxel
Untuk menghasilkan kualitas spektral yang tinggi, penempatan voxel harus menghindari area magnetisasi yang tidak homogen. Area tersebut adalah : darah, produk darah, udara, cairan spinal (Cerebro Spinal Fluid), kalsifikasi dan tulang.Untuk evaluasi lesi otak, setiap pengambilan sampel area spectroscopy sebaiknya juga diambil area normal yang terletak pada sisi lainnya (kontralateral), dan penggunaan teknik dan protokol yang selalu sama dan konsisten (PRESS atau STEAM, TE, TR, dan parameter lainnya yang sama).
2.4.4 Pengumpulan Data
MR Spectroscopy dapat dipakai baik sebelum maupun sesudah pemberian kontras media dan penelitian, bahwa tidak ada perbedaan yang signifikan antara pemeriksaan MR spectroscopy yang dilakukan sebelum dan sesudah pemberian kontras media MRI. Pemberian kontras media memberikan gambaran informasi lebih lanjut tentang bentuk, besar dan letak lesi yang sebenarnya, membedakan dengan jaringan sekitarnya (oedema atau infiltrasi tumor), bahkan lesi lain yang tidak tampak sebelumnya pada T1W, dengan langkah-langkah sebagai berikut:
a. Buat minimal 1 – irisan gambar untuk area penempatan voxel. (Bisa dari MRI gambar sebelumnya atau sequence T2W fast atau T1W).
b. Letakkan voxel (single atau multi voxel) ditempat area otak yang diingikan untuk diperiksa. Pada post contrast, untuk single voxel bisa dipasang di central dan sekitar area yang ada penyangatan kontras.
c. Optimasi scanning (atur voxel volume dan area)
d. Lakukan shim (supaya area magnetik tersebut homogen), misalnya pada single voxel , ukuran 20 mm3, Line witdh water frequency < 7 Hz.
Kualitas spektra yang baik sangat ditentukan oleh:
a. Langkah penyeragaman daerah lokasi voxel yang ditentukan (Shimming).
b. Penekanan signal dari cairan otak, gunakan Chemical Shift Selective Saturation) supaya signal metabolit – metabolit bisa diobservasi.
c. Penekanan signal lemak untuk mencegah kontaminasi spektrum oleh frekuesi lemak.
19
Jika hasil spektral kurang baik dapat dilakukan :
a. Menaikkan jumlah akuisisi (NEX) dengan konsekuensi bertambahnya waktu pemeriksaan.
b. Pindahkan kubus voxel ke tempat lain.
c. Naikkan ukuran voxel untuk meningkatkan perbandingan rasio signal to noise Untuk menilai spektrumnya adalah :
Spektrum yang bernilai diagnostik, ditampilkan dengan sumbu horisontal yang mendatar dan saling berdekatannya puncak-puncak dari amplitudo signal-signal metabolit tetapi masih dapat dibedakan. Selain perbandingan intensitas signal, perhitungan rasio antar konsentrasi metabolit (dihitung dari luas area dibawah kurva frekuensi metabolit) digunakan untuk evaluasi karakteristik patologis dari jaringan otak. (Irina Mader, 2008)
Pada perangkat lunak MR Spectrocopy, signal molekul yang di deteksi diproses (dengan teknik kompensasi Eddy Current, Offset Correction, Zero Filling, dan Apodization) kemudian dikonversi lewat transformasi Fourier dan dilakukan pengaturan koreksi fase dan base linenya, sehingga menghasilkan grafik spektrumnya yang siap dianalisa.