Statistical Parametric Mapping

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2 Corso AIFM Matlab - Milano, 2 dicembre 2014 Statistical Parametric Mapping Dott.ssa Chiara Pinardi S.C. U.O. Fisica Sanitaria, Spedali Civili di Brescia Laboratorio di Neuroimaging, Universitá degli Studi di Brescia Scuola di specializzazione in Fisica Medica, Universitá degli Studi di Milano

3 Cos è SPM? Statistical Parametric Mapping è un software open source sviluppato in ambiente MatlabR dal Wellcome Trust Center for Neuroimaging dell University College of London. Disponibile gratuitamente:

4 Cosa possiamo fare con SPM? SPM è creato per l analisi di immagini cerebrali, appartenenti a soggetti diversi per effettuare analisi di gruppo oppure immagini dello stesso soggetto seriate nel tempo. Le ultime release (SPM8, SPM12) possono analizzare immagini: fmri VBM PET M/EEG Laboratorio di Neuroimmagini, Brescia

5 Cosa possiamo fare con SPM? SPM è creato per l analisi di immagini cerebrali, appartenenti a soggetti diversi per effettuare analisi di gruppo oppure immagini dello stesso soggetto seriate nel tempo. Le ultime release (SPM8, SPM12) possono analizzare immagini: fmri VBM PET M/EEG Laboratorio di Neuroimmagini, Brescia

6 Cosa possiamo fare con SPM? SPM è creato per l analisi di immagini cerebrali, appartenenti a soggetti diversi per effettuare analisi di gruppo oppure immagini dello stesso soggetto seriate nel tempo. Le ultime release (SPM8, SPM12) possono analizzare immagini: fmri VBM PET M/EEG Perani et al., Clin Transl Imaging 2: (2014)

7 Cosa possiamo fare con SPM? SPM è creato per l analisi di immagini cerebrali, appartenenti a soggetti diversi per effettuare analisi di gruppo oppure immagini dello stesso soggetto seriate nel tempo. Le ultime release (SPM8, SPM12) possono analizzare immagini: fmri VBM PET M/EEG Litvak et al., Comput Intell Neurosci 2011: (2011)

8 Storia di SPM SPM nasce nei primi anni 90 per lo studio dei dati PET (SPM classic), per poi permettere lo studio di fmri e VBM a partire dalla metà degli anni 90 (SPM94, SPM95, SPM96, SPM99). Durante gli anni 2000 viene migliorato l approccio statistico (SPM2), modificato formato immagine (SPM5), introdotta analisi di segnali M/EEG (SPM8) e studi di Dynamic Causal Modelling su fmri e M/EEG (SPM12).

9 Quale SPM? La versione corrente (SPM12) è stata rilasciata il 1 Ottobre 2014: contiene molti upgrade, ma ancora qualche bug...

10 Quale SPM? La versione corrente (SPM12) è stata rilasciata il 1 Ottobre 2014: contiene molti upgrade, ma ancora qualche bug... oggi parleremo anche di SPM8 (rilasciato nel 2009).

11 Requisiti MatlabR SPM8: scritto per lavorare sulle versioni MATLABR da 7.1 (R14SP3) a 8.3 (R2014a), è sufficiente solo la versione base! SPM12: scritto per lavorare sulle versioni MATLABR da 7.4 (R2007a) a 8.4 (R2014b), è sufficiente solo la versione base!

12 Formato immagini SPM8 e SPM12 sono ormai passati al formato NIfTI-1 per tutti i file immagine (sia in lettura che in scrittura), ad eccezione dei dati legati alla superficie dell encefalo che utilizzano il formato GIfTI. formato NIfTI-1/GIfTI: formato immagine creato per il neuroimaging capace di contenere i dati necessari per l analisi e utilizzato da tutti i principali software (Afni, SPM, FSL, FreeSurfer, BrainVoyager, MRIcron) per permettere un efficace interazione

13 Convertitori DICOM NIfTI Il formato che si deve utilizzare non è DICOM è necessario convertire le immagini acquisite in NIfTI! Un convertitore in grado di gestire correttamente immagini di varie tipologie (PET, fmri, DTI, strutturali) provenienti da varie marche di tomografi (Siemens, GE, Philips) è il dcm2nii fornito gratuitamente insieme al viewer NIfTI MRIcron.

