Relazione di stato di avanzamento lavori, dicembre 2016
Titolo dello studio:
Studio multifattoriale della funzionalità diaframmatica nella distrofia muscolare di Duchenne
Responsabile: Dott.ssa MG D’Angelo, responsabile UO NeuromuscolareIRCCS E Medea- Bosisio Parini
Finanziamento: Associazione Gli Amici di Emanuele - Fondo DMD - ONLUS
Background: La distrofia muscolare di Duchenne colpisce sia la muscolatura scheletrica che quella
cardiaca. Con la progressione della malattia, la perdita della deambulazione e lo sviluppo della
scoliosi siassociano a deterioramento della muscolatura respiratoria. I trattamenti quali la
ventilazione meccanica non invasiva (NIMV) e le macchine di assistenza della tosse consentono un
prolungamento delle aspettative di vita. La decisione di inizio di questi trattamenti si basa spesso su
dati ottenuti da manovre che sono invasive o che richiedono la collaborazione del paziente. La
Pletismografia Optoelettronica (OEP) fornisce in maniera non invasiva misure dei volumi della
gabbia toracica durante il respiro spontaneo ed in corso di manovre o trattamenti ventilatori invasivi
e non invasivi, senza la collaborazione del paziente. Nei pazienti DMD, la riduzione del contributo
diaframmatico al volume corrente è un buon marcatore della progressione della malattia (LoMauro
2010, Romei 2012)
Obiettivo principale: Lo studio prevede un’analisi innovativa della muscolatura respiratoria
(diaframma e muscoli inspiratori della gabbia toracica) e della ventilazione regionale polmonare
nella DMD mediante tecniche di imaging quantitativo di risonanza magnetica nucleare
multivolumetrico. Lo scopo principale è quello di delineare, in un gruppo di pazienti affetti da
distrofia muscolare di Duchenne (DMD), una sorta di storia naturale del diaframma e degli altri
muscoli respiratori, correlando le alterazioni morfologiche e funzionali a fattori quali l’età dei
pazienti, la condizione clinica (deambulazione/non deambulazione), le terapie in atto (quali da
esempio il cortisone, la ventiloterapia non invasiva o l’impiego della macchina della tosse), la
presenza di scoliosi ed eventualmente dell’artrodesi vertebrale.
Obiettivo secondario: A partire dai dati ottenuti si potrà definire una batteria di test noninvasivi
che
possano contribuire alla definizione di misure di outcome per la valutazione di efficacia di eventuali
future terapie sperimentali farmacologiche e/o genetiche.
Stati di avanzamento lavori:
-
Presentazione del progetto al Comitato Etico nel marzo 2016
-
Ricevimento da parte del Comitato Etico dell’approvazione nel maggio 2016
-
Giugno 2016: Effettuata una riunione di inizio lavori coinvolgente: Drsa D’Angelo (UO
Neuromuscolare IRCCS E Medea), DR Arrigoni (Neuroradiologia IRCCS E Medea ) , Prof
A Aliverti , Ing F Pennati ed Ing A Lomauro (Politecnico di Milano) nella quale sono stati:
-
Valutati il database della popolazione di soggetti distrofici (DMD) afferenti ad UO
neuromuscolare
-
rivalutati i protocolli di analisi disponibili
-
definiti i compiti di ogni membro dello studio e la logistica delle acquisizioni
Ad ora , dicembre 2016:
In ambito clinico sono stati identificati i soggetti rispondenti ai criteri di inclusione nello studio.
