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CeRMiV. Alma Mater Studiorum - University of Bologna Centro di ricerca e diagnostica molecolare in vivo www.cermiv.unibo.it. Absolute quantification of human brain metabolites using QUEST. E. Malucelli 1 , D.N. Manners 1 , C. Testa 1 , C. Tonon 1 , R. Lodi 1 , B. Barbiroli 1 , S. Iotti 1

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Presentation Transcript

  1. CeRMiV Alma Mater Studiorum - University of Bologna Centro di ricerca e diagnostica molecolare in vivo www.cermiv.unibo.it Absolutequantificationofhumanbrainmetabolitesusing QUEST E. Malucelli1, D.N. Manners1, C. Testa1, C. Tonon1, R. Lodi1, B. Barbiroli1, S. Iotti1 1Dipartimento di Medicina Interna dell’Invecchiamento e delle Malattie Nefrologiche, University of Bologna, Bologna, Italy,

  2. Magnetic Resonance Imaging (MRI) • MRI Struttutale • Diffusion Tensor Imaging (DTI) • Trattografia • Functional MRI (fMRI)

  3. Introduzione • Perchè usare la MRI? • Che cos’è la MRI? • Come si ricostruisce un’immagine? • Cosa rende un’imamgine interessante?

  4. Introduzione • Perchè usare la MRI? • Che cos’è la MRI? • Come si ricostruisce un’immagine? • Cosa rende un’imamgine interessante?

  5. Perchèusare la MRI? What is MRI used for? • Il segnale MRI deriva per la maggiro parte daiprotonidell’acqua • Il corpoumanoè largamente formato da acqua, specialmente i tessuti molli • Il cervelloumanoè composto per il 78% diacqua

  6. Perchèusare la MRI? • Non invasiva • Nessuna radiazione ionizzante • Rilevamento di tessuti molli • Alto contrasto e applicabilità • Alta risoluzione spaziale CT MRI

  7. MRI: Applicazionicliniche • A scopi clinici la MRI si utilizza per: • Rilevare tumori e altre anormalità • Rilevare regioni con ictus • Rilevare emorragie celebrali • Pianificare e guidare interventi E molto più……

  8. MRI: Apllicazioni scientifiche MRI è utilizzata sia per scopi clinici sia per ricerca • Studi funzionali cerebrali (functional MRI) • Studi strutturali e morfologici cerebrali

  9. MRI: daiprotoniall’imamgine • Perchèusare la MRI? • Checos’è la MRI? Magnetic: origine del segnale Resonance: eccitazione - rilevamento Imaging: convertireilsegnale in immagine • Come siricostruisce un’immagine? • Cosarendeun’imamgineinteressante?

  10. MRI: daiprotoniall’imamgine • Perchèusare la MRI? • Checos’è la MRI? Magnetic: origine del segnale Resonance: eccitazione - rilevamento Imaging: convertireilsegnale in immagine • Come siricostruisceun’immagine? • Cosarendeun’imamgineinteressante?

  11. MRI: daiprotoniall’imamgine • Perchèusare la MRI? • Checos’è la MRI? Magnetic: origine del segnale Resonance: eccitazione - rilevamento Imaging: convertireilsegnale in immagine • Come siricostruisce un’immagine? • Cosarendeun’imamgineinteressante?Il contrasto

  12. z gradient coil r.f. transmit/receive x gradient coil super conducting magnet subject gradient coils

  13. MRI: daiprotoniall’imamgine Orientazione casuale Magnete a superconduzione • Gli spin sonopolarizzatidal campo magneticocostante, B0 • Magnetizzazione – M||B0 B0 M Boss fMRI

  14. Coordinate del sistema M z y x B0 La direzione del campo magneticoprincipale (B0) determina le coordinate del sistema Asselongitudinale:parallelo a B0 (asse z) Piano trasversale:perpendicolara a B0 (piano x,y) Dopo lo stimoligliatomitendono a ritornareallaposizionediequilibriodi M parallelo a B0

  15. Solo la magnetizzazione trasversale riesce ha essere rilevata e a dare segnale Pulse-sequence diagram 90° RF Boss fMRI

  16. Tempi dirilassamento: T1 e T2 Mxy e-t/T2 Decadimento del segnale nel piano trasversale in accordo con il T2 T1>T2 1-e-t/T1 Recuperodellamagnetizzazione lungol`asselongitudinale in accordo con il T1 Mz time Impulso RF

  17. Tempo di eco (TE) e contrasto T2 Dopol`eccitazione, ilsignale decade exponenzialmente in accordo con il T2. Ampiezza del segnale Tessuto1 (T2lungo) Tessuto 2 (T2 corto) TE

  18. Basso contrasto Alto signale TE corto Echo Time (TE) e contrasto T2 Segnale TE

  19. Echo Time (TE) e contrasto T2 Segnale Basso signal Medio contrast TE lungo TE

  20. Echo Time (TE) e contrasto T2 Signal Alto contrasto Signale medio Medio TE TE

  21. Repetition Time (TR) e contrasto T1 Contrast Mz (% of max) La magnetizzazionesiriallinea con il campo principale in un tempo T1 Il T1 è diverso per ognitessuto Ma... non si ha signalelungoMz (solo sul piano Mxy) Tempo dall`impulso RF (ms)

