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Tecniche di imaging di diffusione
molecolare con risonanza magnetica
(diffusion MRI)
Ing. Lorenzo Sani
E-mail: [email protected]
Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica
Facoltà di Medicina, Università di Pisa
Introduzione
La complessa organizzazione strutturale della materia bianca cerebrale
può essere studiata in vivo nell’uomo in maniera dettagliata con le
avanzate tecniche di imaging di diffusione molecolare con risonanza
magnetica (diffusion MRI)
Queste tecniche sono molto varie ed il tipo di informazione strutturale
che si ottiene varia a seconda della tecnica usata
Con le più moderne tecniche di diffusione oggi si può effettuare il
tracciamento di mappe delle direzioni delle fibre neurali del cervello
(trattografia) e si può studiare la connettività anatomica cerebrale
Principi fisici della diffusione molecolare
La diffusione molecolare è stata descritta formalmente per la prima
volta nel 1905 da Albert Einstein
La diffusione molecolare, o moto browniano, è un processo mediante il
quale ogni tipo di molecola all’interno di un fluido si sposta casualmente
in modo assolutamente disordinato
Questo moto è dovuto all’energia di agitazione termica della particella,
cioè al fatto che la molecola in questione subisce un gran numero urti con
le molecole del fluido in cui è immersa
Diffusione libera o isotropica
L'isotropia è la proprietà di indipendenza di una determinata grandezza
fisica dalla direzione dello spazio lungo la quale essa è misurata,
all’interno del mezzo considerato
In una sostanza isotropa le proprietà fisiche non dipendono dalla
direzione in cui si analizza la sostanza stessa
Un materiale è isotropo se le sue caratteristiche fisiche (conducibilità
elettrica e termica, proprietà ottiche...) o il suo comportamento
meccanico (rigidezza, resistenza, tenacità...) sono le stesse in tutte le
direzioni dello spazio
Ad esempio l'indice di rifrazione nel vetro è uguale in tutte le direzioni:
il vetro è un materiale isotropo perché al suo interno il comportamento
della luce è uguale in tutte le direzioni
Diffusione libera o isotropica
In un mezzo isotropo la diffusione delle molecole è mediamente la
stessa in tutte le direzioni dello spazio, non c’è una direzione
preferenziale di diffusione
Un esempio di diffusione libera è quello di una goccia di inchiostro le
cui molecole diffondono in un bicchiere d’acqua
Diffusione ristretta o anisotropica
L'anisotropia è la proprietà opposta dell’isotropia: dipendenza di una
determinata grandezza fisica dalla direzione dello spazio lungo la quale
essa è misurata, all’interno del mezzo considerato
In una sostanza anisotropa le proprietà fisiche dipendono dalla direzione
in cui si analizza la sostanza stessa
Ad esempio la resistenza meccanica in una tavola di legno è diversa nel
senso ortogonale ed in quello parallelo a quello delle fibre: il legno è un
materiale anisotropo perché al suo interno il comportamento meccanico è
diverso nelle varie direzioni dello spazio
Diffusione ristretta o anisotropica
In un mezzo anisotropo la diffusione delle molecole è diversa nelle varie
direzioni dello spazio: c’è una (o più) direzione preferenziale di
diffusione
I tessuti biologici sono mezzi molto eterogenei e sono formati da diversi
compartimenti separati tra loro da membrane semipermeabili, che
possono essere attraversate dalle molecole, ma che presentano diversa
resistenza alla loro diffusione
I tessuti
diffusione
all’interno
ostacolano
biologici sono mezzi anisotropi per quanto riguarda la
delle molecole al loro interno; le membrane presenti
dei tessuti biologici costituiscono delle barriere che
e limitano la diffusione delle molecole (diffusione ristretta)
Diffusione ristretta o anisotropica
Noi siamo interessati alla diffusione delle molecole d’acqua all’interno
della materia bianca cerebrale, cioè all’interno degli assoni
