Titolo Applicazione della diffusione tensoriale in tessuti cerebrali di pazienti affetti da sclerosi multipla Alessandro Castriota-Scanderbeg, Fabrizio Fasano, Gisela Hagberg, Umberto Sabatini, U. Nocentini Razionale ed obbiettivi La diffusione è il fenomento per cui le molecole d'acqua si muovono casualmente all'interno dei tessuti. Il grado di diffusività più che alle concentrazioni metaboliche e' strettamente legato alle caratteristiche strutturali del tessuto in cui la diffusione avviene, come la proporzione tra spazio intra ed extra cellulare, la concentrazione di cellule gliali, o la presenza di strutture ordinate (es. assoni). La diffusione e' stata introdotta nei protocolli clinici applicati alla sclerosi multipla, e presenta il vantaggio di essere descritta da un parametro numerico misurabile, il coefficiente di diffusione, che descrive una proprietà intrinseca del tessuto in termini quantitativi e riproducibili. La diffusione anisotropa e' la caratteristica della diffusione di esplicarsi in diverso modo nelle diverse direzioni spaziali. Le sequenze MR in diffusione tensoriale sono in grado di determinare le caratteristiche della diffusione in ogni direzione, e sono dunque in grado di caratterizzare un tessuto in base alla presenza o meno di strutture ordinate e con definito orientamento spaziale, quali i fasci assonali nella materia bianca encefalica. La tecnica si candida dunque quale promettente metodo di indagine della integrità dei fasci assonali e loro degenerazione nel corso di varie patologie della sostanza bianca, ed in primo luogo della sclerosi multipla. I fattori patologici implicati nel danno della sclerosi multipla sono molteplici, e includono l'infiammazione, la demielinizzazione, la proliferazione astrocitaria, e il danno assonale. E' di estremo interesse capire a quale di tali fattori e' più sensibile la diffusione tensoriale, al fine di utilizzare tale tecnica in parallelo con altre già in uso attualmente (spettroscopia, trasferimento di magnetizzazione), per una più precisa caratterizzazione del danno tessutale, soprattutto di quello clinicamente rilevante. Bibliografia 1. Castriota-Scanderbeg A. et al. Demyelinating Plaques in Relapsing-Remitting and Secondary-progressive Multiple Sclerosis: Assessment with diffusion- weighted MR imaging AJNR 2000; 21; 862-868 2. R. Bammer et al. Magnetic resonance diffusion tensor imaging for characterizing diffuse and focal white matter abnormalities in multiple sclerosis. MRM 2000; 44; 583-591 3. Nusbaum A.O. et al. Whole brain diffusion MR histograms differ between MS subtypes. NEUROLOGY 2000; 54; 1421-1426 4. Cercignani M. et al. Mean diffusivity and Fractional anisotropy histograms of patient with multiple sclerosis. AJNR 2001; 22; 952-958 5. Pierpaoli C. Diffusion tensor MR imaging of the human brain. Radiology 1996; 201; 637-648
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diffusione anisotropa 290502 finale - spazioinwind.libero.itspazioinwind.libero.it/biomod/wkshop0502/fasano.pdf · Einstein, 1905 Il moto browniano di particelle è essenzialmente
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TitoloApplicazione della diffusione tensoriale in tessuti cerebrali di pazientiaffetti da sclerosi multipla
Alessandro Castriota-Scanderbeg, Fabrizio Fasano, Gisela Hagberg, UmbertoSabatini, U. Nocentini
Razionale ed obbiettiviLa diffusione è il fenomento per cui le molecole d'acqua si muovono casualmenteall'interno dei tessuti. Il grado di diffusività più che alle concentrazionimetaboliche e' strettamente legato alle caratteristiche strutturali del tessutoin cui la diffusione avviene, come la proporzione tra spazio intra ed extracellulare, la concentrazione di cellule gliali, o la presenza di struttureordinate (es. assoni). La diffusione e' stata introdotta nei protocolli cliniciapplicati alla sclerosi multipla, e presenta il vantaggio di essere descritta daun parametro numerico misurabile, il coefficiente di diffusione, che descriveuna proprietà intrinseca del tessuto in termini quantitativi e riproducibili. Ladiffusione anisotropa e' la caratteristica della diffusione di esplicarsi indiverso modo nelle diverse direzioni spaziali. Le sequenze MR in diffusionetensoriale sono in grado di determinare le caratteristiche della diffusione inogni direzione, e sono dunque in grado di caratterizzare un tessuto in base allapresenza o meno di strutture ordinate e con definito orientamento spaziale,quali i fasci assonali nella materia bianca encefalica. La tecnica si candidadunque quale promettente metodo di indagine della integrità dei fasci assonalie loro degenerazione nel corso di varie patologie della sostanza bianca, ed inprimo luogo della sclerosi multipla. I fattori patologici implicati nel dannodella sclerosi multipla sono molteplici, e includono l'infiammazione, lademielinizzazione, la proliferazione astrocitaria, e il danno assonale. E' diestremo interesse capire a quale di tali fattori e' più sensibile la diffusionetensoriale, al fine di utilizzare tale tecnica in parallelo con altre già in usoattualmente (spettroscopia, trasferimento di magnetizzazione), per una piùprecisa caratterizzazione del danno tessutale, soprattutto di quelloclinicamente rilevante.
