BRAIN IMAGING: il ruolo della Risonanza Magnetica

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1 BRAIN IMAGING: il ruolo della Risonanza Magnetica L. Barberini Dept. of Public Health, Molecular and Clinical Medicine, University of Cagliari, Cagliari 28 Febbraio 2014 Aula Magna Ingegneria

2 the ancient dream Se fosse possibile vedere attraverso la scatola cranica e se la zona maggiormente eccitata fosse luminosa, si potrebbe seguire, in un uomo intento a pensare, lo spostamento incessante di questo punto luminoso, in un continuo cambiamento di forma e dimensione, e circondato da una zona d ombra più o meno fitta che occuperebbe tutto il resto degli emisferi. Ivan Pavlov, 1927 Nobel Prize 1904 L'impatto della ricerca di Pavlov La scoperta del riflesso condizionato resta una delle più importanti nella storia della psicologia: lo è per numerosi motivi, non ultimi i cambiamenti comportamentali e i trattamenti di salute mentale. Il condizionamento 'classico' è impiegato per trattare fobie, ansia e disturbi da panico.

3 the modern reality! Multimodal Neuroimaging to see morphology and functionality of the brain by means, for example, of the Magnetic Resonance Imaging and ElectroEncephaloGraphy. Selected EEG and fmri activity of the brain projected on the patient real brain acquired by means of MRI

4 Come si formano le immagini in RM? In presenza di un campo magnetico statico i nuclei con spin diverso da zero possono interagire con le radiofrequenze. Elementi piccoli di spazio tissutale assorbono l energia dalle radiofrequenze ed assumono un valore di magnetizzazione globale diverso zero. Terminata la perturbazione la magnetizzazione decade in modo collegato a parametri specifici dei tessuti. Equazione di Larmor ω(r)= γ(b 0 +G r *r)

5 Spettro della radiazione elettromagnetica

6 Dagli spin alla magnetizzazione macroscopica; il segnale in RMN All equilibrio M o B o,con un impulso a 90 o o 180 o posso ruotare M o in uno stato energeticamente instabile dal quale il sistema torna all equilibrio: processo di rilassamento L energia dipende solo da Mz due processi distinti per le componenti Mz e M

7 Costanti del rilassamento

8 Tessuti e stati fisiologici diversi significa parametri diversi I tessuti biologici sani hanno tipicamente T ms T ms Lipidi T1 e T2 brevi Tessuti biologici patologici hanno spesso contenuto in acqua maggiore di quelli normali circostanti e questo altera i parametri di rilassamento e genera contrasto.

9 I parametri del segnale RMN

10 Il contrasto tissutale

11 RF Pulses and gradients sequences GE EPI SE EPI Lowering acquisition time and getting the best SNR (Coils and gradient fields).

12 Immagini diverse delle stesse regioni: metodica multiparametrica Assiale testa, 22 cm FOV, 5 mm spessore fetta, SE

13 MRI Scanner

14 Static magnetic field and Radiofrequency pulses from dedicated coils: non ionizing radiation

15 La tecnologia delle Bobine a Allo scopo di raccogliere il segnale di rilassamento della magnetizzazione si usano opportune bobine a radiofrequenza. Molto spesso queste bobine combinano sia l azione di eccitazione dei tessuti che di raccolta del segnale. L uso di bobine dedicate permette il miglioramento del rapporto SNR ed una migliore qualità delle immagini. radiofrequenza

16 Mapping of the human brain structures. Spatial normalization is an important preprocessing step used to reduce intersubject anatomical variability in human brain mapping studies. Localization of structures MNI - Talairach atlases

17 fmri experiment

18 The fmri signal BOLD effect (Blood Oxygenation Level Dependent) OSSIEMOGLOBINA DIAMAGNETICA (Χ <0) DEOSSIEMOGLOBINA PARAMAGNETICA (Χ >0)

19 Rappresentazione dei voxel attivati MAPPA STATISTICA (Maps) Vengono marcati come attivi quei voxel che dall analisi risultano statisticamente significativi

20 Il cervello è intrinsecamente organizzato in network dinamici e correlati The intraparietal sulcus (IPS) The posterior cingulate cortex (PCC) The prefrontal cortex (PFC) Fox et al. PNAS 2005

21 Functional networks and brain diseases diagnosys Lo studio delle serie temporale del segnale Bold permette di rilevare le proprietà di aggregazione delle popolazioni neuronali alle varie scale definendo connessioni funzionali responsabili delle varie attività cerebrali. Le proprietà topologiche di queste reti possono dare informazioni su stati patologici del cervello o sui meccanismi di adattamento (plasticità neuronale) messi in atto per mantenere tali funzionalità

22 eeg/fmri combinato o simultaneo? Multimodal neuroimaging vantaggi e svantaggi. Si possono fare esperimenti EEG ed fmri e combinare i risultati. Si può acquisire direttamente l elettroencefalogramma in sala magnete mentre si esegue, in simultanea, la fmri secondo lo stesso paradigma di attivazione (task cognitivo o sensorimotorio).

