Imaging con tensore di diffusione: differenze tra le versioni

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{{Disclaimer|medico}}

{{procedura medica

Il '''tensore di diffusione''' è uno strumento di [[risonanza magnetica]] attraverso il quale si possono costruire [[imaging biomedico|immagini biomediche]] ('''DTI''', [[acronimo]] [[lingua inglese|inglese]] per '''Diffusion Tensor Imaging''') anche [[tridimensionalità|tridimensionali]], ma di tipo ''[[Geometria_differenziale#Oggetto_intrinseco|intrinseco]]''.

|immagine=Illus_dti.gif

|didascalia=Immagine ottenuta tramite tensore di diffusione

|anestesia=No

|tipo=Procedura diagnostica

}}

Il '''tensore di diffusione''' è uno strumento di [[imaging a risonanza magnetica|risonanza magnetica]] attraverso il quale si possono costruire [[imagingDiagnostica biomedicoper immagini|immagini biomediche]] ('''DTI''', [[acronimo]]sigla dell'[[lingua inglese|inglese]] per '''''Diffusion Tensor Imaging''''') anche [[tridimensionalità|tridimensionali]], ma di tipo ''[[Geometria_differenzialeGeometria differenziale#Oggetto_intrinsecoOggetto intrinseco|intrinseco]]''.

Il [[tensore]], cioè, usa il [[calcolo infinitesimale]] per definire nozioni geometriche di [[distanza (matematica)|distanza]], [[angolo]] e [[volume]] e studiare le [[curva (matematica)|curve]] di strutture anatomiche nelle quali una dimensione è di molto maggiore delle altre due (per esempio i fasci di fibre nervose della [[sostanza bianca]]).

Le molecole d'acqua in un tessuto biologico non sono libere di muoversi, a causa della presenza delle [[membrana biologica|membrane biologiche]] e delle strutture [[cellula|cellulari]]ri e [[organelli cellulari|infracellulari]], ma proprio per questo nel complesso si può osservare un'[[isotropia]] di tali movimenti: apparentemente, cioè, le molecole d'acqua non si muovono in una direzione particolare, ma lo fanno nella medesima misura in tutte e tre le direzioni.</br />Invece strutture anatomiche omogenee, come possono essere i fasci di fibre nervose, presentano un'[[anisotropia]], cioè una peculiare direzionalità che si riflette nella diffusione delle molecole d'acqua e che viene per l'appunto sfruttata per creare le immagini 3D del DTI.

== Tecnica ==

Occorrono come minimo 6 acquisizioni pesate in [[diffusione (RMN)|DWI]] per ottenere un'immagine DTI.

Questa deriva l'informazione direzionale dei tratti neurali da più dati provenienti dallo stesso voxel, servendosi di algoritmi 3D o di vettore multidimensionale basandosi su tre, sei, o più direzioni di gradiente, sufficienti per [[alcolo tensoriale|elaborare il tensore]] di diffusione. Il modello di diffusione è un modello piuttosto semplice del processo di diffusione, che assume l'omogeneità e la linearità della diffusione all'interno di ogni voxel d'immagine. Dal tensore di diffusione, tramite elaborazione si ricavano misure dell'anisotropia di diffusione come l'anisotropia frazionale (FA). Inoltre la principale direzione del tensore di diffusione può essere usato per [[Inferenza|inferire]] la connettività della materia bianca del cervello (ad.es. nella [[trattografia]] per determinare quale porzione del cervello è connessa con un'altra parte).

Recentemente, sono stati proposti modelli più avanzati del processo di diffusione, con lo scopo di superare la debolezza del [[modello matematico]] del tensore di diffusione. Tra gli altri, questi includono il "Q-Space Imaging"<ref>[http://www.ismrm.org/08/Session04.htm HARDI/Q-Space Imaging]</ref><ref>[http://cds.ismrm.org/ismrm-2002/PDF1/0042.PDF q-Space imaging correlates with mechanical strain]</ref><ref>[httphttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7869892 q-Space imaging of the brain]</ref> e l'imaging generalizzato del tensore di diffusione ("generalized diffusion tensor imaging").

== Come si descrive ==

Lo strumento matematico che descrive la distribuzione della diffusione in 3D è il ''Tensore di diffusione'', che altro non è che una matrice 3x3 simmetrica (6 parametri indipendenti).<br />

Si tratta di associare ad ogni punto dello spazio un tensore, aumentando il numero dei parametri associati ad ogni posizione. Per acquisire immagini sensibili agli effetti di diffusione occorre introdurre nella sequenza di acquisizione dei gradienti di campo magnetico ad hoc.