Bibliografia1. Castriota-Scanderbeg A. et al. Demyelinating Plaques in Relapsing-Remitting
and Secondary-progressive Multiple Sclerosis: Assessment with diffusion-weighted MR imaging AJNR 2000; 21; 862-868
2. R. Bammer et al. Magnetic resonance diffusion tensor imaging forcharacterizing diffuse and focal white matter abnormalities in multiplesclerosis. MRM 2000; 44; 583-591
3. Nusbaum A.O. et al. Whole brain diffusion MR histograms differ between MSsubtypes. NEUROLOGY 2000; 54; 1421-1426
4. Cercignani M. et al. Mean diffusivity and Fractional anisotropy histograms ofpatient with multiple sclerosis. AJNR 2001; 22; 952-958
5. Pierpaoli C. Diffusion tensor MR imaging of the human brain. Radiology 1996;201; 637-648
1
Diffusione anisotropa
Immagini di Risonanza Magnetica in Diffusione Tensoriale
2
Fabrizio Fasano
Aessandro Castriota-Scanderbeg
Anisotropia
Diffusione
NMR
3
Diffusione
solvente
soluto
Il fenomeno della diffusioneè molto comune nella nostra
esperienza quotidiana.Un esempio puòessere quello di
versare del vino in un bicchiere d’acqua...
Diffusione
IMPORTANTE: è un processo irreversibile
NON VERSATE MAI VINO NELL’ACQUA!
si tratta di un fenomeno macroscopico
può essere descritto da equazioni continue
quindi……….
4
J = -D ∇ c
Diffusione
Legge di Flick
Diffusione
∂c/ ∂ t = -∇ JLegge di conservatione
della massa
5
Diffusione
∂c/ ∂ t = ∇ (D∇ c)Equazione della
diffusione
Diffusionead una analisi microscopica….
6
Diffusione
Einstein, 1905
effetto fotoelettrico
teoria della relatività speciale
moto browniano(analisi quantitativa)
Diffusione
Mostrò che:
Einstein, 1905
7
Diffusione
Einstein, 1905
Il moto browniano di particelle è essenzialmente lo stesso fenomeno della
diffusione.
Diffusione
Einstein, 1905< r 2 > = 6 D t
< r 2 > il valore aspettato del quadratodella distanza percorsa in un tempo t, e
D è il coefficiente di diffusione
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Diffusione
Einstein, 1905D = KB T / 6 π µ σ
KB costante di BoltzmanT temperatura assolutaµ viscosità del solvente
σ raggio della particella o molecola
Diffusione
D
misurato in mm2/s
< r 2 > = 6 D t
D = KB T / 6 π µ σ
torna…
9
Anisotropia
Omogeneità
&
Isotropia
Anisotropy
Quando qualcosa appare la stessa se osservata in
differenti posizioni allora parliamo di
omogeneità.
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Anisotropy
Quando qualcosa appare la stessa se
osservata in differenti direzioni allora
parliamo di Isotropia
Anisotropia
Esempio
1) Le leggi fisiche sono invariantisotto traslazioni.
2) Le leggi fisiche sono invariantisotto rotazioni.