-diagnosi definita di DMD in base ai criteri internazionali:deficit muscolare progressivo, aumento
degli enzimi muscolari, biopsia muscolare (degenerazione delle fibre muscolari e assenza della
proteina distrofina), mutazioni nel gene della distrofina
- firma del consenso informato previa discussione delle modalità di valutazione e di acquiszione
dei dati
Ogni paziente ha effettuato l’indagine nel corso dei periodici monitoraggi clinici come indicato
dalle linee guida intrenazionali (Bushby 2009)
Ogni paziente viene sottoposto a:
Valutazione della funzionalità motoria /neuromuscolare: misurazione della forza muscolare tramite
scala
MRC (su tutti i pazienti); valutazione funzionale motoria tramite scale standardizzate internazionali:
- Motor Function Measure Scale e Performance of Upper Limb scale (su tutti i pazienti inclusi nello
studio), NorthStar Ambulatory Assessment scale e 6 Minute Walk Test (solo sui pazienti
deambulanti)
- Valutazione dellascoliosi con misurazione dell’angolo di Cobb - Valutazione di funzionalità
respiratoria come da linee guida(spirometria, volumi polmonari, MIP, MEP, PCF; saturazione
notturna d’ossigeno) - Valutazione della funzionalità cardiaca: ECG, ECG 24 ore,
ecocardiogramma
Tutti i dati raccolti sono stati inseriti in un database (con accesso limitato ad utenti definiti, nel
rispetto delle norme della Privacy)
Questa parte del Lavoro è stata svolta da DRsa D’Angelo, Drsa Russo e Drsa Gandossini (UO
Neuromuscolare)
A queste valutazioni è stata aggiunta anche
- la Pletismografia optoelettronica tramite la quali, come noto, vengono valutate le variazioni del
volume toraco-addominale e asincronie durante il respiro spontaneo, manovra di Capacità Vitale
lenta e tosse .(dati raccolti da Ing A Cesareo ed analizzati da INg A LoMauro)
Per quello che riguarda lo studio di Imaging:
Tenendo fermo l’obiettivo primario del presente studio : determinare se la risonanza magnetica
nucleare (RMN) può essere utilizzata come strumento innovativo per studiare le alterazioni
morfologiche della muscolatura respiratoria in pazienti affetti da distrofia muscolare di Duchenne
(DMD), la prima parte dello studio ha avuto un connotato estremamente tecnico.
Nella prima parte del progetto si sono sviluppate le sequenze di acquisizione e le metodologie di
image-processing necessarie per l'estrazione di parametri descrittivi del movimento del diaframma e
della gabbia toracica.
Scelta delle sequenze di acquisizione di risonanza magnetica nucleare (RMN)
Sono state acquisite due scansioni RMN del torace a fine-inspirazione e fine-espirazione durante un'
apnea di circa 10-12 secondi, con 3 diverse sequenze di acquisizione:
- acquisizione Dixon assiale (TR/TE= 2.9/2.3 ms, flip angle 10°,slice thickness 4.4 mm, in-plane
resolution 1.09x1.09 mmxmm)
- acquisizione Dixon coronale (TR/TE= 2.9/2.3 ms, flip angle 10°,slice thickness 4.4 mm, in-plane
resolution 1.09x1.09 mmxmm)
- acquisizione assiale 3D spoiled gradient recalled (TR/TE=2.2/1.02, , flip angle 10°, slice thickness
4.4 mm, in-plane resolution 1.2x1.2 mmxmm)
Le acquisizioni Dixon in particolare ci consentono un dettaglio sulla morfologia e lo spessore del
diaframma. L'acquisizione spoiled gradient recalled è stata acquisita per evidenziare le variazione di
densità del parenchima polmonare tra fine-inspirazione e fine-espirazione, come indice di
ventilazione.
FULL-EXPIRATION
Figura 1. Esempi di
acquisizione Dixon a fine
espirazione e fine inspirazione.
L a vista assiale, coronale e
sagittale sono mostrate
FULL-INSPIRATION
rispettivamente da sinistra a
destra.
Segmentazione automatica in 3D dei polmoni
E' stato sviluppato un software ad-hoc per la segmentazione automatica dei polmoni dalle immagini
RMN acquisite a fine-inspirazione e fine-espirazione. In Figura 2 viene mostrato schematicamente
il funzionamento dell'algoritmo. Le fasi dell'algoritmo comprendono: 1) applicazione di una soglia
iterativa per la separazione del tessuto polmonare dai tessuti circostanti e dall'aria intorno al
paziente; 2) riconoscimento automatico della trachea; 3) ricostruzione delle vie aeree; 4) sottrazione
delle vie aeree dall'immagine binaria risultante dalla prima segmentazione e separazione del
polmone destro e sinistro (metodo basato su wavelet). L'ultima immagine in figura 1 mostra il
risultato della segmentazione: il polmone sinistro viene mostrato in blu sovrapposto all'immagine
originaria e visualizzato sulla vista assiale, sagittale e coronale.
Immagini originarie
Sogliatura itarativa
Figura 1.
Estrazione Trachea
Descrizione
delle diverse
fasi di cui è
composto
l'algoritmo di
Risultato finale
Separazione del polmone
destro/sinistro
Parametri morfologici calcolati sulle immagini segmentate
Ricostruzione delle vie
aeree
segmentazione
sviluppato.