== Equazione di Bloch&ndash;TorreyBloch–Torrey ==

Nel 1956, H.C. Torrey dimostrò matematicamente come le [[equazioni di Bloch]] per la magnetizzazione cambino con l'aggiunta delle diffusione.<ref>{{Cita pubblicazione |doi=10.1103/PhysRev.104.563 |bibcode=1956PhRv..104..563T |titolo=Bloch Equations with Diffusion Terms |url=https://archive.org/details/sim_physical-review_1956-10-15_104_2/page/n286 |anno=1956 |cognome=Torrey |nome=H. C. |rivista=Physical Review |volume=104 |paginep=563 }}</ref> Torrey modificò la descrizione originale della magnetizzazione trasversa fatta da Bloch, in modo dida includere i termini di diffusione e l'applicazione di un gradiente spazialmente variante.<br> />

L'equazione di Bloch-Torrey (tralasciando il rilassamento) è:

:<math> \frac{dM_+}{dt}=-j \gamma \vec r \cdot \vec G M_+ + \vec \nabla^T \cdot \vec {\vec D} \cdot \vec \nabla M_+ </math>

Per il caso più semplice dove la diffusione è isotropica, il tensore di diffusione equivale a

:<math>\vec {\vec D} = D \cdot \vec {\vec I} = D \cdot \begin{bmatrix}

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0 & 0 & 1 \end{bmatrix},</math>

il che significa che l'equazione di Bloch&ndash;TorreyBloch–Torrey avrà la soluzione

:<math>M_+(\vec r,t)=M_0e^{-\frac{1}{3}D\gamma ^2G^2t^3}e^{-j\gamma \vec r \cdot \int_0^tdt' \vec G(t')}.</math>

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Questo dimostra una dipendenza cubica della magnetizzazione trasversa dal tempo. La diffusione anisotropica avrà un metodo di soluzione simile, ma con un tensore di diffusione più complesso.

=== Applicazioni ===

Le principali applicazioni sono quelle nella visualizzazione della [[sostanza bianca]], per determinare la localizzazione, orientamento, e [[anisotropia]] dei tratti e dei fasci di fibre nervose. L'architettura dei gruppi di [[Assone|assoni]] in fasci paralleli e le loro guaine di [[mielina]], facilitano la [[diffusione di materia|diffusione]] delle molecole d'acqua preferenzialmente lungo la loro principale direttrice. Questa diffusione orientata viene chiamata ''diffusione anisotropica'' (dall'inglese: ''anisotropic diffusion'').

[[File:DTI-sagittal-fibers.jpg|thumb|250px|Ricostruzione Trattografica delle connessioni neurali via DTI]]

La visualizzazione (imaging) di questa proprietà della materia bianca è una estensione della [[Risonanza magnetica nucleare|RM]] a diffusione. Se vengono applicati una serie di gradienti di diffusione (cioè variazioni del [[campo magnetico]] nel magnete della RMI) in maniera che possano fornire almeno 3 vettori direzionali (l'utilizzo di 6 diversi gradienti è il minimo indispensabile e gradienti addizionali migliorano l'accuratezza per l'informazione "diagonale"), è possibile calcolare, per ogni [[voxel]], un [[tensore]] (cioè definire una [[Matrice (matematica)|matrice]] simmetrica positiva) che descrive la forma tridimensionale della diffusione delle molecole d'acqua. La direzione delle fibre viene indicata dall'[[autovettore]] principale del tensore. Questo vettore può ricevere una codifica a falsi colori, fornendo così una cartografia della posizione e direzione dei tratti (rosso per sinistra-destra, blu per superiore-inferiore, e verde per anteriore-posteriore). La brillantezza viene pesata dall'anisotropia frazionale che è una misura scalare del grado di anisotropia in un dato voxel. La "diffusività media" (in inglese "Mean diffusivity" o MD) oppure traccia è una [[misura scalare]] della diffusione totale all'interno di un voxel. Queste misure vengono spesso usate nella clinica per localizzare lesioni della sostanza bianca che non si evidenziano in altre forme di Imaging a Risonanza Magnetica clinica.

