Tecniche di Imaging a RisonanzaMagnetica basate sulla diffusionemolecolare (DWI, DTI) nelladiagnostica clinicaNicola Maria Atum Salandini, 18 Marzo 2011

Relatrice: Correlatrice:Prof.ssa Dott.ssaPaola Fantazzini Paola Berardi

La Diffusione MolecolareLa diffusione consiste nel moto transazionale di molecole soggettea moto browniano, a causa della presenza di gradienti di concentrazione1° legge di

Fick

Legge di continuità 2° legge di Fick

Autodiffusione:

Propagatore di diffusione

Equazione di Fokker Plank

Applicazioni in MRI: l’Esperimento PFGSE

Shift di fase:

Intensità di eco:

Approssimazione GPD:

Il termine di diffusione dipende sia da D che dai parametri dei gradienti scelti

b =

Diffusion Weighted Imaging (DWI)

e Mappe ADC

Immagine DWI

Mappe ADC

L’intensità dipende dal valore di b

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: hardwareGE RM 1,5 T HDX-t SIGNA ADV Plus.

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).

Magnete superconduttivo K4 a 1,5 T General Electric

bobina corpo multicanale HNS, array coil HD 16 channel con 29 elementi

• ottimizza i tempi d’acquisizione• diminuisce gli artefatti• è applicabile a tutte le sequenze esistenti

Imaging Parallelo

Sequenze utilizzateSPIN 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 eccitanosolamente 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 effettuatiPer ogni paziente sono state ottenute

mediante post processing delle immagini originali 4 tipi di immagini:

Anatomica in T2

Esami effettuati

Matching mappa ADC con anatomica

ROI(2 -4 cm2)

Per ogni paziente sono state ottenute mediante post processing delle immagini originali 4 tipi di

immagini:

Esami effettuatiPer ogni paziente sono state ottenute mediante post processing delle immagini originali 4 tipi di

immagini:

Matching mappa FA con anatomica

ROI(2 -4 cm2)

Esami effettuatiPer 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 creatininaDonna 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 fareinferenza sulla differenza tra le medie di due campioni indipendenti.• distribuzioni normali• unilaterale o a una coda• bilaterale o a due a code

varianza associata deidue 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 ANOVAGeneralizzazione del t-test nel caso si abbiano più di due classi a confronto

Test di Fisher (f-test)

varianza tra le classi

varianza intra lasse

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)

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 OttenutiTest di student

2 gruppi secondo valori creatininaTest

ANOVA4 gruppi secondo la classificazione

del VFG

VALORI MEDI:

Test di student

MINIMI:

ADC corticale medio NORM. PATOL.

Media 2.62 2.48

Varianza 0.09 0.17

P(T<=t) una coda 0.059P(T<=t) due code 0.119

NB: i valori di ADC sono (x E-09)

FA midollare medio NORM. PATOL.

Media 0.37 0.32

Varianza 0.01 0.02

P(T<=t) una coda 0.050P(T<=t) due code 0.101

ADC corticale NORM. PATOL.

Media 2.43 2.27

Varianza 0.04 0.21

ADC corticale NORM. PATOL.Media 2.80 2.69

Varianza 0.34 0.20

FA midollare NORM. PATOL.Media 0.41 0.38

Varianza 0.01 0.03

MASSIMI:

P(T<=t) una coda 0.042P(T<=t) due code 0.085

FA midollare NORM. PATOL.

Media 0.33 0.26

Varianza 0.01 0.02

P(T<=t) una coda 0.012P(T<=t) due code 0.024

Risultati OttenutiTest di student

2 gruppi secondo valori creatininaTest

ANOVA4 gruppi secondo la classificazione

del VFG

VALORI MEDI:

Test ANOVA

MINIMI:

NB: i valori di ADC sono (x E-09)

ADC corticale medio Media Varianza1° stadio CKD 2.55 0.032° stadio CKD 2.62 0.043° stadio CKD 2.60 0.25

4° e 5° stadio CKD 2.37 0.17

Valore di significatività0.268

FA midollare medio Media Varianza1° stadio CKD 0.39 0.002° stadio CKD 0.32 0.013° stadio CKD 0.36 0.02

4° e 5° stadio CKD 0.29 0.02

Valore di significatività0.11

ADC corticale Media Varianza1° stadio CKD 2.42 0.032° stadio CKD 2.47 0.053° stadio CKD 2.34 0.20

4° e 5° stadio CKD 2.11 0.22

Valore di significatività0.074

FA midollare Media Varianza1° stadio CKD 0.36 0.002° stadio CKD 0.27 0.013° stadio CKD 0.30 0.03

4° e 5° stadio CKD 0.22 0.01

Valore di significatività0.017

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 molecolarerispetto 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