23 svantaggi, attenzione agli artefatti!

24 EEG/fMRI simultaneo. Variazioni del segnale in funzione del tempo: serie temporali. Intensità del segnale EEG su un canale in funzione del tempo Intensità del segnale fmri dal singolo voxel Come correlare le variazioni elettromagnetiche e neurovascolari? Come riportare sul piano neurofisiopatologico tali variazioni? : each point represents intensity of voxel during one 3 second MRI - EPI scan

25 Le sfide tecnologiche: Molecular diagnostic in vivo La risonanza magnetica permette di analizzare le vie metaboliche dei sistemi biologici confinati, in vivo in precise regioni del corpo, ed in vitro nei campioni di biofluidi.

26 Molecular Diagnostic (n-acetilaspartato (NAA), colina (Cho), creatina + fosfocreatina (Cr), glutammato e glutammina (Glx), GABA, mio-inositolo (m-i) e acido lattico (LA)). Altered in Parkinson, Multiple Sclerosis, Epilepsy.

27 Le macchine ibride per l Imaging. La PET-MRI: una sfida tecnologica

28 Disegno della PET/MR integrata basata sugli APD Configurazione dei detector con APD ed elettronica fuori dal campo magnetico (schermato attivamante) schermata (gabbia di faraday ) MR scanner Eredità della fisica delle alte energie. System electronics scintillators APDs electronics Cables >1m long 28

29 MRI-PET Design Anello PET dentro Il campo magnetico di gradiente 1. Facilità di accesso all anello per per manutenzione 2. Alto S/N in PET 3. Annichilazione dei fotoni rivelati con bobine trasverse --> minimal scatter 4. Ma I gradienti hanno bisogno di maggiori correnti 5. Permane un forte accoppiamento delle bobine RF M.Schwaiger, S.Ziegler, et al.,

30 Un prodotto finito (approvato dalla FDA nel 2011)

31 Macchine ad alto campo (7T-14T) per studi preclinici

32 Examples of preclinical MRI Techniques Brain structure and microstructure Standard anatomical imaging provides in-plane resolution of the order of 100μm, whilst diffusion-weighted imaging provides image contrast based on the microstructure of white matter fibres. Quantitative analysis of diffusivity, anisotropy and tract characteristics is proving useful in the investigation of neurodegenerative diseases such as dementia.

33 Brain functionality in animals As in the humans, small changes in local blood flow and oxygenation accompany neuronal activity and lead to intensity changes on suitable MRI images. By comparing images acquired at baseline with those acquired during a specific condition (e.g. visual stimulation), maps of brain activity can be generated also in animals. Regions of increased (orange) activation in rats conditioned to a stimulus versus unconditioned rats. Functional resolution of 500μm. Experiment duration 30 minutes. (Holmes Lab at THE UNIVERSITY OF EDINBURGHCOLLEGE OF MEDICINE AND VETERINARY MEDICINE)

34 Compact High-Performance preclinical MRI Systems Cryogen-free 1T permanent magnet designed by Aspect Imaging Innovative compact shielded design Negligible magnetic fringe field Silent operation Small footprint No maintenance costs Broad Range of Applications Whole body anatomy Cancer research Neurology Cardiovascular research Cell studies Multi-modal imaging Negligible running costs Easy to install

35 Compact magnet Electronics Application-specific RF coils Application-specific animal handling beds Anaesthesia set-up Total small animal solution

36 Una installazione MRI

37 Gabbia di Faraday

38 Porta e struttura dei fingers

39 Controllo Gabbia di Faraday

40 Generatore di segnali ed alimentatore Analizzatore di spettro

41 I punti critici: la visiva

42 la porta

43 .ed il trasmission panel

44 Protezione del paziente, degli operatori e sicurezza del presidio

45 Gli armadi dell elettronica ed il locale tecnico di un MRI scanner

46 Controlli di qualità delle immagini per assicurare il perfetto funzionamento dello scanner

47 gestione dei criogenici: il sensore dell Ossigeno

48 Conclusioni L imaging di risonanza rappresenta una sfida per la tecnologia e per le applicazioni medico scientifiche. L Ospedale diventa luogo di collaborazione tra specialisti di molte discipline alla ricerca di risposte su uno dei sistemi più belli e misteriosi della natura il cervello umano!