Quantitative neuroimaging of perfusion with arterial spin labeling: deconvolution and physiology-based models

Lo studio della perfusione con tecniche di Risonanza Magnetica per Immagini (dall'inglese Magnetic Resonance Imaging, MRI) è stato condotto prevalentemente con l'ausilio dell'iniezione di liquidi di contrasto esogeni. La tecnica Arterial Spin Labeling (ASL) permette di utilizzare l'acqua contenuta nel sangue come tracciante endogeno, riducendo quindi l'invasività dell'esame con aumento del comfort del paziente e diminuendo l'impatto del tracciante a livello di costo-beneficio per il sistema sanitario. Ne rende inoltre possibile l'utilizzo anche in casi in cui il contrasto non può essere utilizzato, come nel caso di bambini oppure per il monitoraggio ravvicinato dei livelli di perfusione. Inoltre, un altro vantaggio è la possibilità di quantificare la perfusione in unità assolute, permettendo così di confrontare più agevolmente soggetti in studi di gruppo oppure di poter confrontare più acquisizioni in un contesto di studio longitudinale. La presente tesi si articola in una parte introduttiva che descrive i principi dell'ASL (Capitolo 1) e in generale della Risonanza magnetica (Capitolo 2). Per poter poi introdurre le tecniche utilizzate per la creazione del tracciante e le modalità di lettura dello stesso (Capitolo 3). Il Capitolo 4 descrive lo stato dell'arte per la procedura di quantificazione, che avviene utilizzando opportuni modelli, utilizzati per descrivere accuratamente il metodo impiegato per la creazione del tracciante e come esso interagisce con i tessuti che attraversa. Il modello più utilizzato è stato proposto da Buxton et al. 1998. Tuttavia il suddetto modello semplifica notevolmente la cinetica del tracciante, riducendo di fatto il fenomeno a un modello mono-compartimentale. Altri approcci sono stati utilizzati, che tengano conto della complessità del sistema capillare (Parkes et al. 2002) o che tengano conto della componente macro vascolare dei vasi maggiori (Chappell et al. 2010). Gli stimatori utilizzati per la quantificazione con il modello di Buxton sono i minimi quadrati non lineari. Negli ultimi anni sono stati proposti anche approcci di tipo Bayesiano, ad esempio basati sul metodo delle variazioni (Chappell et al. 2009). La creazione di opportune sequenze ASL come la Quantitative Star Labeling of Arterial Region (QUASAR) (Petersen et al. 2006) ha permesso di utilizzare anche tecniche più flessibili come la deconvoluzione, impiegata per stimare la risposta impulsiva del sistema sollecitata da un ingresso ricavato direttamente dai dati. Le tecniche utilizzate per la risoluzione di questo problema sono basate su Singular Value Decomposition con troncamento (Wu et al. 2003). Purtroppo, queste tecniche soffrono il fatto di non poter introdurre nessun vincolo di stabilità nel sistema che vanno a descrivere e quindi introducono delle oscillazioni non fisiologiche all'interno della funzione che permette di ricavare la stima della perfusione. Questo produce una sottostima nel livello di perfusione e anche valori negativi nella funzione stimata, che sono non interpretabili da un punto di vista fisiologico. Nel Capitolo 5 di questo lavoro viene presentata una tecnica di deconvoluzione non parametrica basata sul kernel Stable Spline (SS) (Pillonetto et al. 2010) e adattata per risolvere il problema di sensitività al ritardo che può intercorrere tra ingresso e uscita del sistema. SS permette di introdurre vincoli di non negatività e di stabilità nel sistema descritto e può superare i problemi delle tecniche tradizionali. La nuova tecnica verrà testata sia in un ambito di simulazione il più prossimo possibile al caso reale, che in un insieme di soggetti reali sani. Verranno anche condotte delle analisi di confronto con altri metodi di deconvoluzione usati in letteratura. La stessa sequenza può essere studiata con metodologie modellistiche. In particolare, recentemente è stato presentato un modello che con l'ausilio di uno stimatore Bayesiano può ricavare un notevole numero di parametri relativi alla perfusione (Chappell et al. 2013), come il tempo di arrivo nella microvasculatura. Questo modello è stato migliorato in questa tesi introducendo una nuova relazione che permette di stimare un ulteriore parametro, la velocità media del sangue nei vasi. Verrà proposto un confronto tra i metodi con approccio basato sul modello e SS per verificarne le prestazioni. Altre sequenze sono state proposte per stimare la perfusione con metodi non invasivi. Una delle più utilizzate prevede un labeling differente da QUASAR e che permette di ottenere un notevole aumento del rapporto segnale disturbo (SNR). Questa tecnica è chiamata pseudo-Continuous ASL (pCASL). Nel Capitolo 6 verrà presentato uno stimatore Bayesiano massimo a posteriori per tenere conto di ulteriori misure e di informazioni a priori note da letteratura. Lo stimatore verrà prima applicato al modello di Buxton e successivamente, sempre in questo contesto verrà presentato e validato un modello a due componenti per la stima della componente macro-vascolare e micro-vascolare. Nella procedura di quantificazione della tecnica ASL è necessario fissare alcuni parametri a valori noti da letteratura. Tra questi uno dei più importanti è rappresentato dall'efficienza di magnetizzazione. Aslan et al. 2010 hanno proposto un metodo per poterla stimare in vivo tramite una misura della velocità del sangue nei vasi dove avviene la creazione del contrasto endogeno. Tale approccio necessita della segmentazione manuale dei vasi in una immagine acquisita ad hoc. Nel Capitolo 7 viene presentato un nuovo metodo totalmente automatico per la stima dell'efficienza di magnetizzazione basato su metodi di segmentazione dei vasi e di stima della velocità attraverso l'uso di un modello laminare del flusso all'interno di un condotto.