14 SPM Menu Dalla riga di comando MatlabR: >> spm

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16 fmri traccia il metabolismo cerebrale L ATP (prodotta con efficienza nel processo di glicolisi in presenza di O 2 ) attiva le pompe Na+/K+ che permettono la captazione dei neurotrasmettitori nelle sinapsi. Se in seguito a uno stimolo una zona del cervello consuma molta ATP, allora si può considerare la zona attivata. La presenza di O 2 è un buon indicatore di metabolismo attivo! Attwell et al., Nature 468: (2010)

17 Trasporto dell ossigeno O 2 si lega al Fe 2+ contenuto in ognuno dei 4 gruppo eme dell emoglobina, proteina presente nei globuli rossi. Il legame/distacco dell O 2 produce variazioni conformazionali che cambiano le proprietà magnetiche dell emoglobina: 1. Ossiemoglobina 1 Hb + O 2 : e Fe appaiati diamagnetica 2 Hb : e Fe spaiati paramagnetica Consumo ossigeno diminuzione segnale RM?

18 Trasporto dell ossigeno O 2 si lega al Fe 2+ contenuto in ognuno dei 4 gruppo eme dell emoglobina, proteina presente nei globuli rossi. Il legame/distacco dell O 2 produce variazioni conformazionali che cambiano le proprietà magnetiche dell emoglobina: 2. Deossiemoglobina 1 Hb + O 2 : e Fe appaiati diamagnetica 2 Hb : e Fe spaiati paramagnetica Consumo ossigeno diminuzione segnale RM?

19 Segnale fmri: segnale BOLD L aumento del metabolismo cerebrale porta a vasodilatazione e quindi ad un aumento del flusso sanguigno molto maggiore dell aumento del consumo di O 2. K. Miller, Lesson of MRI Physics, attivazione aumento segnale RM!! segnale Blood Oxygen Level Dependent (BOLD)

20 Segnale fmri: segnale BOLD L aumento del metabolismo cerebrale porta a vasodilatazione e quindi ad un aumento del flusso sanguigno molto maggiore dell aumento del consumo di O 2. K. Miller, Lesson of MRI Physics, attivazione aumento segnale RM!! segnale Blood Oxygen Level Dependent (BOLD)

21 Tipologie di studi fmri TASK-BASED MODEL FREE Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Task-rest: il soggetto è invitato a compiere delle azioni seguite da periodi di riposo con una temporizzazione ben definita. GLM analysis Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Resting State: il soggetto è invitato a rilassarsi e a non pensare a nulla durante lo scan. seed-based analysis ICA analysis

22 Protocollo tipico di acquisizione acquisizione di molti volumi (almeno ) per aumentare SNR utilizzo di scansioni EPI temporizzazione taskrest ben controllata dalla consolle per studi Task Based

23 Step di preprocessing fmri G. Ridgway, SPM Course,

24 Come effettuare il processing con SPM?

25 Riallineamento Si utilizzano trasformazioni lineari per riallineare fra loro i volumi dell immagine funzionale 6 trasformazioni affini Laboratorio di Neuroimaging, Brescia

26 Coregistrazione Si utilizzano trasformazioni lineari per portare l immagine funzionale (a bassa risoluzione) del soggetto nello spazio dell immagine anatomica dello stesso soggetto (ad alta risoluzione). 12 trasformazioni affini Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Corso AIFM Matlab - Milano 2 dicembre 2014

27 Normalizzazione Si utilizzano deformazioni non lineari per portare l immagine anatomica nello spazio standard. La trasformazione viene poi applicata alle immagini funzionali coregistrate. Laboratorio di Neuroimaging, Brescia

28 Normalizzazione a cosa? Per confrontare le immagini di diversi soggetti le trasformo in uno spazio comune a tutte, uno spazio standard : Talairach, deriva da una dissezione di un unico cervello MNI, media di 152 scan di cervelli sani MRC CBSU Wiki,

29 General Linear Model y = x 1 β 1 + x 2 β 2 + e C. Phillips, SPM Course, Si interpola linearmente la serie temporale di ogni singolo voxel dell encefalo. C. Phillips, SPM Course,

30 Analisi statistica Test statistici: t-test (one-sample, two-sample o paired) multiple regression one-way ANOVA (gruppo/singolo soggetto) full factorial flexible factorial Correzioni per falsi positivi: Bonferroni family wise error Corso AIFM Matlab - Milano 2 dicembre 2014 Laboratorio di Neuroimaging, Brescia

31 Resting State fmri Resting State fmri: studio dell attività sincrona di aree cerebrali spazialmente non correlate fluttuazione sincrona a bassa frequenza (0.1 Hz) del segnale BOLD Default Mode Network: Connettività dell abenula: Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Corso AIFM Matlab - Milano 2 dicembre 2014

32 Tipologie di studi RS SEED BASED ANALYSIS ICA Si considerano contemporaneamente tutti i voxel e l insieme dei dati è separato in sistemi distinti che mostrano le stesse fluttuazioni spontanee del segnale Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Il segnale è estratto da una ROI e viene effettuata un analisi di correlazione tra il segnale estratto e il segnale BOLD di tutti i voxel Laboratorio di Neuroimaging, Brescia

33 Dynamic Cause Modelling fmri É possibile ricostruire le dinamiche neuronali a partire dai dati funzionali?

34 VBM&PET

35 Voxel Based Morphometry Ashburner and Friston, NeuroImage 11, (2000) Molte delle differenze misurabili con MRI sono anatomiche, ricavabili quindi dall analisi delle immagini pesate in T 1 ad alta risoluzione.

