TECNICHE MRI PER STUDIO DI PROCESSI DI - INFN-LNS

TECNICHE MRI PER STUDIO DI PROCESSI DI DIFFUSIONE CEREBRALE.
M.Giannelli, M.Lazzeri - U.O. Fisica Sanitaria – Azienda Ospedaliera Pisana, via Roma 67 - Pisa.
MRI E DIFFUSIONE
Con il termine MRI (Magnetic Resonance Imaging) si allude a tutte le tecniche di imaging tramite
Risonanza Magnetica Nucleare (NMR). I vantaggi del MRI rispetto all’imaging tradizionale sono
l’utilizzo di radiazioni non ionizzanti, la multiplanarità e soprattutto la multiparametricità.
Quest’ultimo aspettto è legato ad una caratteristica intrinseca delle metodiche NMR dove si
perturba il sistema di interesse rispetto alla posizione di equilibrio e si misura il segnale emesso
dagli spin protonici durante la successiva fase di rilassamento1. Tale segnale risulta dipendere da
più parametri come la densità protonica, i tempi di rilassamento (T1, T2) e la diffusione. Il contrasto
dell’immagine finale che si ottiene è espressione di tali parametri. La possibilità di pesare
maggiormente un’immagine rispetto a ciascuno dei singoli parametri funzionali consente di ottenere
immagini con un’ampia gamma di contrasto2. Ciò rende la Risonanza Magnetica mezzo elettivo di
indagine soprattutto per quanto concerne i tessuti molli ed il sistema nervoso centrale.
La “diffusione” rappresenta il moto caotico e disordinato delle molecole di un mezzo dovuto
all’agitazione termica. L’acqua comprende il 65%-90% in volume dei tessuti biologici, funge da
mezzo di trasporto dei composti biochimici ed è elemento fondamentale di molte reazioni chimiche.
Studi di diffusione protonica permettono di valutare l’integrità e la funzionalità cellulare sia in
condizioni normali che patologiche.
Al momento la Risonanza Magnetica rappresenta l’unico mezzo di indagine non invasivo per lo
studio di processi di diffusione in vivo sull’uomo. La diffusione offre ampie potenzialità per
indagini anatomico-funzionali a livello cerebrale. Studi di diffusione cerebrale hanno evidenziato
alcune rilevanti applicazioni cliniche3 come la diagnosi dell’ischemia cerebrale in fase iperacuta e
lo studio di alcune patologie a carico dei fasci di fibre di sostanza bianca (FSB).
DWI E MAPPE ADC
Lo studio della diffusione in Risonanza Magnetica sfrutta l’effetto IVIM (Intra Voxel Incoherent
Motion). Nelle tecniche MRI per studi di diffusione vengono utilizzate sequenze EPI4 (Echo Planar
Imaging) veloci pesate in diffusione mediante l’applicazione di un gradiente bipolare di StejskalTanner5. L’effetto della pesatura in diffusione è un’attenuazione di segnale nelle regioni a maggiore
diffusione. Ciò è legato allo sfasamento dei singoli spin elementari durante il loro moto in presenza
del gradiente di diffusione6.
Le immagini pesate in diffusione vengono denominate DWI (Diffusion Weighted Images). In DWI
le zone a maggiore diffusione appaiono ipointense. Il contrasto dell’immagine rivela
qualitativamente l’entità dei processi diffusivi all’interno delle regioni esaminate. Il parametro che
quantifica il grado di pesatura in diffusione di una DWI viene indicato come bvalue:
bvalue = (gGd)2(D-d/3)
dove g è il fattore giromagnetico7, G l’ampiezza del gradiente di diffusione, D e d rispettivamente la
distanza e la durata dei due impulsi del gradiente bipolare.
I processi diffusivi all’interno dei tessuti biologici risultano molto complessi. La diffusione,
infatti, può essere ristretta, ostacolata o anisotropa. Per questo motivo nei tessuti biologici non si
parla di coefficiente di diffusione ma di ADC (Apparent Diffusion Coefficient). Le mappe ADC
possono essere ottenute acquisendo due DWI a bvalue differenti e sfruttando la relazione:
ADC = 1/(b1 – b2 )ln(S2 / S1)
dove (b1, b2) e (S1, S2) sono rispettivamente i bvalue ed i segnali delle due DWI. Qualitativamente le
mappe ADC appaiono come il negativo delle DWI. Tuttavia le mappe ADC, al contrario delle DWI,
non risentono di alcuna pesatura T2 residua e contengono una precisa informazione quantitativa
relativa ai processi diffusivi.
