Tecniche di Imaging a Risonanza
Magnetica basate sulla diffusione
molecolare (DWI, DTI) nella
diagnostica clinica
Nicola Maria Atum Salandini,
18 Marzo 2011
Relatrice:
Prof.ssa
Paola Fantazzini
Correlatrice:
Dott.ssa
Paola Berardi
La Diffusione Molecolare
La diffusione consiste nel moto transazionale di molecole soggette
a moto browniano, a causa della presenza di gradienti di concentrazione
1° legge di Fick
Legge di continuità
Autodiffusione:
Equazione di Fokker Plank
Propagatore di diffusione
2° legge di Fick
Applicazioni in MRI: l’Esperimento PFGSE
Shift di fase:
Intensità di eco:
Approssimazione GPD:
b =
Il termine di diffusione dipende
sia da D che dai parametri dei
gradienti scelti
Diffusion Weighted Imaging (DWI)
e Mappe ADC
Immagine DWI
L’intensità dipende dal valore di b
Mappe ADC
Diffusion Tensor Imaging (DTI) e FA
Nel caso di diffusione anisotropa la diffusione nelle tre dimensioni spaziali
è descritta da un tensore:
Diagonalizzando la matrice si ottengono i tre
autovalori principali, che indicano il valore di
ADC lungo le tre direzioni ortogonali dello
spazio.
Fractional Anisotropy
ADC medio
Sistema utilizzato: hardware
GE RM 1,5 T HDX-t SIGNA ADV Plus.
Magnete superconduttivo K4
a 1,5 T General Electric
Bobine di gradiente:
• intensità massima 33 mT/m (valore effettivo 57
mT/m),
• Slew Rate di 120 T/m/s (valore effettivo 207
T/m/s).
bobina corpo multicanale HNS, array
coil HD 16 channel con 29 elementi
Imaging Parallelo
• ottimizza i tempi d’acquisizione
• diminuisce gli artefatti
• è applicabile a tutte le sequenze esistenti
Sequenze utilizzate
SPIN ECHO EPI:
Per creare l'eco, EPI utilizza impulsi di
gradienti ad oscillazione multipla in un
periodo TR invece della radiofrequenza.
• contrasto simile all'immagine SE standard
con gli stessi TR e TE .
• generalmente usato per acquisire scansioni
con pesatura T2.
• alto rapporto segnale/rumore, bassa
sensibilita ad artefatti
GRADIENT ECHO:
sequenza di impulsi di gradienti a polarità inversa per
riportare l'equilibrio di fase nei protoni e creare echi.
• TR brevi e angoli di deflessione < 90 eccitano
solamente una parte della magnetizzazione longitudinale.
• bassi tempi d’acquisizione, produzione eco più rapida
della SE, inoltre le immagini sono pesate in T2*< T2
Obbiettivo della ricerca
l'ADC (e/o l'FA) può configurarsi come valido indicatore nella
caratterizzazione e nella quantizzazione delle alterazioni della
funzionalita renale ed essere assunto come valido indicatore
prognostico utile anche nel follow-up della terapia?
Ottobre 2009 / Gennaio 2011
sono stati dunque reclutati 62 pazienti:
•17 soggetti volontari con funzioni renali nella norma,
• 45 pazienti con differenti patologie renali
Dagli esami effettuati si sono ottenuti i valori di
ADC ed FA a partire da ROI ottenute su tre aree
d’interesse del rene:
Corticale, midollare e cortico/midollare
Esami effettuati
Per ogni paziente sono state ottenute mediante post
processing delle immagini originali 4 tipi di immagini:
Anatomica in T2
Esami effettuati
Per ogni paziente sono state ottenute mediante post
processing delle immagini originali 4 tipi di immagini:
ROI
(2 -4 cm2)
Matching mappa ADC con anatomica
Esami effettuati
Per ogni paziente sono state ottenute mediante post
processing delle immagini originali 4 tipi di immagini:
ROI
(2 -4 cm2)
Matching mappa FA con anatomica
Esami effettuati
Per ogni paziente sono state ottenute mediante post
processing delle immagini originali 4 tipi di immagini:
:
Trattografia reni sinistro e destro
Parametri clinici di confronto:
creatinina e VFG
Creatinina:
La creatinina e un prodotto di rifiuto presente nell'urina, che
viene sintetizzato dall'organismo durante il metabolismo della
creatina.
valori normali di creatinina
Donna
da 0,5 a 1,0 mg/dL
Uomo
da 0,7 a 1,2 mg/dL
VFG:
Il VFG e invece un indicatore della funzionalità renale che indica la
velocità di filtrazione glomerulare, espressa in millilitri al minuto.
5 stadi di patologia
secondo la
classificazione CKD
Analisi statistica: il test di Student
Strumento statistico che permette di fare
inferenza sulla differenza tra le medie di due
campioni indipendenti.
