Arterial Spin Labeling methods for quantitative brain perfusion mapping

Il flusso sanguigno cerebrale rappresenta uno dei piu' importanti parametri fisiologici, questo infatti riveste un ruolo cruciale per l'adeguato mantenimento dei normali livelli metabolici sia negli animali che nell'uomo e informa sull'omeostasi del cervello. Inoltre, essendo strettamente connesso con il metabolismo del glucosio, può essere considerato un marker essenziale per valutare i complessi meccanismi del cervello sia in condizioni normali che patologiche. Le innovazioni che ci sono state negli ultimi decenni nel campo della Risonanza Magnetica hanno permesso lo sviluppo di nuove metodiche di imaging per misurare in vivo la perfusione cerebrale senza ricorrere all'uso di radiazioni ionizzanti, come nel caso della Tomografia Assiale Computerizzata (TAC) o la Tomografia ad Emissioni di Positroni (PET). In particolare, tra queste nuove metodiche ricordiamo la tecnica denominata Arterial Spin Labeling (ASL): questa è stata creata per misurare in maniera non invasiva i parametri di perfusione usando le molecole di acqua contenute nel sangue, opportunamente marcate, come tracciante endogeno. Di conseguenza, tutti i potenziali rischi connessi all'uso di traccianti iniettati vengono eliminati con questa metodica, la quale permette di studiare longitudinalmente nel tempo i pazienti, anche ad intervalli ravvicinati, per poter monitore la progressione della malattia e al tempo stesso può essere facilmente applicata nei soggetti sani grazie alla sua non invasività per studiare i diversi meccanismi fisiologici. Lo sviluppo delle sequenze ASL è al momento attuale un campo in continua evoluzione e le applicazioni di questa tecnica sia nel campo clinico che delle neuroscienze stanno costantemente crescendo. Lo scopo di questa tesi è legato principalmente allo sviluppo e la valutazione della tecnica ASL sia per studiare le funzioni cerebrali in relazione a diversi tipi di task che per mappare in maniera quantitativa la perfusione in condizioni di riposo. Diversi aspetti di questa metodica, dall'acquisizione fino alle analisi di post-processing, saranno presi in considerazione in questa tesi così come alcune possibili soluzioni per risolvere alcuni dei principali problemi ancora aperti in questo campo. Nel Capitolo I, il contesto generale viene introdotto. In particolare, vengono brevemente introdotte le principali metodiche di imaging per lo studio della perfusione cerebrale, focalizzandosi nel dettaglio sui principi fisici della tecnica ASL. Nell'ultima parte del capitolo, i diversi modelli per la quantificazione del dato ASL sono descritti assieme alla pipeline generalmente adotta per l'analisi. I successivi due capitoli introducono alcune delle principali limitazioni che si incontrano quando le sequenze ASL vengono implementate nei diversi magneti di risonanza. Questa tecnica è infatti particolarmente complessa per quanto riguarda la parte di acquisizione e di settaggio dei vari parametri. Di consequenza, alcuni step preliminari sono stati fatti sulle sequenze ASL commerciali (in due diversi scanners) per migliorare la qualità dei dati e avere delle stime di perfusione piu' affidabili (Capitolo II). Un nuovo framework generale per minimizzare gli artefatti che si osservano quando il dato ASL viene acquisito con un readout volumetrico (3D) è invece introdotto nel Capitolo III . Questo in particolare rappresenta un approccio innovativo e piu' completo rispetto alle soluzioni generalmente adottate per risolvere questo problema, in quanto combina sia la parte di acquisizione, con una nuova strategia per acquisire i dati ASL in 3D, che la successiva parte di analisi, con uno specifico algoritmo per ridurre questi artefatti che possono seriamente corrompere i risultati finali. Nel Capitolo IV le potenzialità della tecnica ASL per studi di imaging funzionale sono valutate usando diversi tipi di task motori e confrontando i risultati con quelli ottenuti dalla tecnica di imaging funzionale denominata BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), che è largamente considerata il gold-standard per questo tipo di studi. In particolare, i risultati delle due tecniche sono confrontati in termini di attivazione, localizzazione, sensibilità e accuratezza spaziale. Il protocollo di attivazione motorio include movimenti attivi e passivi della mano, allo scopo di valutare dal punto di vista fisiologico le differenze emodinamiche indotte dai due task, pensando a possibili applicazioni cliniche del movimento passivo in pazienti. Il Capitolo V introduce due problemi fondamentali che devono essere risolti per poter applicare con sicurezza le sequenze ASL nel contesto clinico, specialmente quando singoli pazienti devono essere valutati. Nella prima parte, un nuovo approccio per valutare l'affidabilità delle stime di perfusione è introdotto, derivando in questo modo informazioni complementari che possono aiutare per una piu' precisa interpretazione dei risultati. Nella seconda parte, un criterio automatico per identificare a livello individuale le aree di alterata perfusione (ad esempio incremento o decremento del flusso) è descritto. Questo metodo in particolare verrà largamente utilizzato nel capitolo successivo. Nel Capitolo VI il disegno sperimentale e l'applicazione clinica in pazienti epilettici è descritta. Il capitolo si focalizza sulla valutazione dei risultati ASL in relazione a quelli derivanti da altre tecniche di imaging largamente adottate nel campo dell'epilessia, come la PET o la localizzazione della sorgente. Lo scopo principale è quello di applicare un approccio multimodale che combina diverse tecniche non invasive per la valutazione prechirurgica di pazienti con epilessia farmaco-resistente. Due