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Effetto BOLD e quantificazione del valore T2* tramite tecniche multieco
Gisela E Hagberg
Laboratorio di Neuroimmagini funzionali: Fondazione Santa Lucia, Roma
g.hagberg@hsantalucia.it
La Tomografia a Risonanza Magnetica (RM) è un metodo che permette di ottenere immagini
del corpo umano ad alta risoluzione e con un contrasto di immagine specifico per il tessuto in esame. Il
contrasto è il risultato delle specifiche proprietà di rilassamento magnetico dei nuclei di idrogeno
presenti nell' acqua del tessuto. Una di queste proprietà di rilassamento magnetico è il valore T2*, che è
sensibile alla presenza di ioni paramagnetici, come la deossi-emoglobina nei vasi sanguigni. La MRI
funzionale (fMRI) sfrutta la variazione del contenuto d’ossigeno nel sangue in aree cerebrali attivate
(l’effetto BOLD), che risulta in una differenza di suscettività magnetica tra il sangue nelle vene e il
tessuto circostante e quindi in una diminuzione del valore T2*. Si è soliti rilevare l’effetto BOLD tramite
immagini pesate in T2* (di tipo singolo eco) e con queste eseguire calcoli statistici per ottenere mappe di
attivazione. Si è dimostrato che queste mappe di attivazione basate sulle immagini pesate in T2* variano
in modo considerevole tra di loro, perfino quando la misura viene ripetuta con lo stesso individuo (1).
L’origine di tale variazione è complessa. Innanzitutto, l’alterazione del segnale dipende dal tempo di eco
della misura (2), e si ottiene un massimo quando questo è uguale al valore T2* del tessuto in esame,
considerato noto e invariabile. In realtà, il valore di T2* varia tra aree cerebrali, a causa della presenza di
agenti paramagnetici nei tessuti. Per esempio, con l’avanzare dell’étà, cumuli di ferro e rame nei gangli
della base risulteranno in una diminuzione progressiva del valore T2*. Inoltre, in funzione del livello di
ematocrito nel sangue, il T2* può subire delle alterazioni, e quindi comportare variazioni del segnale
BOLD tra individui e nello stesso individuo misurato in occasioni diverse. Un’altra fonte di variabilità è
legato all’origine stessa del segnale BOLD: “brain or vein” (–extra o intra vascolare), che varia con il
diametro e l’orientamento delle vene relativo alle linee di campo (2). Per esempio, ad un campo
magnetico di 1.5 T le stime della parte extra-vascolare del segnale vanno da 33% (3) a 75% (4,5).
Recenti sviluppi di tecniche di tipo multi-eco, che comportano l’acquisizione di immagini a più
di un tempo di eco dopo l’eccitazione del segnale, permettono misure quantitative del valore T2*
mediante l’applicazione di procedure di regressione lineare o non-lineare dei dati così ottenuti. Queste
procedure sono o poco robuste o lente. Abbiamo sviluppato un metodo che risulta più robusto della
regressione lineare e più veloce della regressione non-lineare e che rende possibile una mappatura
quantitativa della variazione di T2* in tempo reale (6,7).
BIBLIOGRAFIA:
1. McGonigle DJ, Howseman AM, Atwal BS, Friston KJ, Frackowiak RS, Holmes AP (2000) Variability in
fMRI: an examination of intersession differences. NeuroImage 11: 708-734
2. Kiselev VG, Posse S (1999) Analytical model of suscepibility-induced MR signal dephasing: effect of
diffusion in a microvascular network. Magn Reson Med 41: 499-509.
3. Boxerman J, Bandettini PA, Kwong K, Baker J, Davis T, Rosen B, Weisskoff R (1995) The intravascular
contribution to fMRI signal hange: Monte Carlo modeling and diffusion weighted studies in vivo. Magn Reson
Med 34: 4-10.
4. Hoogenraad FGC, Pouwels PJW, Hofman MBM, Reichenbach JR, Sprenger M, Haacke EM (2001)
Quantitative differentiation between BOLD models in fMRI. Magn Reson Med 45: 233-246.
5. Janz C, Kornmayer J, Hennig J (2000) Diffusion and MTC-weighted multi-echo EPI: separation of intra vs
extra-vascular fMRI signal changes. Proceedings InternationalSociety for Magnetic Resonance in Medicine, p.951
6. Hagberg GE, Sanes JN, Posse S (2000) “Metodo e apparecchiatura per generare mappe quantitative di T2*
per la produzione di immagini da risonanza magnetica in tempo reale” Brevetto Italiano RM 2000 A 000160.
