Misure di diffusione in MRI: realizzazione di un modello sperimentale per la validazione di tecniche di ricostruzione tramite algoritmi di fiber tracking
La tecnica diagnostica di Risonanza Magnetica basata sulla misura del Tensore di Diffusione (Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging, DT-MRI, o semplicemente Diffusion Tensor Imaging, DTI), si è rivelata un valido strumento non invasivo per lo studio in vivo della materia bianca cerebrale.
Con il termine diffusione si intende il moto casuale di origine termica che interessa le particelle di un fluido.
Laddove i meccanismi del processo di diffusione dipendono dalla particolare direzione nello spazio si parla di diffusione anisotropa. La materia bianca presente nell'encefalo mostra delle caratteristiche altamente anisotrope, a causa dei fasci di fibre neuronali di cui è costituita. La tecnica DTI permette di associare al segnale di Risonanza Magnetica Nucleare (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) proveniente dal campione in esame l'informazione relativa al processo di diffusione delle molecole di acqua all'interno della materia bianca per inferire l'organizzazione dei fasci di fibre neuronali attraverso una stima del conseguente grado di anisotropia.
La tecnica che permette di risalire alla struttura e all'orientamento dei fasci di fibre neuronali a partire da misure di diffusione cerebrale è nota come Trattografia (Fiber tracking).
La capacità della tecnica DTI di fornire informazioni sull'anisotropia che interessa la materia bianca cerebrale trova applicazione nello studio di diverse patologie, quali malattie neuro-degenerative (come l'Alzheimer) e paralisi cerebrali infantili dovute a lesioni pre-perinatali.
Le attuali limitazioni nella strumentazione MRI pongono dei limiti nella risoluzione spaziale delle acquisizioni DTI dell'ordine del millimetro. Poichè il segnale rivelato media l'informazione all'interno del singolo elemento di volume indagato (voxel), la tecnica DTI risulta inadeguata alla risoluzione di fasci di fibre in situazioni di eterogeneità all'interno di uno stesso voxel (Intra-Voxel Orientational Heterogeneity, IVOH), ovvero in presenza di fasci con diversi orientamenti. Una situazione di eterogeneità IVOH può essere rappresentata da fasci di fibre che si incrociano (fiber crossing), che si avvicinano per poi allontanarsi (fiber kissing) o che si diramano (fiber branching) all'interno di uno stesso voxel. Queste configurazioni rappresentano un ostacolo alla tecnica della Trattografia.
L'incapacità della tecnica DTI di risolvere la complessità strutturale delle fibre in situazioni di eterogeneità IVOH è dovuta all'adozione del tensore di diffusione come modello di diffusione. Il tensore di diffusione, infatti, modella implicitamente la diffusione all'interno di ciascun voxel con una funzione di diffusione rappresentata da una funzione gaussiana (normale) tridimensionale. D'altra parte, la complessa struttura di fasci di fibre in una situazione di eterogeneità IVOH richiederebbe una funzione di diffusione con diverse direzioni di massimo, corrispondenti alle direzioni di elongazione delle fibre. Poichè la funzione normale tridimensionale presenta una singola direzione di massimo, il modello gaussiano risulta inadeguato alla descrizione di situazioni di eterogeneità IVOH. Il modello tensoriale adottato dalla tecnica DTI, pertanto, rappresenta un modello macroscopico semplificato non in grado di rappresentare strutture microscopiche più complesse interne allo stesso voxel.
Al fine di superare i limiti imposti dal modello tensoriale per la ricostruzione della funzione di diffusione (Orientation Distribution Function, ODF) in presenza di configurazioni IVOH, sono state proposte nuove tecniche di ricostruzione che determinano la funzione di diffusione in maniera diretta, senza fare ricorso ad un modello per il processo di diffusione.
Queste tecniche di ricostruzione non tensoriale, note anche come tecniche HARDI (High Angular Resolution Diffusion Imaging), determinano la ODF tramite particolari tecniche di elaborazione del segnale di diffusione acquisito. Nelle regioni interessate da eterogeneità IVOH, le funzioni di diffusione ricostruite tramite tecniche HARDI mostrano diversi massimi locali in corrispondenza delle direzioni di elongazione dei principali fasci di fibre coinvolti. Ciò permette di applicare la tecnica della trattografia anche in situazioni di complessi fasci di fibre all'interno dello stesso voxel.
