Avanzamenti in neuroimaging con la PET-RM a 9,4T

2011 06 24 15 59 07 371 2011 06 24 High Field Thumb

Nota dell'editore: Questo articolo è stato originariamente pubblicato in inglese il 24 Giugno.

BERLINO - Stando alla presentazione al Simposio sulla Risonanza Magnetica a Campo Ultra-Alto, il matrimonio fra PET ed RM a campo ultra-alto offre un mondo di affascinanti possibilità in neuroimaging, incluse quelle di strumenti che consentano di analizzare meccanismi neurali complessi e di migliorare la comprensione medica dei processi sottostanti a malattie neurologiche.

Le sfide in questo campo sono enormi, ma gli scienziati del Centro di Ricerca di Jülich (Germania) -- tra i primi ad installare una piattaforma PET all'interno di un magnete da 9,4 Tesla -- hanno risolto la maggior parte delle difficoltà tecniche relative alla combinazione delle due modalità, e sono fiduciosi quanto al resto.

Le sfide

Rappresentazione di tumore cerebrale realizzata mediante fusione fra una immagine MP-RAGE T1-pesata ed una immagine PET con F-fluoro etil-tirosina (FET). Per le immagini i ringraziamenti vanno a N. Jon Shah, PhD.Rappresentazione di tumore cerebrale realizzata mediante fusione fra una immagine MP-RAGE T1-pesata ed una immagine PET con F-fluoro etil-tirosina (FET). Per le immagini i ringraziamenti vanno a N. Jon Shah, PhD.
Rappresentazione di tumore cerebrale realizzata mediante fusione fra una immagine MP-RAGE T1-pesata ed una immagine PET con F-fluoro etil-tirosina (FET). Per le immagini i ringraziamenti vanno a N. Jon Shah, PhD.

Le sfide derivano da ciascuna delle due modalità in sé, oltre che dal loro assemblaggio, ha dichiarato durante la sua presentazione N. Jon Shah, PhD, amministratore delegato del Centro di Neuroscienze e Medicina di Jülich.

Nel caso della RM a campo ultra-alto, ad esempio, vanno tenute in considerazione problematiche legate all'omogeneità del segnale, al SAR (specific absorption rate), alle maggiori difficoltà con lo shimming (omogeneizzazione del segnale) ed all'accorciamento dei segnali T2 e T2* inerente al campo RM elevato. A detta di Shah, i problemi di suscettibilità magnetica sono più accentuati, i costi di installazione sono elevati e, soprattutto, va tenuto conto della difficoltà di ottenere l'approvazione regolatoria.

"Una volta posizionata la PET all'interno della RM, una delle prime cose che vanno perdute è la sorgente radioattiva che permette di effettuare la correzione per l'attenuazione, cui in qualche modo dovrà supplire la RM, specie se l'obiettivo finale è in direzione di una PET quantitativa", ha detto. "Di conseguenza, la PET prende spazio all'interno dello scanner, ed in qualche modo ne rimane imprigionata".

Bisogna scordarsi i tubi fotomoltiplicatori della PET, ha dichiarato Shah, perché devano essere sostituiti con detettori a stato solido. E poiché l'anello del magnete di RM viene rimpicciolito dall'aggiunta della PET, ha affermato, vengono a crearsi degli spazi liberi a forma di cuneo fra i detettori. E' problematico inserire nel sistema il dispositivo per input function arteriosa e, inoltre, è necessaria la produzione dei radiotraccianti PET in loco.

"Un punto di forza della PET è di essere considerata, spesso, come il gold-standard di molte condizioni, trattandosi di una tecnica quantitativa. Ma questa è una delle prime caratteristiche che vanno perdute quando si inserisce uno scanner PET dentro un sistema RM" ed il tornare indietro è piuttosto ingarbugliato, ha aggiunto.

Naturalmente, lo scanner whole-body da 9,4T (Siemens Healthcare) offre alcuni vantaggi, compresi un rapporto segnale-rumore (SNR) accresciuto, una migliore risoluzione spettrale, nonché un effetto BOLD (blood-oxygen level-dependent) prolungato per la RM funzionale (fRM), ha affermato. Ma l'installazione di una apparecchiatura di 870 tonnellate di peso comporta un certo sforzo.

Se si vuole fare imaging funzionale del cervello, bisogna prendere in considerazione artefatti da suscettibilità magnetica molto intensi, oltre che artefatti ad alta frequenza generati da effetti d'onda, ed inoltre vanno risolte problematiche di omogeneità del campo magnetico a radiofrequenza (B1).

E' necessario un gruppo dedicato per la costruzione delle bobine e di altri componenti di hardware; il team di Jülich ha assemblato una bobina ad 8 canali per l'imaging del sodio ed una bobina a 16 canali operante sia in ricezione che in trasmissione, ha dichiarato Shah.

Le opportunità

Fortunatamente, le possibilità insite nella combinazione ibrida colpiscono molto più l'immaginazione che le sfide, o perlomeno è più divertente parlarne, ha affermato Shah.

