Diagnostica per immagini

DIAGNOSTICA PER IMMAGINI

IMAGING DELLA FUNZIONALITA’ CELEBRALE

Diverse zone del cervello svolgono compiti diversi: visione, udito, moto, ma anche elaborazione di

memoria e l’elaborazione delle

informazioni acquisite mediante le funzioni primarie, come la

emozioni. Le diverse zone non sono compartimentalizzate, alcune funzioni infatti derivano

dall’interazione tra diverse parti del cervello.

Storia: ipotizza che il cervello non fosse u unico organo ma un insieme di 27 che a

XIX secolo: Gall: seconda di quali fossero più o meno sviluppati determinano le inclinazioni della

persona.

provoca lesioni localizzate sul cervello di animali e dimostra che gli

Fluoceus: emisferi sono responsabili di funzioni cognitive superiori, ed inoltre è

responsabile dell’attribuzione della regolazione e integrazione dei

movimenti al cervelletto.

alcune osservazioni importanti sui pazienti che avevano perso l’uso della

fece

Broca: parola e avevano paralisi progressive, notando che (in sede di autopsia) una

zona del cervello risultava danneggiata (area di buco).

a causa di un’esplosione un’asta metallica gli trapassa il cranio: sopravvisse

Gage: all’incidente, recuperando in modo sostanziale le attività celebrali (ad

eccezione di qualche mancanza di memoria) ma vi furono importanti modifiche

nella sua personalità e comportamento. La conclusione che ne fu tratta è che il

cervello sia in grado di rimodellarsi.

medico che si occupa della localizzazione delle aree celebrali con stimoli

XX secolo: Peufield: elettrici, noto che ad ogni zona stimolata corrisponda una funzione, quindi

esegue una mappatura della corteccia motoria e della corteccia sensoriale che

mostrano notevoli sovrapposizioni tra varie regioni, attribuita a una

variabilità individuale: non possiamo delineare aree perfettamente uguali per

tutti.

Tanzi: ipotizza che siano i neuroni i responsabili della plasticità neurale.

Sherrington: sinapsi neurale che permette i collegamenti tra neuroni.

Hubel-Wiesel-Menzenich: plasticità celebrale dello sviluppo, processi di

apprendimento.

Plasticità neurale: il cervello ha la possibilità di rimodellarsi di modo da affrontare i

danneggiamenti, rimodellamento che deve essere consolidato nel tempo grazie a stimoli ripetuti.

se l’assone di un neurone A è abbastanza vicino da portare un

Apprendimento hebbiano:

neurotrasmettitore a un neurone B, in modo ripetuto e consistente, in uno o in entrambi i neuroni si

producono cambiamenti metabolici e un processo di crescita, per cui l’efficienza dei neuroni risulta

potenziata. I neuroni comunicano tramite neurotrasmettitori: lo scambio ripetuto forma un canale di

neuroni. Il meccanismo viene memorizzato formando un sistema chiuso difficile da rompere.

IMAGING FUNZIONALE

diverse tecniche di screening per fare l’imaging del cervello: il senso dell’imaging

Possiamo usare

funzionale è quello di mostrare i cambiamenti che avvengono durante lo svolgimento di una

particolare funzione, differendo tra uno stato di riposo e uno stato attivato; in tempi compatibili con

la latenza delle modifiche celebrali durante una certe funzione.

faccio l’iniezione del tracciante (FDG=glucosio marcato con fluoro 18) e ho:

Per la PET 18 18 +

F → O + e + ν

e

9 9

Il positrone che viene emesso dal fluoro annichila con un elettrone del cervello e crea i γ che

vengono acquisiti. L’FDG è uno zucchero; viene quindi coinvolto nelle attività metaboliche dei

neuroni.

Per la RMN ho il contrasto bold (blood oxygen level dependent contrast): i mezzi di contrasto

della RMN sono paramagnetici: nel sangue è presente l’ossigeno che è effettivamente un

paramagnete, quindi la presenza o assenza di ossigeno cambia la struttura magnetica del sangue:

• Ossi emoglobina → porta l’ossigeno → è diamagnetica

• Deossiemoglobina → ha rilasciato ossigeno → è paramagnetica

Nei neuroni a riposo i livelli di oxem e deoxem sono gli stessi.

un neurone si attiva richiamo un afflusso di sangue maggiore di cui l’ossigeno, ma non

Quando

tutto: c’è un eccesso di oxem nel neurone attivo, quindi la percentuale di deoxem scende nelle

cellule attivate perché diminuisce la presenza di paramagneti. Quindi aumenta il T . Per cui se

2

2*

contrastiamo in T abbiamo un segnale migliore.