La materia bianca del tessuto nervoso ha una struttura “fibrillare”: è
formata da fasci di assoni strettamente impacchettati e allineati,
circondati da cellule gliali
La diffusione delle molecole d’acqua all’interno degli assoni è ostacolata
in direzione perpendicolare e favorita in direzione parallela all’asse degli
assoni
La diffusione delle molecole d’acqua all’interno degli assoni è maggiore in
direzione parallela e minore in direzione perpendicolare all’asse degli
assoni
Diffusione ristretta o anisotropica
All’interno degli assoni la distribuzione delle lunghezze di diffusione
delle molecole d’acqua non è isotropica come nel caso della diffusione
libera, ma è anisotropica perché si ha diffusione ristretta
Evidenze sperimentali suggeriscono che nella materia bianca il
componente tissutale principalmente responsabile dell’anisotropia della
distribuzione delle lunghezze di diffusione delle molecole d’acqua non è
la mielina ma la membrana cellulare; anche i microtubuli ed i
neurofilamenti, responsabili del trasporto assonale, hanno un ruolo
minore nell’anisotropia misurata con risonaza magnetica
Diffusione ristretta o anisotropica
Considerando una regione di materia
bianca cerebrale, al suo interno la
distribuzione
delle
lunghezze
di
diffusione delle molecole d’acqua ha
forma allungata se gli assoni sono tutti
allineati nella stessa direzione
ha forma a croce se nella regione di
interesse si hanno due popolazioni di
assoni (fibre) che si incrociano
ortogonalmente
può avere forma ancora più complessa
se nella regione di interesse sono
presenti diverse popolazioni di fibre
che
si
incrociano
con
diverse
orientazioni
Immagini
tridimensionali
(3D) della distribuzione
delle
lunghezze
di
diffusione delle molecole
d’acqua all’interno della
materia bianca cerebrale
Diffusione ristretta o anisotropica
Considerando una regione di materia
bianca cerebrale, al suo interno la
distribuzione
delle
lunghezze
di
diffusione delle molecole d’acqua ha
forma allungata se gli assoni sono tutti
allineati nella stessa direzione
ha forma a croce se nella regione di
interesse si hanno due popolazioni di
assoni (fibre) che si incrociano
ortogonalmente
se le fibre si incrociano con
orientazioni casuali la distribuzione
delle lunghezze di diffusione ha forma
sferica come nel caso della diffusione
libera, perché non c’è una direzione
preferenziale di diffusione
Rappresentazione grafica delle immagini di diffusione RM
I dati acquisiti con la risonanza magnetica tradizionale producono
immagini tridimensionali (3D): ad ogni punto del tessuto sotto esame è
associato un diverso livello di grigio (cioè un numero) del voxel
corrispondente dell’immagine, che codifica l’intensità del segnale di RM
proveniente da quel punto del tessuto
Per produrre un’immagine di diffusione di un tessuto biologico, ad ogni
voxel dell’immagine tridimensionale bisogna associare la distribuzione
delle lunghezze di diffusione delle molecole d’acqua in quel punto del
tessuto, cioè un’altra immagine tridimensionale: si ottiene un’immagine 6dimensionale (6D)
Rappresentazione grafica delle immagini di diffusione RM
Un’immagine 6D caratterizza completamente il fenomeno della
diffusione delle molecole d’acqua all’interno della materia bianca
cerebrale
L’immagine 6D è funzione delle tre variabili di posizione (coordinate del
vettore p) e delle tre variabili di diffusione (coordinate del vettore r)
Rappresentazione grafica delle immagini di diffusione 6D
Un’immagine 6D non può essere rappresentata in maniera semplice in due
dimensioni (cioè come un’immagine su un monitor di un computer)
Normalmente in ogni punto delle immagini di diffusione non interessa il
profilo di diffusione completo (cioè le tre coordinate del vettore r), ma
interessa solo la direzione di diffusione più veloce delle molecole
d’acqua, perché questa direzione individua l’orientazione degli assoni
nella struttura fibrillare della materia bianca cerebrale