Per prima cosa, ha detto Shah, è più facile reclutare volontari per studi di imaging quando sia la PET che la RM possono essere acquisite in una sola sessione. La RM a campo ultra-alto, in aggiunta, offre un notevole miglioramento nella risoluzione spaziale (specie per l'imaging morfologico), un maggiore contrasto funzionale BOLD, una migliore qualità d'immagine e la possibilità di effettuare studi di imaging e di spettroscopia di elementi diversi dall'idrogeno.

"Ritengo che queste siano opportunità straordinarie per la RM a 9,4T", ha dichiarato. Il miglioramento del contrasto non varia linearmente con l'incremento del campo magnetico, ma va ben oltre, ha detto. E la risoluzione d'immagine viene accresciuta di 2,5 volte rispetto ad un magnete da 1,5T".

Per la PET, la RM fornisce la correzione parziale del volume e le correzioni per l'attenuazione e per il movimento attraverso tecniche di navigator echo, ha detto Shah.

"Sarà molto facile coregistrare in automatico le superbe immagini morfologiche della RM con le immagini PET" ha dichiarato. "Non è difficile immaginare di implementare il navigator echo in ogni sequenza RM, e di effettuare con i dati ottenuti la correzione per il movimento della simultanea misurazione PET. Alcuni miei colleghi ritengono che le tecniche di navigator echo non avranno la stessa accuratezza dei sistemi ottici di rilevazione del movimento, ma scommetto che le cose andranno diversamente." Uno studio in via di pubblicazione infatti, dimostrerà che il navigator echo è superiore alle tecniche ottiche, ha affermato.

"La vera opportunità di avere a disposizione una PET-RM ibrida a 9,4T è che si può cominciare a fare imaging metabolico in maniera molto seria" ha detto Shah. "Il tracciante da usare in PET sarà il FDG".

Durante il tempo di misurazione, può essere somministrato al paziente ossigeno-17 da respirare, può essere effettuata la spettroscopia RM al sodio-31 per valutare il metabolismo dell'ATP (adenosina trifosfato) e, infine, può essere combinato l'intero pacchetto di soluzioni di imaging con le scansioni morfologiche convenzionali al fine di determinare esattamente dove siano localizzate nel cervello le informazioni rilevanti, ha detto Shah. Questi "strumenti" sono tutto quello che serve per ottenere uno studio approfondito del metabolismo cerebrale, ha concluso.

I nuovi strumenti, ha detto, implicano la possibilità di esplorare più approfonditi paradigmi di funzionalità cerebrale. Il processo è reso difficile dalle differenti scale temporali, ossia dal fatto che la PET dura più della RM. E' necessario che i ricercatori pensino a tutte le possibilità di imaging inerenti ai sistemi per stabilire cosa cercare, ha detto Shah.

Una combinazione forte

La RM ha grande risoluzione spaziale e temporale, ma tende alla bassa specificità, e non è il gold standard per l'imaging molecolare -- due motivi per cui l'aggiunta della PET può essere utile. "La sua specificità, basata sul fatto che si può scegliere il tracciante da usare, è eccellente", ha detto Shah.

A livello molecolare, la neurotrasmissione è mediata da neurotrasmettitori o recettori oppure è modulata da farmaci -- dominio della PET, ha detto Shah. Al contrario, la RM lavora a livello di sistema, poiché rappresenta funzioni neurali complesse e consente la localizzazione e l'analisi di meccanismi neurali complessi con la fRM.

"Una delle grandi opportunità con la RM ad alto-campo ... è la ricchezza del contrasto, che avrà un impatto enorme su quello che si può fare", ha detto. Non ci sarà bisogno di fare phase imaging -- si potranno semplicemente guardare le immagini di magnitudine".

Non c'è confronto fra le immagini dei nuclei della base ottenute a 3,0T (sopra) e 9,4T (sotto), in termini sia di nitidezza e definizione che di contrasto.Non c'è confronto fra le immagini dei nuclei della base ottenute a 3,0T (sopra) e 9,4T (sotto), in termini sia di nitidezza e definizione che di contrasto.
Non c'è confronto fra le immagini dei nuclei della base ottenute a 3,0T (sopra) e 9,4T (sotto), in termini sia di nitidezza e definizione che di contrasto.
Una immagine dei nuclei della base a 9,4T

Se si acquisiscono le immagini con un rapporto segnale-rumore molto alto, è possibile ottenere informazioni più specifiche grazie ad operazioni di filtro selettivo.

Con l'eccitazione selettiva (RM "zoommata") l'eccitazione a radiofrequenza di una regione di interesse è in grado di determinare una rappresentazione ad elevata risoluzione spaziale di zone precise del cervello, ad esempio l'ippocampo, nel caso non sia necessario acquistare l'intero volume.

Nello studio di una neoplasia cerebrale, la scansione ibrida con F-fluoro etil-tirosina e RM a campo ultra-elevato consente non solo di delineare con precisione la lesione, ma mostra il coinvolgimento delle regioni cerebrali circostanti, ha affermato Shah.

Le immagine RM acquisite durante PET

Con il neuroimaging a RM a campo ultra-alto e PET "si ottiene un movimento di positroni attorno al campo magnetico, destinato a circoscriversi in due direzioni, cosa che dovrebbe consentirci di migliorare moltissimo e senza sforzo la risoluzione della PET".

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