The effect of diffusion gradient direction number on tractography of corticospinal tract in human brain: an along-tract analysis

Nel presente lavoro di tesi ho sviluppato un metodo di analisi di dati di DW-MRI (Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging)cerebrale, tramite un algoritmo di trattografia, per la ricostruzione del tratto corticospinale, in un campione di 25 volontari sani. Il diffusion tensor imaging (DTI) sfrutta la capacità del tensore di diffusione D di misurare il processo di diffusione dell’acqua, per stimare quantitativamente l’anisotropia dei tessuti. In particolare, nella sostanza bianca cerebrale la diffusione delle molecole di acqua è direzionata preferenzialmente lungo le fibre, mentre è ostacolata perpendicolarmente ad esse. La trattografia utilizza le informazioni ottenute tramite il DW imaging per fornire una misura della connettività strutturale fra diverse regioni del cervello. Nel lavoro si è concentrata l’attenzione sul fascio corticospinale, che è coinvolto nella motricità volontaria, trasmettendo gli impulsi dalla corteccia motoria ai motoneuroni del midollo spinale. Il lavoro si è articolato in 3 fasi. Nella prima ho sviluppato il pre-processing di immagini DW acquisite con un gradiente di diffusione sia 25 che a 64 direzioni in ognuno dei 25 volontari sani. Si è messo a punto un metodo originale ed innovativo, basato su “Regions of Interest” (ROIs), ottenute attraverso la segmentazione automatizzata della sostanza grigia e ROIs definite manualmente su un template comune a tutti i soggetti in esame. Per ricostruire il fascio si è usato un algoritmo di trattografia probabilistica che stima la direzione più probabile delle fibre e, con un numero elevato di direzioni del gradiente, riesce ad individuare, se presente, più di una direzione dominante (seconda fibra). Nella seconda parte del lavoro, ciascun fascio è stato suddiviso in 100 segmenti (percentili). Sono stati stimati anisotropia frazionaria (FA), diffusività media, probabilità di connettività, volume del fascio e della seconda fibra con un’analisi quantitativa “along-tract”, per ottenere un confronto accurato dei rispettivi percentili dei fasci nei diversi soggetti. Nella terza parte dello studio è stato fatto il confronto dei dati ottenuti a 25 e 64 direzioni del gradiente ed il confronto del fascio fra entrambi i lati. Dall’analisi statistica dei dati inter-subject e intra-subject è emersa un’elevata variabilità tra soggetti, dimostrando l’importanza di parametrizzare il tratto. I risultati ottenuti confermano che il metodo di analisi trattografica del fascio cortico-spinale messo a punto è risultato affidabile e riproducibile. Inoltre, è risultato che un’acquisizione con 25 direzioni di DTI, meglio tollerata dal paziente per la minore durata dello scan, assicura risultati attendibili. La principale applicazione clinica riguarda patologie neurodegenerative con sintomi motori sia acquisite, quali sindromi parkinsoniane sia su base genetica o la valutazione di masse endocraniche, per la definizione del grado di contiguità del fascio. Infine, sono state poste le basi per la standardizzazione dell’analisi quantitativa di altri fasci di interesse in ambito clinico o di studi di ricerca fisiopatogenetica.

Modelli compartimentali per l'analisi di segnali ottenuti tramite DCE MRI per studi di perfusione epatica

Il presente lavoro di tesi si inserisce all'interno di uno studio dal titolo: "Strategia di posizionamento multi-step come approccio pragmatico per ridurre il rischio di encefalopatia epatica post-TIPS (shunt trans-giugulare porto-sistemico intraepatico) in pazienti cirrotici con ascite refrattaria". Il progetto di tesi si è concentrato sull'analisi dei segnali ottenuti tramite DCE MRI, con lo scopo di implementare in ambiente MatLab due modelli differenti (Dual input - Mono compartment e Dual input - Dual compartment) che descrivono la cinetica del tracciante all'interno del sistema vascolare epatico e valutare l'efficacia dei parametri di perfusione associati nella descrizione delle variazioni in termini di microcircolazione introdotte dall'inserimento del TIPS. Inizialmente si sono voluti valutare, tramite simulazione, gli effetti in termini di amplificazione del rumore e stima dei parametri perfusionali dell'approssimazione lineare nella conversione da intensità di segnale MR a concentrazione di mezzo di contrasto. Successivamente, sempre attraverso simulazioni, per entrambi i modelli considerati è stato scelto uno schema di model-fitting e quindi testata l'affidabilità in termini di accuratezza e precisione delle stime dei parametri ottenute in funzione del livello di rumore associato alle curve di intensità di segnale. Parallelamente all'implementazione dei modelli per la stima di parametri di perfusione, sono stati realizzati dei phantom con l'obiettivo di simulare il parenchima epatico prima e dopo l'arrivo del mezzo di contrasto e poter testare la sequenza utilizzata durante l'acquisizione dei dati su paziente. Infine sono stati considerati gli esami di DCE MRI effettuati su un campione di nove pazienti pre e post-TIPS, utilizzando per l'analisi dei segnali entrambi i modelli implementati in fase di simulazione e successivamente valutando le variazioni nel valori associati ai parametri di perfusione introdotte dall'inserimento del TIPS.