7. Hagberg GE, Indovina I, Sanes JN, Posse S (2002) Real time quantification of T2* changes using Multi-
Echo Planar Imaging and numerical methods. Magn Reson Med (in press)
Fondazione Santa Lucia
Gisela E HagbergMsc Engineering PhysicsPhD Biophysics
Functional Neuroimaging LaboratoryFoundation Santa LuciaRome Italy
Effetto BOLD e quantificazione del valore T2
* tramite tecniche multieco
Fondazione Santa Lucia
Motivazione I
• Il segnale BOLD varia tra aree cerebrali e tra individui
• Questo non viene considerato tramite immagini pesate in T2
* e quindi la variazione dei “pattern” di attivazione èaltamente variabile
Fondazione Santa Lucia
Motivazione II
• E possibile eseguire studi di fMRI in tempo reale che comportano la generazione di mappe quantitative del T2
* ?– Si: tecniche multi-eco
– No: la generazione di mappe quantitative del T2
* è lenta
Fondazione Santa Lucia
Visione d’insieme
• L’effetto BOLD• Modelli quantitativi dell’effetto BOLD• Variazione del BOLD con il tempo d’eco
– BOLD fMRI: eco singolo vs multieco
• Tecniche multieco e metodi di generazione di mappe quantitative T2
*
Fondazione Santa Lucia
Il sistema vascolare
Henry Gray (1918)Anatomy of the Human Body
Fondazione Santa Lucia
BOLD: “blood oxygenation level dependent”
Fondazione Santa Lucia
• attività neuronale (“neuronal firing”) �
• utilizzo del glucosio
�
• flusso (CBF) e volume del sangue (CBV)
�
• estrazione di ossigeno,CMRO2
�
• HbO nelle vene
�
• valore T2*; segnale pesato in T2
* � �BOLD fMRI
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S(t) = So . exp(-t/T2*)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 50 100
time [ms]
So
[a.u
.]
Rest
Activated
EPI
Fondazione Santa Lucia
BOLD fMRI: Immagini pesate in T2*
0 2 4 6rest
active
time [min]
In rosso: voxel con attivazione significativa (p<0.05)
Fondazione Santa Lucia
BOLD quantitativo( ) ( )
�� ���� � � �� ���� � ��
�� ���� �� ��
�����
⋅≈⋅−≈
∑λϕexp/exp *
2
* Effetti legati a T2; densità protonicae disomogeneità macroscopiche non sono considerati
Tessuti da considerare:Materia biancaMateria grigiaCSFsangue
*
Fondazione Santa Lucia
Il BOLD e la suscettività magnetica
R
�χ�χ
Bo Φ
r” θ Bo �χ
[ ]
( )222
2
"
2cos
2
31cos3
6
�� ��������
� !
��
θχχ
χχχ
+Φ⋅+−
⋅=
+−Φ⋅+−
=
’22
*2
’2
111
cambia
""""
+=
→
Fondazione Santa Lucia
Modelli matematici BOLD
• Variazione del segnale BOLD:
î
>>
−−+
<<+⋅+
=∆1for
43exp
4)(
1for 945
16
5
4
45
8
)(
332
τπττ
πτλ
τττλτ
τ ##$
#
%
δωτ
&'
=δω
λ2(
)=
1 252 −≅
=
*+-,
δωγχδω
Kiselev, 1999
−
−⋅⋅= ∫∫
∞)(
3
4exp1
1
2)( 243
0 20θθλθθλ
π ./ 012/ 01.3 ..3/ 014 5
Fondazione Santa Lucia
BOLD al livello ultrastrutturale
• Intravascolare (2-5 % del volume)– Aumento del tempo di rilassamento T2
* che dipende dall’ aumento dell’ossigenazione
– Differenza di suscettività magnetica intra/extra vascolare
• ExtravascolareDifferenza di suscettività, alterazione del valore T2
* nel tessuto adiacente – In vicinanza dei capillari– In vicinanza delle vene
Fondazione Santa Lucia
Origine del BOLD a 1.5T
• Extra o Intra-vascolare?• Modello Boxerman-Weisskoff (1995):
2/3 del segnale è di origine intravascolare
• BOLD ha soprattutto origini extra-vascolari contribuendo per i 3/4 del segnale (Hoogenrand et al., 2001; Janzet al., 2000)
Fondazione Santa Lucia
Dipendenza dell’effetto BOLD sul TE
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
0.02
0.04
0.06
0.08dS/S(TE=40ms)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
0.05
0.1
0.15
0.2dS/S(TE=66ms)
PutamenM1
Fondazione Santa Lucia
Variazioni percentuali del BOLD
Tessuto T2*
[ms]
∆T2* /T2
*
[%]
∆S/S (TE=40ms)
[%]
∆S/S (TE=66ms)
[%]Corteccia motoria 79 10 4.7 7.9
Corteccia visiva 71 10 5.3 8.8
Putamen53 10 7.1 12.0
Eco singoloMultieco emappatura del T2
*
Fondazione Santa Lucia
S(t) = So . exp(-t/T2*)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 50 100 150
time [ms]
So [a.u
.]