Neuronal activity Celebral blood flow ↑↑↑

O metabolism ↑

2 OXY ↑↑↑

OXY ↓ DEOXY ↓↓

DEOXY ↑ OXY ↑↑

DEOXY ↓

Quindi si fa un’acquisizione a riposo e una durante uno stimolo, poi si sottraggono tra di loro per

evidenziare le differenze ed infine l’immagine si sovrappone a una morfologica per stabilire a che

area corrispondono le zone attivate.

si ha un’alternanza periodica di stimoli e

Metodo block design: riposi.

Metodo event related: in presenza di uno stimolo il paziente deve svolgere una certa azione.

IMAGING DI DIFFUSIONE

Connessioni di reti neuronali: Per alcune funzioni sono necessarie connessioni multiple tra neuroni

che “accendono” contemporaneamente più zone. C’è una correlazione

temporale tra zone organizzate (network funzionale).

Invece la formazione di canali che fanno transire le informazioni fa

parte del network strutturale (più viene ripetuta la funzione, più il

network è consolidato), che si vede con l’imaging di diffusione.

Diffusione: le molecole non sono fisse, hanno un loro moto: più sono grandi e più sono lente (ad

L’acqua libera nel tessuto

esempio i neuroni si riorientano ma non si muovono molto).

extracellulare si muove: la magnetizzazione in presenza di un gradiente varia nel tempo con questa

legge: Magnetizzazione

⃗⃗⃗ dM M

dM xy xy ⃗

2 2

= D∇ M =− + iγG ∙ r

M + D∇ M trasversale

xy xy

dt dt T

2

D = coefficiente di diffusione.

Integrando M otteniamo:

xy 2 2 3

t Dγ G t

z

− +

T 3

M = M (0)e 2

xy xy

2 2 3

Dγ G t

z è un termine piccolo, con un peso minore rispetto all’altro; è difficile individuarlo

dove 3

nell’immagine funzionale. Per farlo pesare di più uso la sequenza di Stejskal-Tanner:

TE δ

2 2 2

− −Dγ G δ (∆− )

T 3

S(TE) = S(0)e 2

δ

2 2 2 δ = lunghezza del gradiente e Δ = distanza dall’inizio del primo

Dγ G δ (∆ − ),

dove pongo b = 3

gradiente all’inizio del secondo.

H =costante

0 H

2

H

1

τ 180°

90° 180°

τ

τ 90°

ω(H ) > ω(H differenza che non mi pregiudica la formazione dell’echo, ma la variazione di

): è una

1 2

H cambia la frequenza tra il primo e il secondo τ.

S L’echo si forma comunque ma è più

t basso perché ho una rifocalizzazione

parziale di M.

L’altezza del picco che risulta dipenderà

dal tempo e da quanto si muove la

molecola, ovvero da quali intensità di

H incontra.

n

Il coefficiente di diffusione D ci dice quanto spazio percorre la molecola nell’unità di tempo. Ho

del campo aggiunto per enfatizzare l’effetto.

quindi dipendenza da D, dal tempo e dal gradiente

essi hanno un moto limitato perpendicolarmente all’assone, ma

Per quanto riguarda i neuroni

favorito nella direzione assiale (quella dell’assone), quindi non è più isotropo (il moto è limitato alla

direzione) e D diventa un tensore.

Quindi devo applicare gradienti in tutte le direzioni, poiché non conosco a priori in che direzione

può avvenire il movimento.

L’immagine che ottengo è una che è un’immagine del percorso dell’H

trattografia O libera nel

2

tempo della misura in una particolare direzione (quella assonica). Ottengo una mappa dei network

strutturali che mi da informazioni sul funzionamento e sulle patologie.

DIAGNOSTICA PER IMMAGINI

INTRODUZIONE

L’energia nel corpo del paziente e quindi con la materia può essere ovvero l’energia

penetrante,

usata in radiologia, o anche quella elettromagnetica usata nell’imaging dei raggi X o in MRI o

comunque nella medicina nucleare, o quella meccanica usata per gli ultrasuoni (ecografia) e può

essere non penetrante, che mi fornisce ciò che è visibile alla luce e viene usata ad esempio in

gastroenterologia o dermatologia.

Essenzialmente si trasferisce energia da una sorgente ad un altro corpo.