Tra le tecniche HARDI la tecnica del Q-Ball Imaging (QBI o Q-Ball) effettua la ricostruzione della ODF tramite una particolare elaborazione del segnale di diffusione chiamata trasformata di Funk Radon. La tecnica Q-Ball rappresenta un metodo di ricostruzione innovativo che permette di semplificare il processo di acquisizione del segnale e di ridurre notevolmente i tempi di acquisizione.
L'obiettivo del presente lavoro di tesi consiste nella valutazione delle diverse tecniche di ricostruzione delle ODF in corrispondenza di configurazioni di fiber crossing. Al fine di effettuare tale analisi è stato realizzato un modello sperimentale con zone di eterogeneità intra-voxel, denominato PIVOH (Phantom with Intra-Voxel Orientation Heterogeneity) sul quale effettuare le misure di diffusione.
Il lavoro di tesi è stato svolto, pertanto, in due fasi distinte: una prima fase durante la quale è stato realizzato il modello sperimentale PIVOH, e una seconda fase per le acquisizioni e le elaborazioni del segnale di diffusione.
La fase di acquisizione ed elaborazione dati si è articolata in più parti.
L'obiettivo di una prima analisi è stato l'ottimizzazione dei parametri di acquisizione per misure di diffusione. La tecnica di pesatura in diffusione delle immagini (Diffusion Weighting Imaging, DWI) prevede l'utilizzo di gradienti di campo magnetico. Le caratteristiche temporali dell'applicazione di tali gradienti determinano il valore di un parametro noto come sensibilità in diffusione, o b-value. Al fine di determinare il valore di b-value ottimale per la tecnica di pesatura in diffusione sono state condotte due analisi sul PIVOH: una prima analisi è stata effettuata al fine di determinare la bontà del processo di pesatura in diffusione, tramite l'individuazione e la successiva valutazione di particolari indici geometrici legati alla determinazione del tensore di diffusione; una seconda analisi è stata finalizzata alla valutazione della qualità delle immagini, tramite la stima del loro rapporto segnale-rumore (Signal to Noise Ratio, SNR). L'analisi congiunta dei due aspetti esaminati ha portato all'individuazione di un range ottimale di valori per il parametro di acquisizione b-value.
Nella seconda parte delle elaborazioni è stata effettuata un'analisi tensoriale delle acquisizioni del segnale di diffusione, al fine di valutare le prestazioni e le caratteristiche delle differenti strutture di fiber crossing realizzate. A tal fine sono state prodotte le mappe dei principali indici di anisotropia e invarianti rotazionali, definiti a partire dalle caratteristiche di invarianza del tensore di diffusione e comunemente usati in letteratura. Inoltre, è stata realizzata una rappresentazione delle caratteristiche del processo di diffusione tramite la visualizzazione di ellissoidi di diffusione, con particolare attenzione alle zone di fiber crossing.
Una successiva analisi ha visto la valutazione della tecnica di ricostruzione non tensoriale delle funzioni di diffusione. A tal fine è stata realizzata, a partire dalle elaborazioni QBI, una rappresentazione tridimensionale delle ODF corrispondenti a diverse zone delle strutture interne al PIVOH, con particolare attenzione alle zone di fiber crossing.
Infine, è stata effettuata un'analisi comparata delle prestazioni delle tecniche di ricostruzione tramite la valutazione della trattografia eseguita sui fasci di fibre interni al PIVOH. La valutazione delle prestazioni in corrispondenza delle zone di fiber crossing ha permesso di mostrare la maggiore affidabilità della tecnica QBI in situazioni di eterogeneità IVOH, rispetto alla tecnica di ricostruzione tensoriale.
Le acquisizioni per il presente lavoro di tesi sono state effettuate presso l'Istituto di Ricerca e Cura a Carattere Scientifico, IRCCS ""Stella Maris'' di Calambrone (Pisa) utilizzando un tomografo GE Signa Horizon da 1.5 Tesla