Rest
Activated
Eco singolo
Multieco
Tecniche multieco
Fondazione Santa Lucia
Parametri di acquisizione multieco
• Matrice: 32x32, 8 echi: 12, 30, 49, 67, 85, 104, 122,e 140 ms, bandwith per pixel: 2630 Hz
• Matrice 64x64, 4 echi: 23, 64, 105, e 145 ms bandwith per pixel: 2080 Hz
• TR=3000, 16 fette di spessore 3 mm, field-of-view: 192 mm
Fondazione Santa Lucia
Eco singolo vs Multieco fMRI: Eco singolo Multieco e
mappatura del T2*
Fondazione Santa Lucia
Risposta emodinamica
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Autocorrelazione
Eco singolo T2*
Fondazione Santa Lucia
• Regressione non-lineare
• Regressione lineare
Generazione di mappe T2*
,
( )*20 /exp)(
6678678
−⋅=
−=⋅⋅⋅=
0
*2
1’)’( 9 :;<<<=>?@
( )
( )
ABCD EEFE F
EFDEFD
GG ⋅=⇔
−⋅
=
0
*2
11 1
1
1
)(log
)(log HHH
Fondazione Santa Lucia
• Regressione non-lineare: - Lenta
+ Esatta
• Regressione lineare:+ Veloce- Meno robusta
Generazione di mappe T2*
,
Fondazione Santa Lucia
Metodo alternativo: NumART2*
( )*20 /exp)(
IIJKIJK
−⋅= ( )∫∫ ⋅−⋅=⋅
LL MNMNMNMN OPQOQ
11
*20 /exp)( ττττ
⋅++⋅
−⋅−
≈ ∑−
=
1
21
1 )(2)()()1(2
RTS SRR UVWUV WUV WX UVUV
( )[ ] ( ))()(/exp 1*
2*
20*
2 1
YZ[\Z[ ]^_]^_]]_] `
−⋅=−⋅− τ
( ))()(
)(2)()()1(2
1
1
21
1
*2 a
acb baa
defdef
defdefd efg d eded
−
⋅++⋅
−⋅−
≈∑
−
=
Fondazione Santa Lucia
NumART2*
• “Numerical Algorithm for Real-time T2* -mapping“
+ Veloce+ Robusta
- Errore sistematico che dipende dal valore T2*
del tessuto in esame e dall’intervallo tra echi consecutivi
Brevetto: Rm 2000 A 000160“Metodo e apparecchiatura per generare mappe quantitative di T2
*
Per la produzione di immagini da risonanza magnetica in tempo reale”
Fondazione Santa Lucia
NumART2*: effetti
degli intervalli tra echi
4
3
2
1
0(Per
cent
ove
rest
imat
ion)
1/2
1.61.41.21.00.80.60.40.20.0
∆TE/T2*
Fondazione Santa Lucia
NumART2*: effetti
degli intervalli tra echi
102.0754.10
hi ikj lm i50
no
102.0754.10pqkr st q5010
100.0850.17410-5001010
100.0850.1710-1001010
102.0754.10410,460,510503
102.0754.1010,60,110503
100.0850.17400,410,420103
100.0850.1710,20,30103
NumART2*
for 100 msNumART2
*
for 50 msEcho times
TE[ms]Echo delay,
T2* [ms]# of echos
Fondazione Santa Lucia
Paragone dei metodi
Differenza percentuale e
Relazione tra regressione non-lineare e metodi numerici
Fondazione Santa Lucia
Mappe di T2*:
200ms/framePesatura in T2
* :100ms/frame
Applicazione: fMRI in tempo reale
Fondazione Santa Lucia
Discussione aperta:
• può la variabilità dei “pattern” d’attivazione tra soggetti e aree cerebrali diminuire tramite l’utilizzo delle mappe T2
* ?– Osservazioni independenti (nessun’auto-
correlazione)
– Controllo del contenuto ematico del Hb– Maggior contrasto riposo/compito
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