Vittoria Colli Fisica Sanitaria - Ospedale di Circolo di Varese e Fondazione Macchi

1. fMRI: framework di interpretazione e analisi quantitativa di mappe statistiche di attivazione cerebrale Vittoria Colli Fisica Sanitaria - Ospedale di Circolo di Varese e Fondazione Macchi Valentina Pedoia Dipartimento di Informatica e Comunicazione - Università degli Studi dell’Insubria, sede di Varese

2. Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI): studio dell’anatomia funzionale del cervello umano Scopo: localizzare volumi cerebrali di particolare importanza funzionale (aree motorie, visive, del linguaggio etc.) situate in prossimità di volumi che devono essere rimossi chirurgicamente o trattati con radioterapia (o che potrebbero trovarsi all’interno dei campi di irradiazione) al fine di risparmiare il più possibile tali volumi e quindi salvaguardare funzionalità cerebrali di particolare rilevanza

3. Studio fMRI Definizione del paradigma Esecuzione dell’esame RM e acquisizione delle immagini Analisi statistica delle immagini

4. Definizione del paradigma Scelta e applicazione di uno stimolo o l’assegnazione di un compito che stimoli una o più specifiche funzioni cerebrali Esempio: stimolazione visiva L’analisi è basata sulla differenza del segnale BOLD nelle fasi di OFF e di ON

5. Esecuzione dell’esame RM e acquisizione delle immagini • Apparecchiatura RM: Philips Achieva 1.5 T • Protocolli di acquisizione: EPI BOLD standard implementati sull’apparecchiatura • Task funzionali linguaggio: denominazione oggetti linguaggio: fluenza fonemica linguaggio: generazione verbi motorio: finger tapping • Immagine di riferimento anatomica del paziente : acquisizione volumetrica ad elevata risoluzione spaziale Totale: 15 soggetti (pazienti e volontari sani)

6. Analisi statistica t-test Approccio Philips (iViewBold) Le Statistical Parametrical Maps (SPMs) sono calcolate applicando il t-test all’andamento nel tempo dell’intensità del segnale per ogni singolo voxel valore massimo = risultato dell’analisi valore minimo = 3

7. Analisi statistica Modello Generale Lineare Approccio FSL Le Statistical Parametrical Maps (SPMs) sono calcolate applicando il Modello Generale Lineare all’andamento nel tempo dell’intensità del segnale per ogni singolo voxel 9.6 valore massimo = risultato dell’analisi valore minimo = risultato dell’analisi 5.0

8. Framework di valutazione dei software: preprocessing • Il confronto • fra i risultati di analisi effettuate con SW diversi • fra il risultato dell’analisi e un atlante funzionale di riferimento è possibile solo se i volumi sono standardizzati in uno spazio comune • Si rendono necessari algoritmi • segmentazione • registrazione • Elaborazione con FSL • Segmentazione: FSL BET implementato nel SW • Registrazione con Juelich Atlas: implementata nel SW

9. Framework di valutazione dei software: preprocessing • Elaborazione con iViewBold • Segmentazione: algoritmo sviluppato ad hoc. Algoritmo iterativo ad espansione di superficie. La superficie iniziale è determinata mediante segmentazione a soglia ed è inscritta nella superficie da segmentare. Ad ogni iterazione, la superficie si espande nella direzione normale alla superficie stessa, e l’entità dell’espansione è controllata dal gradiente dei livelli di grigio. Nelle regioni più complesse, l’algoritmo incrementa il numero di direzioni di espansione. • Registrazione con Juelich Atlas: algoritmo sviluppato ad hoc. Viene identificata la trasformazione non-rigida che massimizza la mutua informazione fra i volumi che devono essere registrati.

10. SW 1 SW 2 intersezione Framework di valutazione dei software: confronto diretto fra elaborazioni Information Overlap fra SPMs al variare della soglia minima

11. SW 1 SW 2 intersezione Framework di valutazione dei software: confronto diretto fra elaborazioni Information Overlap fra SPMs al variare della soglia minima

12. Framework di valutazione dei software: confronto singola elaborazione con atlante funzionale • Juelich Atlas implementato in FSL • suddivisione in 121 regioni • soglia 0 • voxel 2x2x2 mm3 Riferimento per definire ground truth golden standard per valutare sensibilità e specificità dei SW utilizzati

13. Framework di valutazione dei software: confronto singola elaborazione con atlante funzionale per ognuna delle 121 regioni dello Juelich Atlas Activation Weighted Index wi = valore normalizzato di ogni voxel della SPM NJ = numero di voxel della regione J SPM istogramma con barre relative regioni attive

14. Framework di valutazione dei software: confronto singola elaborazione con atlante funzionale Definizione del ground truth dei task funzionali con AWI Juelich Atlas istogramma con barre relative al task

15. Framework di valutazione dei software: confronto singola elaborazione con atlante funzionale Definizione di sensibilità e specificità True = AWI ground truth T+ = veri positivi F- = falsi negativi T- = veri negativi F+ = falsi positivi Capacità di individuare correttamente le regioni corrispondenti al task Capacità di individuare correttamente le regioni NON corrispondenti al task

16. Framework di valutazione dei software: confronto singola elaborazione con atlante funzionale

17. … work in progress… • Definizione del ground truth dei task funzionali: quali regioni cerebrali considerare? quale importanza assegnare alle regioni considerate? quali differenze fra soggetti sani e soggetti malati? quali differenze fra destrimani e mancini? come definirlo a partire dagli studi effettuati? • Anatomia del cervello: come viene modificata dalla presenza di lesioni? le lesioni “spostano” le regioni adiacenti? le lesioni “deformano” le regioni adiacenti? le lesioni si infiltrano nelle regioni adiacenti? quale il ruolo degli algoritmi di segmentazione? quale il ruolo delle immagini DTI?

18. … work in progress… • Attivazione delle regioni del visivo durante task del linguaggio Soluzione in fase di acquisizione: stimolazione visiva ininterrotta Soluzione in fase di elaborazione: sostituzione fase OFF con media segnale BOLD fasi ON

19. Grazie per l’attenzione!