• distribuzioni normali
• unilaterale o a una coda
• bilaterale o a due a code
varianza associata dei
due gruppi a confronto
Rapporto critico:
Dal confronto di questo valore con la
distribuzione di Student si ottiene il
valore di significatività (p-value)
Se p <0.05
si può escludere l’ipotesi nulla
Analisi statistica: il test ANOVA
Generalizzazione del t-test nel caso
si abbiano più di due classi a confronto
In particolare ci occupiamo dell'ANOVA a una via, quando si ha
cioè una sola variabile indipendente (la categoria CKD),
ed una sola dipendente (l'ADC oppure l'FA)
Test di Fisher (f-test)
varianza tra le classi
varianza intra lasse
confronto il valore della statistica calcolata con la distribuzione della stessa
calcolando la probabilità che il valore riscontrato sia attribuibile alla casualita,
ovvero il p-value.
Nuovamente consideriamo differenze signifcative per un p inferiore al 5 %
Risultati Ottenuti
Test di student
2 gruppi secondo valori creatinina
Test ANOVA
4 gruppi secondo la classificazione del VFG
Test di student
NB: i valori di ADC sono (x E-09)
VALORI MEDI:
ADC corticale medio
NORM.
PATOL.
FA midollare medio
NORM.
PATOL.
Media
2.62
2.48
Media
0.37
0.32
Varianza
0.09
0.17
Varianza
0.01
0.02
P(T<=t) una coda
P(T<=t) due code
MASSIMI:
0.059
0.119
P(T<=t) una coda
P(T<=t) due code
ADC corticale NORM. PATOL.
Media
2.80
2.69
Varianza
0.34
0.20
0.050
0.101
FA midollare NORM.
Media
0.41
Varianza
0.01
PATOL.
0.38
0.03
MINIMI:
ADC corticale
NORM.
PATOL.
FA midollare
NORM.
PATOL.
Media
2.43
2.27
Media
0.33
0.26
Varianza
0.04
0.21
Varianza
0.01
0.02
P(T<=t) una coda
P(T<=t) due code
0.042
0.085
P(T<=t) una coda
P(T<=t) due code
0.012
0.024
Risultati Ottenuti
Test di student
2 gruppi secondo valori creatinina
Test ANOVA
4 gruppi secondo la classificazione del VFG
Test ANOVA
NB: i valori di ADC sono (x E-09)
VALORI MEDI:
ADC corticale medio
1° stadio CKD
2° stadio CKD
3° stadio CKD
4° e 5° stadio CKD
Media
2.55
2.62
2.60
2.37
Varianza
0.03
0.04
0.25
0.17
Valore di significatività
0.268
FA midollare medio
1° stadio CKD
2° stadio CKD
3° stadio CKD
4° e 5° stadio CKD
Media
0.39
0.32
0.36
0.29
Varianza
0.00
0.01
0.02
0.02
Valore di significatività
0.11
MINIMI:
ADC corticale
1° stadio CKD
2° stadio CKD
3° stadio CKD
4° e 5° stadio CKD
Media
2.42
2.47
2.34
2.11
Valore di significatività
0.074
Varianza
0.03
0.05
0.20
0.22
FA midollare
1° stadio CKD
2° stadio CKD
3° stadio CKD
4° e 5° stadio CKD
Media
0.36
0.27
0.30
0.22
Valore di significatività
0.017
Varianza
0.00
0.01
0.03
0.01
Conclusioni e Prospettive Future
• Nel confronto dei dati classicati attraverso il livello di creatinina e con il
valore di VFG, si hanno valori signicativi (riferiti al p-value) unicamente per
l'ADC corticale e per l'FA midollare sui valori minimi.
• la corticale renale e lo strato più esterno costituito per lo più da nefroni,
ed e deputata all'ultrafilltrazione, ossia a quel processo che porta alla
produzione dell'urina; ci si può aspettare una ridotta diffusione molecolare
rispetto alla norma nel caso di malfunzionamento del rene.
La midollare invece e costituita per lo piu da strutture tubulari, in cui quindi
la mobilita dei liquidi e maggiormente vincolata da ostacoli e pareti; in questo
caso l'FA, potrebbe risultare quindi il parametro più significativo per spiegare
anomalie in termini di differenze di valori tra sani e malati.
• questi risultati non sono sufficienti per arrivare ad utilizzare esclusivamente
l'imaging NMR pesato in diffusione per scopi diagnostici o predittivi
• In futuro si può raffinare tale ricerca attraverso l'aggiunta di altri campioni, il
confronto mediante altri tipi di strumenti di analisi dati utilizzati nella clinica
(ROC), il restringimento del confronto a patologie specifiche
