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.

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).

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.

Diffusion-weighted imaging for the follow-up of patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation

To evaluate the use of diffusion-weighted imaging (DWI) for the assessment of cartilage maturation in patients after matrix-associated autologous chondrocyte transplantation (MACT).

Delayed gadolinium-enhanced MRI of cartilage in the ankle at 3 T: feasibility and preliminary results after matrix-associated autologous chondrocyte implantation

To demonstrate the feasibility of delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging (MRI) of cartilage (dGEMRIC) in the ankle at 3 T and to obtain preliminary data on matrix associated autologous chondrocyte (MACI) repair tissue.

Diagnostic performance and accuracy of 3-D spoiled gradient-dual-echo MRI with water- and fat-signal separation in liver-fat quantification: comparison to liver biopsy

To prospectively evaluate a 3-dimensional spoiled gradient-dual-echo (3D SPGR-DE) magnetic resonance imaging (MRI) sequence for the qualitative and quantitative analysis of liver fat content (LFC) in patients with the suspicion of fatty liver disease using histopathology as the standard of reference.

Can MRI of the neck compete with clinical findings in assessing danger to life for survivors of manual strangulation? A statistical analysis

The aim of the study was to examine the clinical forensic findings of strangulation according to their ability to differentiate between life-threatening and non-life-threatening strangulation, compare clinical and MRI findings of the neck and discuss a simple score for life-threatening strangulation (SLS).