Effetto BOLD e quantificazione del valore T * 2 tramite tecniche multieco Gisela E Hagberg

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1 Effetto BOLD e quantificazione del valore T tramite tecniche multieco Gisela E Hagberg Laboratorio di Neuroimmagini funzionali:, Roma g.hagberg@hsantalucia.it La Tomografia a Risonanza Magnetica (RM) è un metodo che permette di ottenere immagini del corpo umano ad alta risoluzione e con un contrasto di immagine specifico per il tessuto in esame. Il contrasto è il risultato delle specifiche proprietà di rilassamento magnetico dei nuclei di idrogeno presenti nell' acqua del tessuto. Una di queste proprietà di rilassamento magnetico è il valore T, che è sensibile alla presenza di ioni paramagnetici, come la deossi-emoglobina nei vasi sanguigni. La MRI funzionale (fmri) sfrutta la variazione del contenuto d ossigeno nel sangue in aree cerebrali attivate (l effetto BOLD), che risulta in una differenza di suscettività magnetica tra il sangue nelle vene e il tessuto circostante e quindi in una diminuzione del valore T. Si è soliti rilevare l effetto BOLD tramite immagini pesate in T (di tipo singolo eco) e con queste eseguire calcoli statistici per ottenere mappe di attivazione. Si è dimostrato che queste mappe di attivazione basate sulle immagini pesate in T variano in modo considerevole tra di loro, perfino quando la misura viene ripetuta con lo stesso individuo (1). L origine di tale variazione è complessa. Innanzitutto, l alterazione del segnale dipende dal tempo di eco della misura (), e si ottiene un massimo quando questo è uguale al valore T del tessuto in esame, considerato noto e invariabile. In realtà, il valore di T varia tra aree cerebrali, a causa della presenza di agenti paramagnetici nei tessuti. Per esempio, con l avanzare dell étà, cumuli di ferro e rame nei gangli della base risulteranno in una diminuzione progressiva del valore T. Inoltre, in funzione del livello di ematocrito nel sangue, il T può subire delle alterazioni, e quindi comportare variazioni del segnale BOLD tra individui e nello stesso individuo misurato in occasioni diverse. Un altra fonte di variabilità è legato all origine stessa del segnale BOLD: brain or vein ( extra o intra vascolare), che varia con il diametro e l orientamento delle vene relativo alle linee di campo (). Per esempio, ad un campo magnetico di 1.5 T le stime della parte extra-vascolare del segnale vanno da 33% (3) a 75% (4,5). Recenti sviluppi di tecniche di tipo multi-eco, che comportano l acquisizione di immagini a più di un tempo di eco dopo l eccitazione del segnale, permettono misure quantitative del valore T mediante l applicazione di procedure di regressione lineare o non-lineare dei dati così ottenuti. Queste procedure sono o poco robuste o lente. Abbiamo sviluppato un metodo che risulta più robusto della regressione lineare e più veloce della regressione non-lineare e che rende possibile una mappatura quantitativa della variazione di T in tempo reale (6,7).

2 BIBLIOGRAFIA: 1. McGonigle DJ, Howseman AM, Atwal BS, Friston KJ, Frackowiak RS, Holmes AP (000) Variability in fmri: an examination of intersession differences. NeuroImage 11: Kiselev VG, Posse S (1999) Analytical model of suscepibility-induced MR signal dephasing: effect of diffusion in a microvascular network. Magn Reson Med 41: Boxerman J, Bandettini PA, Kwong K, Baker J, Davis T, Rosen B, Weisskoff R (1995) The intravascular contribution to fmri signal hange: Monte Carlo modeling and diffusion weighted studies in vivo. Magn Reson Med 34: Hoogenraad FGC, Pouwels PJW, Hofman MBM, Reichenbach JR, Sprenger M, Haacke EM (001) Quantitative differentiation between BOLD models in fmri. Magn Reson Med 45: Janz C, Kornmayer J, Hennig J (000) Diffusion and MTC-weighted multi-echo EPI: separation of intra vs extra-vascular fmri signal changes. Proceedings InternationalSociety for Magnetic Resonance in Medicine, p Hagberg GE, Sanes JN, Posse S (000) Metodo e apparecchiatura per generare mappe quantitative di T per la produzione di immagini da risonanza magnetica in tempo reale Brevetto Italiano RM 000 A Hagberg GE, Indovina I, Sanes JN, Posse S (00) Real time quantification of T changes using Multi- Echo Planar Imaging and numerical methods. Magn Reson Med (in press)

3 Effetto BOLD e quantificazione del valore T tramite tecniche multieco Gisela E Hagberg Msc Engineering Physics PhD Biophysics Functional Neuroimaging Laboratory Foundation Santa Lucia Rome Italy

4 Motivazione I Il segnale BOLD varia tra aree cerebrali e tra individui Questo non viene considerato tramite immagini pesate in T e quindi la variazione dei pattern di attivazione è altamente variabile

5 Motivazione II E possibile eseguire studi di fmri in tempo reale che comportano la generazione di mappe quantitative del T? Si: tecniche multi-eco No: la generazione di mappe quantitative del T è lenta

6 L effetto BOLD Visione d insieme Modelli quantitativi dell effetto BOLD Variazione del BOLD con il tempo d eco BOLD fmri: eco singolo vs multieco Tecniche multieco e metodi di generazione di mappe quantitative T