  22. Long TR Short TR T1 PD Short TE Long TE T2

  23. Ogni immagine possiede una rappresetazione nel corrispondente K spazio Spaziodelelfrequenze K Spazio Spazioimmagine FT

  24. K spazioacquisito Trasformata di Fourier

  25. T1-Weighted Images Le sequenze per acquisire immagine pesate in T1 sono create e ottimizzate per creare immagini con contrasto tra sostanza grigia, bianca e liquor Tre fette assiali: Risoluzione spaziale di 1 mm3 Tempo d`acquisizione per l`intero cervello 10 minuti

  26. Zoom In • La sostanza grigia è ben definita • Si può misurare lo spessore della corteccia e provare a correlare il dato con l`età e/o malattia o altri parametri • Puntini e linee bianche: artefatti da flusso arterioso • E` possibile acquisire a una maggiore risoluzione spaziele • Con un lo svantaggio di aumentare il tempo di acquisizione

  27. Tre fette di uno stesso volume • Una singola acquisizione genera immagini rumorose • L`immagine precedentemente mostrata era la media di 4 acquisizioni (per aumentare SNR) • La MRI può essere 2D o 3D

  28. Un`immagine di cattiva qualità • Il soggetto ha mosso la testa durante l`acquisizione • Artefatti di Ghosting and ringing • Potrebbe essere utile solo per alcuni scopi clinici, ma non a scopi quantitativi di ricerca

  29. Variazioni strutturali Le regioni celebrali mostrano diversi patterns di variazione volumetrica durante il corso della vita Questi effetti sono da attribuire principalmente alla diminuzione di densit’ sinaptica e poi alla morte cellulare

  30. Diffusionedell`acqua La diffusione è un movimento casuale (moto Browniano) dovuta all`energia termica La diffusione è strettamente legata all`ambiente in cui si trovano le molecole d`acqua Einstein 1905, 5 articoli sul moto Brownian

  31. Diffusionedell`acqua • Nei tessuti la diffusività dell`acqua è condizionata dalla composizione dall`ambiente cellulare • Se le membrane delle cellule sono disposte con direzionalità coerente la diffusione sarà anisotropica

  32. MRI: Diffusionedell`acqua Fibre sostanza bianca Isotropia Anisotropia

  33. MRI: Diffusionedell`acqua Acqua Elissoide di diffusione Fibre sostanza bianca • L`anisotropia può essere utilizzata per seguire i fasci di sostanza bianca

  34. Autovalore maggiore • Autovettore maggiore: Tensoredidiffusione

  35. FA MD Biomarkers micro-strutturali Mean diffusivity (MD=media{λi=1,3}) ≈ magnitudine diffusione Fractional anisotropy (FA=var{λi=1,3}/magn{D}) ≈ direzionalità FA = 0 diffusione isotropica (CSF) FA = 1 diffusione ad alta anisotropia (sostanza bianca) • La sostanza bianca ha bassa MD ed alta FA • La sostanza bianca compromezza strutturalmente ha alta MD e bassa FA

  36. Mappe DTI FA colorata perla direzionalità delle fibre: x=Rosso y=Verde z=Blue Imamgine non pesata in diffusione Fractional Anisotropy

  37. Mappa a colorideiprincipalifasci FA: Fractional Anisotropy; <D>: Mean Diffusivity

  38. Mappa a colori Field of Diffusion Tensor Ellipsoids Zoom sul corpo calloso che presenta un andamento delle fibre lungo l`asse X

  39. Fiber tracking

  40. Trattografia

  41. Trattografia: CorpoCalloso

  42. Trattografia: FascioCorticospinale

  43. Diffusionenell`Ictus • La MD diminuisce nel tessuto cerebrale colpito da ictus dopo pochi minuti dal blocco del vaso sanguigno • Il rigonfiamento che inizialmente subiscono le cellule causa una riduzione di spazio extra-cellulare, il quale possiede un alta MD rispetto all`ambiente intra-cellulare • I danni causati dall`ictus non sono visibili dalla convenzionali immagini pesate in T1 o in T2 prima di 2-3 giorni dal blocco del vaso • Le immagini di diffusione oggi sono comunemente utilizzate per valutare le regioni che hanno subito danni da ictus

  44. Diffusionenell`Ictus Acquisizione dopo 4 ore dall`esordio

  45. Functional MRI (fMRI) FMRI è una tecnica utilizzata per misurare la variazione di ossigeno durante l`attività neuronale Riposo Attività L`incremento dell`attività neuronale comporta un aumento del segnale MR

  46. Paradigma riposo task 0 20 40 s ……. 8 blocchi di ripetizioni del task per 20 s In ogni blocco vengono acquisite 10 immagini

  47. SegnalefMRI Andamento del segnale temporale al massimo dell’attivazione durante il task (in rosso il regressore).

  48. SegnalefMRI Fittinf del segnale temporale al massimo dell’attivazione durante il task (blu) e il segnale (rosso) .

  49. fMRI finger tapping

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