Sulle immagini segmentate si sono individuati come parametri di interesse le variazioni delle
dimensioni del polmone tra inspirazione ed espirazione:
-Variazione del volume polmonare destro/sinistro;
- Escursione apico-caudale del diaframma, rappresentativo dello spostamento verticale del
diaframma (esempio in Figura 3);
- Escursione ventro-dorsale, rappresentativo dei movimenti della gabbia toracica dovuti ai muscoli
toracici
FULL-INSP
FULL-EXP
Figura 3. Esempio di parametri morfologici : escursione apicocaudale del diaframma, rappresentativo della mobilità
diaframmatica.
Calcolo dello spessore del diaframma
Figura 4 Calcolo dello spessore del
diaframma.
Nelle immagini coronali è visibile lo spessore del diaframma in posizione crurale sia a destra che a
sinistra. L'algoritmo sviluppato per il calcolo dello spessore diaframmatico consiste
nell'applicazione di una soglia iterativa alle basi del polmone, seguito da un filtraggio laplaciano
dell'immagine per esaltare i contorni dell'immagine e per calcolare automaticamente lo spessore
medio del diaframma visibile nelle immagini RMN.
Acquisizioni ad oggi.
Ad oggi sono stati acquisiti 11 pazienti DMD. Analisi preliminari sono state effettuate su 4 pazienti
per valutare il funzionamento del software e iniziare ad analizzare con la metodologia proposta la
patologia. La Figura 5 mostra ad esempio i risultati ottenuti sul movimento verticale del diaframma
sia per il polmone destro che sinistro.
LEFT
1800
1600
Volume
(ml)
Volume (mm)
Volume
Volume(mm)
(ml)
Volume
1600
1400
1200
1000
600
INSP
240
240
220
220
200
200
Patient #1
Patient #2
Patient #3
Patient #4
160
140
120
120
polmone destro e sinistro.
INSP
180
140
100
100
EXP
INSP
240
240
220
220
200
200
V-D (mm)
V-D (mm)
dorsale in4 pazienti per il
EXP
A-C (mm)
A-C (mm)
AC-excursion
1000
800
160
apico-caudale e ventro-
1200
600
180
volume e delle escursioni
1400
800
EXP
VD-excursion
Figura 5. Misura del
RIGHT
1800
180
160
140
EXP
INSP
EXP
INSP
180
160
140
120
120
EXP
INSP
Problematiche incontrate durante lo studio.
Si sono incontrate delle difficoltà nello sviluppo di mappe di ventilazione regionale del polmone. Le
acquisizioni 3D spoiled gradient recalled, che in altri studi sono state utilizzate per la valutazione
della ventilazione regionale del polmone, si sono rivelate qui inefficaci per evidenziare le variazioni
di densità protonica del parenchima polmonare (probabilmente per l'utilizzo di una risonanza
magnetica 3T, invece di 1.5T utilizzata nei precedenti studi, che accelera il decadimento del segnale
polmonare).
(acquisizioni effettuate da Dr F Arrigoni con Ing F Pennati- Analisi dei dati e delle problematiche,
proposte su modalità di prosecuzione dello studio , Ing F Pennati e Prof A Aliverti)
Prosecuzione dello studio
Per ottenere mappe di ventilazione polmonare si prevede una sessione di acquisizione su soggetti
volontari di pari sesso ed età rispetto alla popolazione di ragazzi con distrofia muscolare di
DUchenne acquisiti e che ancora devono essere acquisiti, per l'ottimizzazione delle sequenza
(diminuire ulteriormente il TE) eventualmente facendo acquisizioni su una sola porzione del
polmone.
Si prevede un ulteriore sviluppo del software per la ricostruzione 3D di tutto il diaframma per
garantire allo studio un maggior dettaglio morfologico.
Come dichiarato all’inizio dello studio, affinchè i dati ottenuti siano significativi, saranno acquisiti
almeno 24 soggetti affetti da distrofia muscolare di Duchenne (N=8 con età compresa tra 6 e 13
anni, N=8 con età compresa tra 14 e 18 anni, N=8 con età maggiore di 18 anni) che rispondono ai
criteri di inclusione dello studio riportati di seguito. In relazione alla non disponibilità di dati sulla
popolazione sana di pari sesso ed età circa la risonanza magnetica della muscolatura respiratoria,
mentre dati sono presenti per quello che riguarda le Pletismografia Optoelettronica e l'ecografia
del diaframma , ci prefiggiamo di eseguire le valutazioni anche su almeno 12 soggetti maschi di età
comparabili a quelle dei soggetti distrofici reclutati
Dott.ssa MG D’Angelo , Dott. F Arrigoni
Prof A Aliverti, Ing F Pennati, Ing A LoMauro