L’energia che entra in contatto con il paziente viene trasportata mediante radiazione

elettromagnetica e ultrasuoni (vibrazione meccanica). Il corpo umano è opaco (la radiazione non

entra) per tutto il campo del visibile e per frequenze poco maggiori e poco minori; infatti la

radiazione viene riflessa o assorbita nei primissimi strati dell’epidermide. Nei range maggiori e

minori del visibile la radiazione entra nel corpo e quindi sono adatte alle rilevazioni e i fenomeni di

interazione sono diversi per ogni frequenza.

Ci si riferisce a raggi X e γ in termini di energia (eV), mentre a microonde e radiofrequenze in

frequenza (Hz) ad alte energie, su scala atomica, chi ha energie comparabili sono gli elettroni legati

ai nuclei, soprattutto quelli più vicini. A basse energie i livelli energetici compatibili sono i livelli

nucleari derivanti dallo splitting Zeemann dovuto alla immissione di un campo elettromagnetico.

La diagnostica per immagine è una rappresentazione di una proprietà che viene espressa tramite una

grandezza o dalla combinazione di più grandezze. L’utilità della diagnostica è che tramite le

immagini si enfatizzano aspetti/informazioni utili alla diagnosi.

Lo scopo dello sviluppo di nuove tecniche di imaging è di renderle sempre meno invasive; per

tecniche non invasive si intendono quelle che non invadono fisicamente il corpo.

l’ecografia e la risonanza magnetica utilizzano radiazioni non ionizzanti

In termini di sicurezza

(quindi ok) mentre i raggi X e γ utilizzano radiazioni ionizzanti (quindi non va bene).

Ho 6 modi di acquisire le immagini che sono a 2 a 2 contrapposti:

• Trasmissione: la sorgente è esterna Emissione: la sorgente è interna e

l’emissione deriva dai decadimen

e la radiazione interagisce. Il rileva

tore è per assorbimento o scattering. ti nucleari e dal loro percorso me

tabolico e dall’assorbimento dei

fotoni generati prima di uscire dal

corpo.

• Statico Dinamico: informazione spaziale (di

struttura anatomica) tramite evoluzio

ne temporale.

• Proiettivo: proiettare energia attra Tomografico: tagliare una fetta del

verso il corpo del paziente. Impri corpo e acquisire tutte le fette sottili

mere bidimensionalmente un og fino ad avere lastre per tutto lo spes

getto 3D sulla lastra 2D. abbiamo sore del corpo oppure per avere la

tutti i piani sovrapposti. sottile sezione di quello che ci inte

ressa. Ho un’immagine migliore

perché si tratta di una sola sezione.

È bene notare che se è trasmissivo non è emissivo, se è stato non è dinamico.

PROIEZIONI IMMAGINI VS TOMOGRAFIA

Nella proiezione delle immagini esse sono formate dall’energia proiettata attraverso il corpo del

paziente e forma una singola immagine. Si hanno le strutture sovrapposte una all’altra.

Nella tomografia le immagini rappresentano piani selezionati o fette di tessuto. Ho una maggiore

visibilità degli oggetti in una singola immagine ma sono necessarie molte immagini per un intero

sistema di organi.

MODALITA’ tipo modo modalità

Radiografia raggi X trasmissivo

mammografia raggi X trasmissivo

Fluoroscopia raggi X trasmissivo

TAC raggi X trasmissivo

raggi X e raggi γ

SPECT emissivo

raggi γ e β +

PET emissivo

raggi γ

MRI entrambi

ultrasuoni onde sonore entrambi

CARATTERISTICHE DELL’IMMAGINE

Per quanto riguarda la qualità abbiamo contrasto e risoluzione.

è la differenza di intensità dell’oggetto

Il contrasto rispetto a tutto ciò che lo circonda. Esiste un

contributo intrinseco che dipende dalla densità ecc. dell’oggetto.

Il contrasto dipende dall’energia usata e anche dall’anatomia del paziente.

Il livello di contrasto può essere aumentato cambiando parametri anche dopo l’acquisizione.

un’

Il sistema di imaging traduce una specifica proprietà del tessuto in immagine a scala di grigio.

Il contrasto dell'immagine medica è il risultato di molti passaggi che si verificano durante

l’acquisizione dell'immagine, elaborazione di questa e la sua visualizzazione.

Il contrasto me lo calcolo come il rapporto tra il valore più alto e quello più basso della luminosità.

La risoluzione è la capacità di un sistema di immagini di distinguere chiaramente due diversi

oggetti mano a mano che essi diventano più piccoli e si avvicinano tra di loro.

Ho la:

• Risoluzione temporale (dimensione t): distinzione temporale in caso di imaging dinamico;

è la capacità di distinguere due immagini dello stesso organo ma fatte in tempi successivi

uno all’altro.