Geometria frattale: analisi della lacunarita cerebrale in MRI

La geometria frattale descrive la complessità strutturale di oggetti che presentano, entro certi limiti, invarianza a fattori di scala. Obiettivo di questa tesi è l’analisi di indici frattali della morfologia cerebrale e cerebellare da immagini di risonanza magnetica (MRI) pesate T1 e della loro correlazione con l’età. A tale scopo sono state analizzate la dimensione frattale (D0) e la lacunarità (λs), indice di eterogeneità strutturale, della sostanza grigia (GM) e bianca (WM), calcolate mediante algoritmi di box counting e di differential gliding box, implementati in linguaggio C++, e regressione lineare con scelta automatica delle scale spaziali. Gli algoritmi sono stati validati su fantocci 3D ed è stato proposto un metodo per compensare la dipendenza di λs dalle dimensioni dell’immagine e dalla frazione di immagine occupata. L’analisi frattale è stata applicata ad immagini T1 a 3T del dataset ICBM (International Consortium for Brain Mapping) composto da 86 soggetti (età 19-85 anni). D0 e λs sono state rispettivamente 2.35±0.02 (media±deviazione standard) e 0.41±0.05 per la GM corticale, 2.34±0.03 e 0.35±0.05 per la WM cerebrale, 2.19±0.05 e 0.17±0.02 per la GM cerebellare, 1.95±0.06 e 0.30±0.04 per la WM cerebellare. Il coefficiente di correlazione lineare tra età e D0 della GM corticale è r=−0.38 (p=0.003); tra età e λs, r=0.72 (p<0.001) (mostrando che l’eterogeneità strutturale aumenta con l’invecchiamento) e tra età e λs compensata rispetto al volume della GM cerebrale (GMV), r=0.51 (p<0.001), superiore in valore assoluto a quello tra età e GMV (r=−0.45, p<0.001). In un modello di regressione lineare multipla, dove l’età è stata modellata da D0, λ e GMV della GM corticale, λs è risultato l’unico predittore significativo (r parziale=0.62, p<0.001). La lacunarità λs è un indice sensibile alle variazioni strutturali dovute all’invecchiamento cerebrale e si candida come biomarcatore nella valutazione della complessità cerebrale nelle malattie neurodegenerative.

Preoperative MRI findings and functional outcome after selective dorsal rhizotomy in children with bilateral spasticity

PURPOSE: To identify MRI characteristics that may predict the functional effect of selective dorsal rhizotomy (SDR) in children with bilateral spastic paresis. METHODS: We performed SDR in a group of 36 patients. The gross motor functioning measure-66 (GMFM-66) was applied before and after SDR. Available cerebral MRIs were retrospectively classified into three diagnostic groups: periventricular leucomalacia (PVL; n = 10), hydrocephalus (n = 2), and normal (n = 6). In patients with PVL, we scored the severity of the MR abnormalities. We compared the changes in the GMFM-66 after SDR in the diagnostic groups. In patients with PVL, we correlated the severity of the MR abnormalities with the changes in the GMFM-66. RESULTS: The mean follow-up period was 5 years and 4 months (range, 1 year and 1 month to 9 years). The best improvement in gross motor function was observed in patients with normal MRI, and the slightest improvement was observed in patients with hydrocephalus. The severity of the PVL did correlate with the GMFM-66 score before SDR but not with the functional effect of SDR. CONCLUSION: We conclude that with respect to gross motor skills, the improvements after SDR are good in patients with no MRI abnormalities. In the patients with hydrocephalus, the improvements after SDR were insignificant. In patients with PVL, the improvements were intermediate and did not correlate with the degree of PVL.

Intracranial pressure pulse amplitude during changes in head elevation: a new parameter for determining optimum cerebral perfusion pressure?

During short-term postural changes, the factors determining the amplitude of intracranial pulse pressure (ICPPA) remain constant, except for cerebrovascular resistance (CVR). Therefore, it may be possible to draw conclusions from the ICPPA onto the cerebrovascular resistance (CVR) and thus the relative change in cerebral perfusion pressure (CPP).

Preservation of Amputated Extremities by Extracorporeal Blood Perfusion; a Feasibility Study in a Porcine Model

Successful extremity transplantations and replantations have to be performed within 6 h of amputation to avoid irreversible tissue loss. This study investigates ex vivo the technical feasibility and the limb preservation potential of extracorporeal whole blood perfusion in a porcine model.

Comparison of physiological triggering schemes for diffusion-weighted magnetic resonance imaging in kidneys

To determine the potential benefit of combined respiratory-cardiac triggering for diffusion-weighted imaging (DWI) of kidneys compared to respiratory triggering alone (RT).

