• magnetic resonance fingerprinting arterial spin la

Introduzione
Questo lavoro di tesi magistrale è dedicato allo sviluppo e alla validazione di una nuova tecnica di imaging a Risonanza Magnetica (MRI) volta alla misurazione quantitativa della perfusione cerebrale.
Il termine perfusione indica l'irrorazione sanguigna di un distretto corporeo. Il Cerebral Blood Flow CBF è il parametro con cui tradizionalmente si quantica la perfusione sanguigna cerebrale e si definisce come il volume di sangue che attraversa una data quantità di tessuto nell'unità di tempo; generalmente si esprime in ml/100g/min. Alterazioni nella perfusione cerebrale possono essere sintomo di numerose patologie o di particolari condizioni fisiologiche.
Il gold standard per la misurazione del CBF prevede la somministrazione endovenosa di traccianti radioattivi, mediante i quali si misura e localizza l'intensità del segnale prodotto dalla sostanza iniettata, individuando le zone maggiormente perfuse (tecnica PET).
L'Arterial Spin Labeling ASL, introdotta nei primi anni '90, è una tecnica non invasiva di MRI volta alla mappatura del CBF. A differenza delle metodologie precedenti, essa non prevede la somministrazione di farmaci di alcun genere, bensì sfrutta come tracciante endogeno i protoni dell'acqua nel sangue. Impiegando una opportuna sequenza di impulsi a radiofrequenza, questa metodologia è in grado di perturbare selettivamente gli spin dei protoni nel sangue in un volume antistante al piano
dell'immagine, così da discernere il segnale prodotto dal tessuto stazionario dal contributo del sangue che vi fluisce attraverso. La tecnica prevede la sottrazione di due acquisizioni, effettuate in particolari condizioni, con l'obiettivo di eliminare la componente tissutale ed evidenziare quella sanguigna. La mappa di CBF estrapolata, tuttavia, risulta particolarmente rumorosa, dunque l'individuazione dei vasi sanguigni e la misurazione del flusso al loro interno ne risultano compromessi.
L'obiettivo di questo lavoro di tesi è ottenere una mappa di perfusione confrontabile con quella di ASL, sperabilmente migliore, sfruttando una nuova tecnica basata su Magnetic Resonance Fingerprinting MRF. A differenza delle metodologie MRI tradizionali, in cui si perturbano gli spin con una serie di impulsi che influenzano il segnale in maniera deterministica, MRF propone un approccio di acquisizione e
post-processing dei dati profondamente innovativo. Esso prevede una perturbazione pseudo-random del sistema, tale da produrre un pattern unico, riconoscibile e non predicibile, come un'impronta digitale (fingerprint); l'estrapolazione dei parametri caratteristici del sistema in esame non avviene dall'analisi del pattern in quanto tale, ma dal suo confronto con un dizionario di simulazioni, ovvero tramite il riconoscimento della simulazione più somigliante.
Le acquisizioni di MR Fingerprinting, inoltre, sono estremamente veloci: stimano simultaneamente molteplici parametri, come T1, T2 e densità protonica, con un'unica acquisizione di 10 s.

Metodi
Ogni campione di tessuto anatomico è caratterizzato da una serie di quantità fisiche che lo identificano in maniera univoca, come i tempi di rilassamento (T1 e T2) e la densità protonica. Se sottoposto a una certa sequenza pseudo-random di impulsi, tale campione produrrà un segnale che dipende dai suddetti parametri e che presenta un pattern unico e specifico. L'esperimento di MR Fingerprinting simula, tramite le equazioni di Bloch, il segnale prodotto in risposta alla sequenza di acquisizione;
individuato un intervallo di valori a cui verosimilmente appartengono i parametri anatomici nel campione, si genera un dizionario contenente tutte le simulazioni possibili e plausibili; confrontando il segnale con ogni voce nel dizionario, si arriva a determinare la simulazione più somigliante (best match): i corrispondenti valori dei parametri saranno quelli del materiale studiato, la cui identità risulterà finalmente nota.
Si elaborano due modelli di simulazione: uno schema monocompartimentale, più semplice, in cui ogni voxel è costituito di solo sangue in movimento o tessuto stazionario, e un modello bicompartimentale, in cui ogni voxel è in parte tessuto e in parte sangue. Per tener conto dell'eventuale flusso, si definisce il parametro exchange rate (er), ovvero la frazione di materiale scambiato al secondo attraverso il piano dell'immagine. Nel caso di tessuto statico, il modello prevede er nullo; al contrario, in caso di voxel sanguigni, er risulta proporzionale al flusso. Oltre ad er, nel modello bicompartimentale si introduce anche la frazione di volume del voxel occupata dal vaso sanguigno. Il segnale in ogni punto sarà combinazione lineare delle componenti tissutale e sanguigna, ognuna opportunamente pesata.

Risultati
Abbiamo chiamato questa nuova tecnica Magnetic Resonance Fingerprinting - Arterial Spin Labeling MRF-ASL. Tramite entrambi i modelli sopra citati, si estrapolano mappe di flusso sanguigno in vivo. Dal confronto con una ASL tradizionale, emerge una corrispondenza nella collocazione dei vasi sanguigni e nella distribuzione spaziale del flusso sanguigno nel caso di modello monocompartimentale: laddove il CBF nella ASL ha valori maggiori, la mappa di MRF-ASL presenta i valori più alti di er. Nelle immagini ricostruite si individua non soltanto la rete di vasi principali, ma anche il sistema microcapillare che perfonde i tessuti (la materia grigia e la materia bianca).
Nella tecnica di MRF tradizionale, non si include il flusso sanguigno nel modello, ma si simula il segnale come se tutti gli elementi sul piano dell'immagine fossero stazionari. Questo produce un errore nelle immagini prodotte, tanto più importante nei punti dell'immagine maggiormente irrorati.
Le mappe del T1 estrapolate con MRF tradizionale e con MRF-ASL monocompartimentale differiscono in maniera significativa (20-40%) in corrispondenza dei vasi principali, e di qualche unità percentuale (< 4%) nelle zone di perfusione tissutale a livello microcapillare. La distribuzione spaziale della differenza percentuale tra le mappe di T1 ricalca proprio la mappa di exchange rate estrapolata dal nostro modello monocompartimentale: l'errore compiuto con MRF tradizionale, dovuto al fatto che non si tiene conto del flusso, viene compensato e corretto efficacemente con MRF-ASL.

Discussione
Questi primi risultati evidenziano le grandi potenzialità della metodologia MRF-ASL, le cui prestazioni, tuttavia, possono migliorare ulteriormente, sia in termini di accuratezza che di velocità di calcolo. Oltre al rumore, connaturato ad ogni acquisizione, ci sono difficoltà tecniche legate alla generazione del dizionario,(spazio in memoria > 50 Gb), ed ai tempi di calcolo mediamente lunghi (dell'ordine di
alcune ore). Dalle mappe di flusso, inoltre, non è possibile, per ora, distinguere tra il sangue e il
fluido cerebrospinale, un liquido fisiologico all'interno dell'encefalo, la cui vibrazione produce rumore aggiuntivo.
In conclusione, la nuova tecnica qui esposta rappresenta un primo importante passo, che si spera possa aprire nuovi orizzonti nel campo della neurologia, contribuendo a rendere più sicura, veloce ed efficace la diagnosi e la valutazione di patologie e alterazioni dello stato di salute cerebrale.