• Risoluzione spaziale (dimensioni x, y, z): larghezza, lunghezza e altezza dell'oggetto; è

influenzata dal fatto che tutti i sistemi di immagine non riproducono esattamente il segnale

in ingresso.

Se ad esempio invio uno stimolo puntuale questo viene riprodotto come una campana: PSF (point

spread function) che è la risposta del sistema allo stimolo. Può essere isotopica (uguale in tutte le

direzioni) o non isotopica (come ad esempio la fluoroscopia). In sostanza lo stimolo puntuale viene

allargato in uscita.

Nel caso di due stimoli contemporanei le campane associate non devono incontrarsi al di sopra della

metà della loro altezza, altrimenti il segnale risultante sarà una sola campana.

Quando parliamo di blurring di allargamento intendiamo che non si riproduce direttamente il

campione.

Le fonti fisiche di blurring di allargamento sono:

• Lo scattering (fisica della dispersione)

• Il tempo di acquisizione e di calcolo

• Il movimento, infatti le persone non sono mai completamente ferme. Entro certi limiti

questo si può compensare.

• La geometria, ad esempio cioè le modalità tomografiche

La risoluzione spaziale è legata alla frequenza spaziale e alla frequenza temporale, infatti il dominio

della frequenza si divide in:

• Frequenza temporale

• Frequenza spaziale

La frequenza spaziale la definisco come: 1

F= 2∆

∆ ∆

E per piccoli ho alte frequenze, mentre per grandi ho basse frequenze.

La risoluzione può essere alta o bassa, dipende dalla dimensione della matrice in cui dividiamo

l’oggetto.

Alle tecniche proiettive è legata la migliore risoluzione, come nel caso della mammografia e della

radioterapia. Per quanto concerne la fluoroscopia ho invece una minore risoluzione perché

l’immagine viene proiettata in continuazione sul display (tipo nelle operazione chirurgiche).

RUMORE

Esso è ineliminabile ed è bianco, quindi stocastico. Deriva dal fatto che gli apparati non sono

perfetti, ma danno fluttuazioni che ci sono anche in assenza di segnale. La natura e l'entità del

L’effetto del rumore è

rumore variano in modo significativo per le diverse modalità di imaging.

quello di ridurre la capacità di distinguere gli oggetti con basso contrasto, inoltre incrementa il

mascheramento degli oggetti più piccoli (alte frequenze).

Esso può essere:

• Basso: si distinguono bene i contorni e le intensità;

• ci accorgiamo dell’oggetto e ha contorni più o meno definiti (c’è distinzione tra

Medio:

rumore e contorni), ma la risoluzione è diminuita.

• si fa molta fatica a percepire l’oggetto e sono senza contorno. La risoluzione è

Alto:

pessima.

Alcune sorgenti sono: le fluttuazioni quantiche, la sensibilità del rilevatore, il processo di imaging.

Come si affronta il rumore? In assenza di segnale si misurano le fluttuazioni tra lo 0 e il livello

dove c’è segnale, quindi la

massimo che è presente. Il rumore si aggiunge e si sottrae anche

differenza tra il livello medio in assenza di segnale e in presenza di segnale è l’ampiezza del segnale

stesso.

Il rumore relativo è: σ

N

L’SNR o signal to noise ratio è: N

SNR = σ

Il legame che c’è tra risoluzione, rumore e contrasto è dato dalla curva di contrasto dettaglio:

Contrasto alto Contrasto basso

Per ogni livello di contrasto ho una dimensione minima dell’oggetto che si riesce a rappresentare.

Per un oggetto grande ho la possibilità di vederlo anche se c’è poco contrasto nonostante il rumore,

mentre per un oggetto piccolo il livello di contrasto deve aumentare perché è maggiormente

disturbato dal rumore.

Diminuendo il contrasto perdiamo la capacità di vedere oggetti piccoli. Se il rumore cresce anche

gli oggetti più grandi devono essere più contrastati. La curva che ci dice cosa riesco a vedere

diventa più stretta.

Lo sfocamento per contrasto diminuisce la risoluzione ma non il contrasto; sarà una curva che non

mi fa perdere in contrasto ma non vedo oggetti di piccole dimensioni.

ARTEFATTI E DISTORSIONI

Derivano da errori sistematici e alcuni sono ineliminabili, mentre altri sono inevitabili.

è quando compare qualcosa che non c’è o scompare qualcosa che c’è.

Gli artefatti

La distorsione è quando una forma viene deformata. Le distorsioni sono gravemente