Moving beyond DTI: non-gaussian diffusion in the brain and skeletal muscle

L’Imaging mediante Risonanza Magnetica pesata in diffusione (diffusion-weighted Magnetic Resonance Imaging, dMRI) è una tecnica diagnostica in grado di fornire metriche correlate alla microstruttura dei tessuti. L’imaging pesato in diffusione (Diffusion Weigted Imaging, DWI) e tecniche derivate, quali il coefficiente di diffusione apparente (Apparent Diffusion Coefficient, ADC), in virtù della loro sensibilità ai cambiamenti microstrutturali nei tessuti, possono essere considerate lo stato dell’arte nella diagnosi di ictus ed ischemia cerebrale dai primi anni 90. Nel 1994 Basser e colleghi hanno introdotto l’imaging basato sul tensor di diffusione (Diffusion Tensor Imaging, DTI), la prima tecnica di quantificazione in grado di descrivere l’anisotropia del processo diffusivo nei tessuti biologici. Nel capitolo II sono illustrati i risultati di uno studio effettuato sulla sostanza bianca di pazienti affetti da Atassia di Friedreich con il modello DTI. Dopo oltre 20 anni dalla sua presentazione il modello DTI è ancora ampiamente utilizzato, tuttavia molteplici limitazioni sono state dimostrate spingendo verso un suo superamento, con particolare riferimento alla bassa specificità del modello e alla coesistenza di molteplici tessuti caratterizzati da architetture differenti. Inoltre, il modello tensoriale può essere applicato solo a dati acquisiti in uno specifico intervallo di pesature in diffusione, al di fuori del quale l’effetto delle membrane biologiche è non trascurabile originando fenomeni detti di diffusione non-gaussiana, che violano gli assunti del modello. Su questi argomenti vertono i capitoli III e IV, proponendo due differenti approcci per superare le limitazioni del DTI. Un’altra tecnica molto diffusa per analizzare il segnale dMRI è la deconvoluzione sferica (Spherical Deconvolution, SD), presentata nel capitolo IV in una formulazione tessuto-specifica ed applicata a soggetti di controllo e un paziente affetto da sclerosi multipla per derivare metriche specifiche a sostanza bianca, grigia e fluido cerebro-spinale. Storicamente, la dMRI è stata applicata non solo all’encefalo ma a diversi distretti periferici, incluso il muscolo scheletrico. Nel 1986 Le Bihan e colleghi osservarono come il segnale proveniente dall’acqua fluente nei vasi periferici e nella rete micro vascolare contribuissero al segnale dMRI acquisito con piccolo pesatura in diffusione, proponendo il modello “Intra- Voxel Incoherent Motion” (IVIM) per spiegarlo. IVIM può essere visto come un modello per ottenere misure di pseudo-diffusione o come una tecnica per ottenere misure di ADC ripulite dall’effetto della perfusione, categorizzandola come un artefatto. Nonostante la dMRI e il DTI siano stati applicati al muscolo scheletrico sin dalle origini, solo in tempi recenti evoluzioni quali il Diffusion Kurtosis Imaging sono state sperimentate con successo su dati muscolari acquisiti a forte pesatura in diffusione. I concetti di IVIM e DKI sono sviluppati nel capitolo V, dove gli effetti del primo su DTI e DKI, nonchè la relazione tra DTI e DKI sono analizzate mediante simulazioni e dati MRI della gamba inferiore. In linea con l’attuale letteratura dMRI, i primi 5 capitoli di questa tesi mostrano il segnale in diffusione come misura eterogenea. Il capitolo VI propone l’analisi di un metodo di deconvoluzione multi-compartimentale e pseudo-continuo, tecnica che non richiede di modellizzare esplicitamente il segnale dMRI. Infine, il capitolo VII presenta un sommario di altri argomenti di ricerca sviluppati nel corso degli studi di dottorato.