Cancer of the oral cavity and oropharynx

Tumours in the oral cavity and oropharynx differ in presentation and prognosis and the detection of spread of tumour from one subsite to another is essential for the T-staging. This article reviews the anatomy and describes the pattern of spread of different cancers arising in the oral cavity and oropharynx; the imaging findings on computerized tomography and magnetic resonance imaging are also described. Brief mention is made on the role of newer imaging modalities such as [(18)F]fluorodeoxyglucose-positron emission tomography/computed tomography, perfusion studies and diffusion-weighted magnetic resonance imaging.

Effects of lung recruitment maneuvers on splanchnic organ perfusion during endotoxin-induced pulmonary arterial hypertension

Lung recruitment maneuvers (RMs), used to reopen atelectatic lung units and to improve oxygenation during mechanical ventilation, may result in hemodynamic impairment. We hypothesize that pulmonary arterial hypertension aggravates the consequences of RMs in the splanchnic circulation. Twelve anesthetized pigs underwent laparotomy and prolonged postoperative ventilation. Systemic, regional, and organ blood flows were monitored. After 6 h (= baseline), a recruitment maneuver was performed with sustained inflation of the lungs. Thereafter, the pigs were randomly assigned to group C (control, n = 6) or group E with endotoxin-induced pulmonary arterial hypertension (n = 6). Endotoxemia resulted in a normotensive and hyperdynamic state and a deterioration of the oxygenation index by 33%. The RM was then repeated in both groups. Pulmonary artery pressure increased during lipopolysaccharide infusion from 17 ± 2 mmHg (mean ± SD) to 31 ± 10 mmHg and remained unchanged in controls (P < 0.05). During endotoxemia, RM decreased aortic pulse pressure from 37 ± 14 mmHg to 27 ± 13 mmHg (mean ± SD, P = 0.024). The blood flows of the renal artery, hepatic artery, celiac trunk, superior mesenteric artery, and portal vein decreased to 71% ± 21%, 69% ± 20%, 76% ± 16%, 79% ± 18%, and 81% ± 12%, respectively, of baseline flows before RM (P < 0.05 all). Organ perfusion of kidney cortex, kidney medulla, liver, and jejunal mucosa in group E decreased to 65% ± 19%, 77% ± 13%, 66% ± 26%, and 71% ± 12%, respectively, of baseline flows (P < 0.05 all). The corresponding recovery to at least 90% of baseline regional blood flow and organ perfusion lasted 1 to 5 min. Importantly, the decreases in regional blood flows and organ perfusion and the time to recovery of these flows did not differ from the controls. In conclusion, lipopolysaccharide-induced pulmonary arterial hypertension does not aggravate the RM-induced significant but short-lasting decreases in systemic, regional, and organ blood flows.

Automated Intervertebral Disc Detection from Low Resolution, Sparse MRI Images for the Planning of Scan Geometries

Robust and accurate identification of intervertebral discs from low resolution, sparse MRI scans is essential for the automated scan planning of the MRI spine scan. This paper presents a graphical model based solution for the detection of both the positions and orientations of intervertebral discs from low resolution, sparse MRI scans. Compared with the existing graphical model based methods, the proposed method does not need a training process using training data and it also has the capability to automatically determine the number of vertebrae visible in the image. Experiments on 25 low resolution, sparse spine MRI data sets verified its performance.

MRI of hip osteoarthritis and implications for surgery

Osteoarthritis of the hip joint is caused by a combination of intrinsic factors and extrinsic factors. Different surgical techniques are being performed to delay or halt osteoarthritis. Success of salvage procedures of the hip depends on the existing cartilage and joint damage before surgery; the likelihood of therapy failure rises with advanced osteoarthritis. For imaging of intra-articular hip pathology, MR imaging represents the best technique because of its ability to directly visualize cartilage, superior soft tissue contrast, and the prospect of multidimensional imaging. This article gives an overview on the standard MR imaging techniques used for diagnosis of hip osteoarthritis and their implications for surgery.

Knorpelqualität an den Fingergelenken: delayed Gd(DTPA)²-enhanced MRI of the cartilage (dGEMRIC) bei 3T [Cartilage quality in finger joints: delayed Gd(DTPA)²-enhanced MRI of the cartilage (dGEMRIC) at 3T]

To evaluate the feasibility of molecular cartilage MRI in finger joints.

MRI morphometry, cartilage damage and impaired function in the follow-up after slipped capital femoral epiphysis

To assess rotation deficits, asphericity of the femoral head and localisation of cartilage damage in the follow-up after slipped capital femoral epiphysis (SCFE).

Synthetic-echo time postprocessing technique for generating images with variable T2-weighted contrast: diagnosis of meniscal and cartilage abnormalities of the knee

To assess the feasibility and accuracy of a synthetic-echo time (TE) magnetic resonance (MR) postprocessing technique for the diagnostic evaluation of abnormalities of menisci and articular cartilage in the knee.

T2 and T2* mapping in patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation: initial results on clinical use with 3.0-Tesla MRI

To use T2 and T2* mapping in patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation (MACT) of the knee, and to compare and correlate both methodologies.