36 VBM: pro e contro Studia le variazioni d intensità della GM/WM voxel per voxel all interno di uno o più gruppi Pro: informazioni sulle differenze di volume fra i gruppi correlazioni con parametri clinici Ashburner, SPM Course,

37 VBM: pro e contro Studia le variazioni d intensità della GM/WM voxel per voxel all interno di uno o più gruppi Contro: analisi sulla WM contestata grossa dipendenza dal template utilizzato (attenzione negli studi pediatrici) grossa dipendenza dallo smoothing Ashburner, SPM Course,

38 Possibilità di malinterpretazione Reale variazione di volume/girazione o artefatti nati da una errata classificazione o registrazione? Ashburner, SPM Course, Corso AIFM Matlab - Milano 2 dicembre 2014

39 Voxel Based PET L analisi voxel-wise permette di quantificare anomalie metaboliche sull intero encefalo rispetto un template di distribuzione di captazione di volontari sani. Template forniti da SPM: 15 O H 2 O possibilità di creare un template personalizzato (servono almeno 30 volontari sani) Perani et al., Clin Transl Imaging 2: (2014)

40 Step di preprocessing VBM

41 Come effettuare il processing con SPM?

42 Segmentazione La classificazione dei tessuti è basata su: uso di mappe di probabilità tissutali (create dalla media di molti soggetti sani) informazione a priori modellizzazione dell intensità dei tessuti in esame con più gaussiane assegnamento di ogni voxel ad un tessuto Ashburner, SPM Course, Laboratorio di Neuroimaging, Brescia

43 Creazione del template Template a 0, 3, 6 iterazioni: Creato attraverso delle coregistrazioni iterative di tutte le immagini dello studio all immagine media, ricalcolata ad ogni step. É necessario immettere un numero uguale di soggetti (sia patologici che sani) per ogni gruppo. Laboratorio di Neuroimaging, Brescia

44 Normalizzazione Laboratorio di Neuroimaging, Brescia L ultimo step del preprocessing consiste: normalizzare il template interno dello studio allo spazio MNI usare la trasformata per normalizzare tutte le immagini

45 Analisi Statistica Si imposta poi il design dello studio statistico: gruppi omogenei* covariate d interesse/confondenti *VB PET: è validato anche il confronto soggetto vs controlli per valutazioni cliniche Laboratorio di Neuroimaging, Brescia

46 M/EEG

47 M/EEG Litvak et al., Comput Intell Neurosci 2011: (2011) Corso AIFM Matlab - Milano 2 dicembre 2014

48 M/EEG Questo modulo permette di affrontare un analisi completa del dato M/EEG: 1 sensor space 2 source space 3 dynamic cause modelling Litvak et al., Comput Intell Neurosci 2011: (2011)

49 Toolbox & Utilities

50 Toolbox Anatomy Atlante anatomico e funzionale Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Eickhoff S. et al., A new SPM toolbox for combining probabilistic cytoarchitectonic maps and functional imaging data, NeuroImage 25(4), , 2005

51 Toolbox MarsBaR MarsBaR - MARSeille Boîte À Région d Intérêt, ( tool di SPM che permette di creare, gestire e analizzare regioni d interesse Atlante Anatomico di ROI AAL, Tzourio-Mazoyer et al., NeuroImage 15:

52 Toolbox DPARSF Data Processing Assistant for Resting-State fmri: DPARSF ( Plug-in software basato su SPM8 e REST, Resting-State fmri Data Analysis Toolkit (REST,

53 ... elenco Toolbox nella sezione Estensioni

54 Batch Processing SPM presenta una modalità semplice per scrivere script basati sulla combinazione di più operazioni supportate dal software: la modalità batch. Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Corso AIFM Matlab - Milano 2 dicembre 2014

55 Laboratorio di Neuroimaging, Brescia Corso AIFM Matlab - Milano 2 dicembre 2014 MatlabR Scripting Quando un batch non risolve i nostri problemi... ricordiamoci di essere in ambiente MatlabR! Si può creare una funzione ad hoc! Es: funzione per il calcolo del volume di WM/GM/CSF

56 Mailing List SPM supporta anche un forum di discussione: Visto che la risposta degli autori di SPM non è garantita, può essere utile studiare la cronologia o aspettare la risposta di utenti più esperti.

57 Con quali software può interagire SPM? SPM è in grado di interagire, più o meno positivamente, con tutti i software di neuroimaging che gestiscono il formato NIfTI. MRIcron BrainVoyager