Esempio di trattografia con tensore di diffusione

Le tecniche che tratteremo in questo articolo sono la Risonanza Magnetica di diffusione – Diffusion Weighted Imaging (DWI), la sua evoluzione Diffusion Tensor Imaging (DTI) e la ancor più innovativa Diffusion Tensor Tractography (DTT).

Si tratta di metodiche che permettono di ottenere informazioni sulla microstruttura del tessuto studiato, a livello submicroscopico e molecolare, fornendo informazioni non evidenziabili con la Risonanza Magnetica tradizionale, e sono oggi utilizzate per fini diagnostici, terapeutici e di ricerca.

Queste metodiche sono utilizzate principalmente per lo studio del cervello, ma hanno anche altre applicazioni.

È da ricordare che la RM che utilizza onde elettromagnetiche e non radiazioni (come RX e TAC) e quindi non sottopone il paziente ai rischi derivanti dall’esposizione.

Un po’ di (noiosa) fisica..

Le tecniche si basano sul fenomeno della diffusione (moto Browniano), secondo cui in una soluzione le molecole possiedono un moto incessante e disordinato, che dipende da:

  • Tempo di diffusione.
  • Coefficiente di diffusione, che dipende dalla dimensione delle molecole, dalla temperatura e dalla viscosità del mezzo.

Quindi il moto aumenta all’aumentare di tempo e temperatura e al diminuire di dimensione delle molecole e viscosità del mezzo.

Il sistema nervoso centrale è composto da diverse componenti, che presentano diverse caratteristiche diffusive:

  • Liquor cefalorachidiano (fluido limpido ed incolore che circola tra le meningi, proteggendo cervello e midollo spinale da eventuali traumi): la velocità di movimento è massima, in quanto la diffusione delle molecole è libera (si tratta di un fluido). La diffusione è definita isotropica, cioè possibile in tutte le direzioni.

Nel tessuto cerebrale la velocità di movimento è più bassa, in quanto la diffusione è ostacolata dalla microstruttura del tessuto:

  • Materia grigia (formata dai corpi dei neuroni, addensati; si trova nelle cortecce cerebrale e cerebellare, nei nuclei della base e all’interno del midollo spinale): la diffusione è ristretta, ma comunque isotropica (vedi img.)
  • Materia bianca (formata dai fasci di fibre nervose che uniscono l’encefalo e il midollo spinale. I fasci appaiono bianchi a causa del rivestimento dato dalla mielina): la diffusione è anisotropica, poiché la direzione in cui avviene è impostata dalla direzione delle fibre.
Free diffusion = in acqua/liquor;  GM = Materia Grigia;  WM = Materia Bianca

 

DWI

Sulla base delle immagini ottenute in DWI si può ottenere il cosiddetto ADC, cioè il coefficiente apparente di diffusione dell’acqua. Il valore di ADC (opposto a quello di DWI) riflette la diffusività del tessuto: i valori sono alti se la diffusività è alta (acqua/liquor), mentre sono bassi quando ostacoli fisici impediscono all’acqua di muoversi liberamente (sostanza bianca/grigia).

Nel cervello sano l’ADC di sostanza bianca e grigia è simile, ma quello di quest’ultima è leggermente superiore.

ADC RIDOTTO:
  • Ictus, che determina edema citotossico. In corso di ischemia la crisi energetica a cui va incontro la cellula esita in un rigonfiamento della stessa; ciò determina una riduzione di volume e un aumento della tortuosità dello spazio extracellulare, che ostacola la diffusività delle molecole d’acqua.

N.B. La DWI può aggiungere informazione alla RM-perfusionale per quando riguarda l’individuazione della penombra ischemica, cioè quell’area che può ancora essere salvata con un trattamento fibrinolitico instaurato entro 3-6h!

  • Stato epilettico (edema citotossico)
  • Ipoglicemia (edema citotossico)
  • Ascessi piogenici, come empiemi subdurali, epidurali e intraventricolari. Il materiale purulento ha una viscosità superiore.
  • Tumori con elevata cellularità, come linfomi, neuroblastomi e medulloblasomi. Il grande numero di cellule fitte diminuisce l’ADC.
  • Malattie prioniche (Creutzfel-Jacob, mucca pazza, …). I depositi di proteina prionica ostacolano la diffusività.
ADC AUMENTATO:
  • Neonati e bambini.
  • Edema vasogenico, ovvero associato ad alterazione della permeabilità dei capillari, che aggiunge liquidi al tessuto cerebrale, aumentandone la diffusività. Un caso tipico è l’edema perilesionale di masse neoplastiche.
  • Patologie degenerative (es. Alzheimer), in cui si verifica perdita di sostanza, bianco e/o grigia, con aumento della diffusività.

DTI

In quanto evoluzione del DWI, calcola la velocità di diffusione delle molecole d’acqua in più direzioni:

  1. Diffusività media: corrisponde all’ADC.
  2. Anisotropia frazionale: misura la diffusione anisotropa, esprimendo il grado di direzionalità del movimento delle molecole e quindi dà informazioni sull’architettura del fascio di fibre.
  3. Diffusività longitudinale: dà informazioni sulla diffusività lungo l’asse maggiore delle fibre e cioè sull’integrità dell’assone (es. danni al midollo).
  4. Diffusività radiale: dà informazioni sulla diffusività lungo l’asse minore delle fibre e cioè sull’integrità della mielina (per patologie demielinizzanti, come la sclerosi multipla).

Questa tecnica permette quindi uno studio più approfondito della sostanza bianca.

DTT

L’evoluzione tecnica più innovativa applicata al DTI è la ricostruzione trattografica. Consiste nell’ottenere una mappa di direzione preferenziale della diffusività delle molecole d’acqua, dando così una stima dell’orientamento principale delle fibre nella sostanza bianca.

Ogni direzione è codificata con un colore differente: – Rosso = trasversale (es. corpo calloso). – Verde = antero-posteriore (es. radiazioni ottiche). – Blu = verticale (es. fascio piramidale).

La mappa è ottenuta attraverso l’uso di software di analisi sulla sequenza DTI. L’analisi può durare anche 10-12h per l’enorme mole di dati.

Lo sviluppo di questa tecnica ha portato ad enormi progressi nella conoscenza del cervello umano, delineando in maniera precisa le vie di trasmissione all’interno del sistema nervoso. Tutt’oggi l’utilizzo principale è in ricerca.

L’analisi dell’integrità della sostanza bianca è ad esempio utile in caso di patologie demielinizzanti come la sclerosi multipla, neurodegenerative come la malattia di Alzheimer e alcune forme di tumore al cervello.

Inoltre questo tipo di risonanza magnetica può essere utilizzata per studiare lo sviluppo del cervello durante l’infanzia e l’adolescenza e le alterazioni della sostanza bianca associate all’autismo, alla sindrome da deficit di attenzione/iperattività, alle psicosi e all’abuso di sostanze stupefacenti o alcol.

L’esame assume particolare importanza nella preparazione degli interventi chirurgici per identificare le sedi di passaggio delle più importanti fibre nervose per prevenirne il danno durante le procedure. Uno dei fasci più utilizzati è il tratto cortico-spinale, sede del passaggio di tutte le vie motorie volontarie, che se danneggiato porta ad importanti paralisi.

 

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