I dati provenienti dall'imaging del tensore di diffusione possono essere usati per eseguire la [[trattografia]] all'interno della [[sostanza bianca]]. Algoritmi per il rilevamento delle fibre possono essere usati per ricostruire il tracciato di una fibra lungo la sua intera lunghezza (ad.es. il [[tratto corticospinale]], che invia gli impulsi dei neuroni motori dalla [[corteccia motoria]] fino ai [[Alfa motoneurone|motoneuroni]] delle corna anteriori del [[midollo spinale]]). La [[trattografia]] è un metodo utile per misurare i deficit nella materia bianca, come quelli dovuti alle [[malattie demielinizzanti]] ([[adrenoleucodistrofia]], [[Sclerosi laterale amiotrofica|SLA]], [[Sclerosi multipla|SM]]) oppure dall'invecchiamento. Le sue stime dell'orientamento e della forza delle fibre sono incredibilmente accurate, ed hanno ampie implicazioni potenziali nel campo della neuroscienza e neurobiologia cognitiva<ref>{{Cita libro|nome=Marco|cognome=Catani|nome2=Michel Thiebaut de|cognome2=Schotten|titolo=Atlas of Human Brain Connections|url=https://books.google.it/books?id=nROILZ9HwEgC&printsec=frontcover&hl=it&source=gbs_atb#v=onepage&q&f=false|accesso=2022-12-10|data=2012-06-14|editore=OUP Oxford|lingua=en|ISBN=978-0-19-954116-4}}</ref>.

Alcune tra le applicazioni cliniche della DTI sono nella localizzazione tratto-specifica delle lesioni della [[sostanza bianca]] come vari tipi di trauma e nello stabilire la severità del [[Traumatic brain injury#Focal vs. diffused|danno traumatico cerebrale diffuso]]. La localizzazione del [[tumore]] in rapporto ai tratti di materia bianca (infiltrazione, deflessione), è stata una delle più importanti applicazioni iniziali. Nella pianificazione di [[Neurochirurgia|interventi chirurgici]] per alcuni tipi di [[tumore al cervello]], la neurochirurgia viene aiutata dalla conoscenza della prossimità e posizione relativa del [[tratto corticospinale]] rispetto al tumore.

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La DTI ha anche applicazioni nell'investigazione del [[muscolo scheletrico]] e del [[muscolo cardiaco]]. La sensitività all'orientamento delle fibre sembra essere d'aiuto anche nell'arena della [[medicina dello sport]] dove aiuta molto l'imaging della struttura e delle lesioni ai [[muscoli]] e [[tendini]].

Una ricerca recente nello [[Barnes-Jewish Hospital]] e nella [[Washington University School of Medicine]] che studiava sia persone in salute che individui affetti da [[neurite ottica]], malati da poco tempo ma anche cronici (neurite che spesso è il sintomo d'esordio della [[sclerosi multipla]]), mostrava che la DTI può essere impiegata per misurare il progredire degli effetti di questa malattia sul [[nervo ottico]] e dunque sulla visione, perché misura la [[Diffusion MRI#Measures of anisotropy and diffusivity|diffusività assiale]] dell'acqua nell'area.

==== Alterazioni della sostanza bianca dovute all'esercizio ====

Nell'ottobre del 2009 venne pubblicata una ricerca che documentava un incremento localizzato della anisotropia frazionale in seguito all'addestramento a un complesso compito visivo-motorio (la [[giocoleria]]). Nella pubblicazione si sosteneva che si tratti della prima evidenza di cambiamenti dovuti all'esperienza nella microstruttura della [[sostanza bianca]] in esseri umani adulti sani.<ref>{{Cita pubblicazione|nome1=Jan|cognome1=Scholz|nome2=Miriam C|cognome2=Klein|nome3=Timothy E J|cognome3=Behrens|nome4=Heidi|cognome4=Johansen-Berg|titolo=Training induces changes in white-matter architecture|rivista=Nature Neuroscience|data=--|issn=1097-6256, [[1546-1726|pp=1370-1371|volume=12|numero=11|pmid=19820707|pmc=2770457|doi:=10.1038/nn.2412]].}}</ref>

== Note ==

<references />

== Voci correlate ==

* [[Imaging a risonanza magnetica]]

* [[Diffusione (RMN)]]

* [[Diffusione molecolare]]

* [[Moto browniano]]

* [[Tensore]]

* [[Calcolo tensoriale]]

* [[Geometria differenziale]]

* [[Geometria differenziale delle curve]]

==Collegamenti esterni==

* [http://www.slicer.org 3D Slicer]

* [http://www.trackvis.org Trackvis]

== Altri progetti ==

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== Collegamenti esterni ==

[[Categoria:Imaging biomedico]]

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[[Categoria:Imaging a risonanza magnetica]]

[[de:Diffusions-Tensor-Bildgebung]]

[[en:Diffusion MRI]]

[[fa:تصویربرداری پخش وزنی]]

[[fi:Diffuusiotensorikuvaus]]

[[fr:IRM de diffusion]]

[[ja:拡散テンソル画像]]

[[no:Diffusion tensor imaging]]

[[pt:MRI de difusão]]

[[ru:Диффузионная МРТ]]

[[tr:Diffusion MRI]]

[[zh:擴散磁振造影]]