7 Il sistema vascolare Henry Gray (1918) Anatomy of the Human Body

8 BOLD: blood oxygenation level dependent

9 BOLD fmri attività neuronale ( neuronal firing ) utilizzo del glucosio flusso (CBF) e volume del sangue (CBV) estrazione di ossigeno,cmro HbO nelle vene valore T ; segnale pesato in T

10 1 S(t) = So. exp(-t/t) So [a.u.] EPI time [ms] Rest Activated

11 BOLD fmri: Immagini pesate in T active rest time [min] In rosso: voxel con attivazione significativa (p<0.05)

12 BOLD quantitativo exp λ ( / ) exp( ϕ ) Effetti legati a T; densità protonica e disomogeneità macroscopiche non sono considerati Tessuti da considerare: Materia bianca Materia grigia CSF sangue

13 ! " " " " Il BOLD e la suscettività magnetica R Φ Bo χ χ = + 6 χ χ = [ 3 cos Φ 1] + χ + 3 cos θ Φ + ( ") χ χ r θ χ Bo 1 = cambia 1 + 1

14 # % # # $ ) '& ( 3 4. Modelli matematici BOLD Variazione del segnale BOLD: ( τ ) = 8 τ 45 ( λ) τ λ τ + 5 π exp 4τ τ 3 τ 3 π 4 for τ << 1 for τ >> 1 τ = δω λ = δω δω = γχ +-, δω 5 1 π θ ( λ) = θ 0 01 / exp λ θ 4 01 /. ( θ ) 01 /. 5 Kiselev, 1999

15 BOLD al livello ultrastrutturale Intravascolare (-5 % del volume) Aumento del tempo di rilassamento T che dipende dall aumento dell ossigenazione Differenza di suscettività magnetica intra/extra vascolare Extravascolare Differenza di suscettività, alterazione del valore T nel tessuto adiacente In vicinanza dei capillari In vicinanza delle vene

16 Origine del BOLD a 1.5T Extra o Intra-vascolare? Modello Boxerman-Weisskoff (1995): /3 del segnale è di origine intravascolare BOLD ha soprattutto origini extravascolari contribuendo per i 3/4 del segnale (Hoogenrand et al., 001; Janz et al., 000)

17 Dipendenza dell effetto BOLD sul TE 0.08 ds/s(te=40ms) 0.06 Putamen M ds/s(te=66ms)

18 Variazioni percentuali del BOLD Tessuto T T /T S/S (TE=40ms) [%] S/S (TE=66ms) [%] [ms] [%] Corteccia motoria Corteccia visiva Putamen Multieco e mappatura del T Eco singolo

19 Tecniche multieco S(t) = So. exp(-t/t) Eco singolo So [a.u.] Rest Activated 0. 0 Multieco time [ms]

20 Parametri di acquisizione multieco Matrice: 3x3, 8 echi: 1, 30, 49, 67, 85, 104, 1,e 140 ms, bandwith per pixel: 630 Hz Matrice 64x64, 4 echi: 3, 64, 105, e 145 ms bandwith per pixel: 080 Hz TR=3000, 16 fette di spessore 3 mm, field-ofview: 19 mm

21 Eco singolo vs Multieco fmri: Eco singolo Multieco e mappatura del T

22 Risposta emodinamica

23 Autocorrelazione Eco singolo T

24 FE FE D AB C E H H D FE FE D G G <; < < : 9 Generazione di mappe T, Regressione non-lineare Regressione lineare log log ( ( ( )) H ( ( )) ) = = ( ) 0 exp / = = ( ) = 1 0

25 Generazione di mappe T, Regressione non-lineare: - Lenta + Esatta Regressione lineare: + Veloce - Meno robusta

26 O P Q L O Q L I JI K JI K VU VU R WVU WVU WVU R S X ] ` ] _^] _^] _ ] Y ed ed a fed fed fed a b g d fed fed a ( ) Metodo alternativo: NumART ( ) = 0 exp / ( ) τ ) τ = 0 exp τ / MNMN 1 ( τ MNMN ( 1) ( ) ( 1) = 1 RTS ( ) [ ( τ / )] = ( ( ) ( )) exp Z[\Z[ ( 1 1) ( 1 ) + ) + ( ( ) ( )) 1 ( 1 = acb ( )

27 NumART Numerical Algorithm for Real-time T -mapping + Veloce + Robusta - Errore sistematico che dipende dal valore T del tessuto in esame e dall intervallo tra echi consecutivi Brevetto: Rm 000 A Metodo e apparecchiatura per generare mappe quantitative di T Per la produzione di immagini da risonanza magnetica in tempo reale

28 NumART : effetti degli intervalli tra echi (Percent overestimation) 1/ TE/T

29 on NumART : effetti degli intervalli tra echi # of echos Echo delay, T [ms] Echo times TE[ms] NumART for 50 ms NumART for 100 ms ,0, ,410, ,60, ,460, qts pqkr iml ihikj

30 Paragone dei metodi Differenza percentuale e Relazione tra regressione nonlineare e metodi numerici

31 Applicazione: fmri in tempo reale Pesatura in T : 100ms/frame Mappe di T : 00ms/frame

32 Discussione aperta: può la variabilità dei pattern d attivazione tra soggetti e aree cerebrali diminuire tramite l utilizzo delle mappe T? Osservazioni independenti (nessun autocorrelazione) Controllo del contenuto ematico del Hb Maggior contrasto riposo/compito