Il principale limite di DWI e mappe ADC è la dipendenza dalla direzione del gradiente di
diffusione applicato. Ciò deve essere preso in considerazione quando sono esaminate strutture
caratterizzate da processi di diffusione anisotropa come i fasci di fibre di sostanza bianca.
IL TENSORE DI DIFFUSIONE
Una descrizione completa dei processi diffusivi in mezzi anisotropi richiede la conoscenza del
tensore di diffusione Dij. In base all’equazione di Bloch per mezzi diffusivi8, l’attenuazione di
segnale in un’immagine DWI è pari a:
ln(S/S0) = - Si,j bij Dij
(*)
dove bij sono gli elementi della matrice b-matrix9. Quest’ultima è funzione dei gradienti di
diffusione e di imaging della sequenza di diffusione utilizzata. Il metodo per ottenere il tensore di
diffusione si basa sull’acquisizione di un minimo di 6 DWI pesate in diffusione lungo direzioni non
collineari e di un’immagine a bvalue nullo. I 6 elementi indipendenti del tensore di diffusione
possono essere ricavati risolvendo (*) mediante metodi analitici o di regressione multipla10.
La conoscenza del tensore di diffusione consente di superare i limiti di direzionalità di DWI e
mappe ADC. Le informazioni contenute in Dij possono essere, infatti, “visualizzate” mediante la
realizzazione di mappe di opportuni indici di diffusione invarianti per rotazione. Il naturale sostituto
di una mappa ADC può essere rappresentato da una mappa di Traccia. Quest’ultima è
proporzionale al coefficiente di diffusione medio lungo i tre assi principali dell’ellissoide di
rotazione associato al tensore di diffusione.
INDICI DI DIFFUSIONE ANISOTROPA
I fasci di fibre di sostanza bianca (FSB) rivestono un ruolo fondamentale in ambito neurofisiologico
in quanto connettono i centri funzionali del sistema nervoso centrale e possono essere coinvolti
nella maggior parte dei quadri patologici dell’encefalo.
Ciò che contraddistingue i FSB dal punto di vista della diffusione è l’anisotropia11. Tramite
mappe di indici di diffusione anisotropa, invarianti per rotazione, è possibile evidenziare le
diramazioni dei singoli fasci e misurare quantitativamente il grado di anisotropia delle fibre. I
principali indici di diffusione anisotropa sono l’Anisotropia Frazionaria (FA) e l’Indice di Reticolo
(LI)12. Gli indici di diffusione anisotropa sono adimensionali e variano fra 0 (isotropia) e 1
(anisotropia). Il FA è un indice intra voxel che rappresenta la parte antisimmetrica del tensore di
diffusione mentre il LI è un indice inter voxel che misura il grado di coerenza direzionale
dell’ellissoide di rotazione di un voxel di riferimento rispetto a quello dei voxel vicini. Il FA sfrutta
solo le informazioni espresse dagli autovalori del tensore mentre il LI sfrutta anche le informazioni
relative agli autovettori. Ciò comporta un maggiore SNR delle mappe di LI rispetto a quelle di FA.
CONCLUSIONI
DWI, mappe ADC, di Traccia ed indici di diffusione anisotropa forniscono un potente mezzo di
indagine per processi diffusivi. Le varie regioni del parenchima cerebrale risultano caratterizzate da
differenti valori dei coefficienti e degli indici di diffusione. Variazioni rispetto ai valori normali
possono rivelare alterazioni patologiche non facilmente evidenziabili con altre tecniche
diagnostiche di base. Queste ultime sono, infatti, capaci di rivelare una patologia solo quando ad
essa è già associato un danno strutturale dei tessuti. Con studi di diffusione, invece, è possibile
evidenziare precocemente alcune patologie, fra cui l’ischemia iperacuta, quando il danno non è
ancora strutturale ma solamente funzionale a livello di alterazione dei processi diffusivi molecolari.
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