In genere, in ogni punto delle immagini di diffusione, si calcola la
orientation distribution function (ODF) dai tre valori della distribuzione
delle lunghezze di diffusione delle molecole d’acqua in quel punto
Rappresentazione grafica delle immagini di diffusione 6D
Una ODF può essere considerata una sfera deformata il cui raggio in una
determinata direzione è proporzionale alla somma dei valori della
distribuzione delle lunghezze di diffusione in quella direzione
Per semplicità di visualizzazione, la superficie della ODF viene colorata
tenendo conto della direzione di diffusione (x = rosso; y = blu, z = verde)
In ogni voxel di una immagine di diffusione RM si riporta la
corrispondente ODF
Acquisizione delle immagini di diffusione RM
Per acquisire le immagini di diffusione RM si utilizzano particolari
sequenze spin-echo (SE) in cui vengono aggiunti due impulsi di gradiente,
detti gradienti di diffusione (Gdiff)
Ricostruzione delle immagini di diffusione RM
L’applicazione di una singola sequenza di diffusione produce una
immagine diffusion weighted dell’intero cervello, che corrisponde ad un
punto del q-spazio, cioè ad una determinata direzione ed intensità dei
due gradienti di diffusione
Applicazioni multiple della sequenza di diffusione, ciascuna con una
diversa pesatura di diffusione, permettono di riempire il q-spazio e di
ottenere diverse immagini diffusion weighted dell’intero cervello
Diffusion-weighted MR Imaging (DWI)
E’ la forma più semplice di imaging di diffusione RM: deriva
dall’applicazione di una singola sequenza di diffusione in una particolare
direzione del gradiente di diffusione e corrisponde ad un punto del qspazio
In un’immagine DWI le regioni dove la direzione di diffusione principale
delle molecole d’acqua è allineata con il gradiente di diffusione appaiono
scure e viceversa
Il maggior vantaggio delle immagini DWI è che la loro acquisizione è
breve, perché è richiesta l’applicazione di una singola sequenza di
diffusione
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
Il tensore di diffusione è una matrice 3x3 che caratterizza
completamente il fenomeno della diffusione nello spazio 3D; viene
normalmente rappresentato da un ellissoide o da una ODF
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
Per ottenere un’immagine DTI è necessario acquisire 6 immagini DWI ed
un’immagine di riferimento non pesata in diffusione
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
Parametri scalari che si possono ottenere dal tensore di diffudsione
a) Diffusione media
b) Fractional anisotropy (calcolata dagli autovalori del tensore di
diffusione)
c) Fractional anisotropy con codifica dei colori, che indica le tre
principali direzioni di diffusione lungo i tre assi x, y, z. L’intensità
dei colori è proporzionale al valore della fractional anisotropy nel
punto considerato
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
Left-Right
Anterior-Posterior
Superior-Inferior
Diffusion Tensor Imaging (DTI)
Left-Right
Anterior-Posterior
Superior-Inferior
Trattografia di diffusione RM
La trattografia delle fibre della materia bianca cerebrale è un metodo
per migliorare la rappresentazione grafica e perciò l’interpretazione dei
dati di imaging di diffusione del cervello
La trattografia cerca di chiarire l’architettura delle fibre del cervello
rilevando i percorsi con massima coerenza di diffusione
Le fibre vengono tracciate attraverso il cervello seguendo voxel dopo
voxel la direzione di massima diffusione
Trattografia di diffusione RM
Direction of
Greatest diffusion
Trattografia di diffusione RM - Esempi
Trattografia di diffusione RM - Esempi
Corpo calloso
Trattografia di diffusione RM - Esempi
Tratto corticospinale
Trattografia di diffusione RM - Esempi
Trattografia di diffusione RM - Esempi
Corpo calloso
Trattografia di diffusione RM - Esempi
Tratto corticospinale
Trattografia di diffusione RM - Esempi