Tecniche di imaging di diffusione molecolare con risonanza magnetica (diffusion MRI)

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1 Tecniche di imaging di diffusione molecolare con risonanza magnetica (diffusion MRI) Ing. Lorenzo Sani Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia Molecolare Clinica Facoltà di Medicina, Università di Pisa

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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 biologici sono mezzi anisotropi per quanto riguarda la diffusione delle molecole al loro interno; le membrane presenti all interno dei tessuti biologici costituiscono delle barriere che ostacolano e limitano la diffusione delle molecole (diffusione ristretta)

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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 6- dimensionale (6D)

13 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)

14 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

15 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

16 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 (G diff )

17 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

18 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 q- spazio 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

19 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

20 Diffusion Tensor Imaging (DTI) Per ottenere un immagine DTI è necessario acquisire 6 immagini DWI ed un immagine di riferimento non pesata in diffusione

21 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

22 Diffusion Tensor Imaging (DTI) Left-Right Anterior-Posterior Superior-Inferior

23 Diffusion Tensor Imaging (DTI) Left-Right Anterior-Posterior Superior-Inferior

24 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

25 Trattografia di diffusione RM Direction of Greatest diffusion

26 Trattografia di diffusione RM - Esempi

27 Trattografia di diffusione RM - Esempi Corpo calloso

28 Trattografia di diffusione RM - Esempi Tratto corticospinale

29 Trattografia di diffusione RM - Esempi

30 Trattografia di diffusione RM - Esempi Corpo calloso

31 Trattografia di diffusione RM - Esempi Tratto corticospinale

32 Trattografia di diffusione RM - Esempi