Nicola Maria Atum Salandini, 18 Marzo 2011 Tecniche di Imaging a Risonanza Magnetica basate sulla diffusione molecolare (DWI, DTI) nella diagnostica clinica Nicola Maria Atum Salandini, 18 Marzo 2011 Relatrice: Correlatrice: Prof.ssa Dott.ssa Paola Fantazzini 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 2° legge di Fick Autodiffusione: Equazione di Fokker Plank Propagatore di diffusione

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 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

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 ADC con anatomica

Matching mappa FA 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

Trattografia reni sinistro e destro 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 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 %

4 gruppi secondo la classificazione del VFG 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. Media 2.62 2.48 Varianza 0.09 0.17 FA midollare medio NORM. PATOL. Media 0.37 0.32 Varianza 0.01 0.02 P(T<=t) una coda 0.059 P(T<=t) due code 0.119 P(T<=t) una coda 0.050 P(T<=t) due code 0.101 MASSIMI: 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 MINIMI: ADC corticale NORM. PATOL. Media 2.43 2.27 Varianza 0.04 0.21 FA midollare NORM. PATOL. Media 0.33 0.26 Varianza 0.01 0.02 P(T<=t) una coda 0.042 P(T<=t) due code 0.085 P(T<=t) una coda 0.012 P(T<=t) due code 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 Media Varianza 1° stadio CKD 2.55 0.03 2° stadio CKD 2.62 0.04 3° stadio CKD 2.60 0.25 4° e 5° stadio CKD 2.37 0.17 FA midollare medio Media Varianza 1° stadio CKD 0.39 0.00 2° stadio CKD 0.32 0.01 3° stadio CKD 0.36 0.02 4° e 5° stadio CKD 0.29 Valore di significatività 0.268 Valore di significatività 0.11 MINIMI: ADC corticale Media Varianza 1° stadio CKD 2.42 0.03 2° stadio CKD 2.47 0.05 3° stadio CKD 2.34 0.20 4° e 5° stadio CKD 2.11 0.22 FA midollare Media Varianza 1° stadio CKD 0.36 0.00 2° stadio CKD 0.27 0.01 3° stadio CKD 0.30 0.03 4° e 5° stadio CKD 0.22 Valore di significatività 0.074 Valore di significatività 0.017

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 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