studi successivi vengono descritti. Nel primo studio, l'obiettivo principale è legato alla valutazione delle potenzialità dell'ASL per identificare cambiamenti di perfusioni legati al focus epilettico in confronto ai risultati dati dalla PET, la quale ha dimostrato di avere un'alta specificità e sensibilità per la localizzazione del focus. Nel secondo studio, analisi ASL a livello individuale con il metodo precedentemente descritto nel capitolo V vengono introdotte. In entrambi gli studi, i dati elettrofisiologici e la localizzazione della sorgente vengono usati come correlati e riferimenti per valutare criticamente i risultati ASL. In un sottogruppo di pazienti, le informazioni derivanti dall'operazione chirurgica sono state ulteriormente utilizzate per validare le potenzialità della tecnica ASL in questo tipo di patologia. La combinazione multimodale di diverse tecniche e dei loro rispettivi metodi di analisi rappresenta uno strumento essenziale nel contesto prechirurgico di questa patologia, in grado di fornire informazioni complementari per un quadro piu' completo e una localizzazione piu' precisa del focus epilettico. Nel contesto dell'epilessia, la tecnica ASL rappresenta uno strumento innovativo, scarsamente utilizzato ma che potrebbe assumere un ruolo sempre piu' importante per la valutazione delle epilessie farmaco-resistenti.

Cerebral blood flow (CBF) is one of the most important physiological parameters, in particular it is crucial for proper maintenance of normal metabolic rates in animals and humans and informs on the homeostastis of the brain. CBF, which is tightly coupled to glucose metabolism, is also a well-established correlate of brain function and therefore an essential marker for evaluating the complex brain mechanisms at both normal and diseased states. The scientific and technological revolution of Magnetic Resonance Imaging (MRI) in the last decades allowed the development of new imaging techniques for the in vivo measurement of brain perfusion without using ionizing radiation, unlike techniques as Computed Tomography (CT) or Positron Emission Tomography (PET). Among these different MRI sequences, Arterial Spin Labeling (ASL) was created for non-invasively measuring the perfusion parameters by using magnetically labeled arterial blood water as an endogenous tracer. Therefore, this method eliminates all the potential risks connected to external contrast agents, allowing repeated and longitudinal studies in patients for monitoring the disease progression as well as easily studying the physiological brain mechanisms in healthy subjects thanks to its non invasiveness. The development of ASL techniques is currently an active research area and applications of ASL both in clinics and neuroscience are steadily growing. The main focus of this thesis is on the development and evaluation of ASL methods ultimately with applications for functional brain imaging and quantitative mapping in resting-state conditions. Different aspects of ASL sequences, from acquisition to post-processing analysis, will be assessed in the context of this thesis as well as possible solutions for solving some open problems in this field. In Chapter I, the general context of our studies is introduced. In particular, it presents a brief introduction to perfusion imaging techniques and basic physical principles of the main ASL sequences. In the last part of the chapter, different models for perfusion quantification from ASL data are described along with the general pipeline employed for ASL data analysis. The next two chapters are devoted to introduce some of the main limitations encountered when ASL sequences are implemented and acquired in the MRI scanners. Indeed, a series of preliminary steps were performed on the product ASL sequences available in two different MRI scanners in order to increase the data quality and obtain more reliable perfusion estimates (Chapter II). An improved framework for minimising severe artefacts shown by the use of ASL with a 3D readout module is then introduced in Chapter III. This is a more complete approach which combines both the acquisition phase, involving the use of a new strategy for acquiring 3D ASL data, and post-processing analysis phase, with an ad-hoc algorithm for further reducing these artefacts which can seriously compromise the final results. In Chapter IV the ASL suitability for functional imaging studies is investigated by using different types of motor tasks and comparing the results to those obtained with the Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) functional MRI technique, which is still considered to be the gold-standard in this type of studies. In particular, the results from two techniques will be compared in terms of activation, localisation, sensitivity and spatial accuracy. The motor protocol includes active and passive hand movements, in order to evaluate from a more physiological point of view the different haemodynamic changes induced by these tasks. Chapter V introduces two main questions that need to be addressed in order to confidently apply ASL sequence in clinical settings, especially when single patients have to be evaluated. Therefore, patient-specific analyses are described. In the first part, a novel approach for assessing the reliability of perfusion estimates is proposed, in order to provide complementary information that can help for a more precise interpretation of the results. In the second part, an automatic criterion for identifying on single patients areas of altered (increased/decreased) perfusion is introduced. This approach in particular will be extensively used in the following chapter. In Chapter VI, the experimental design and clinical applications on a group of patients are described. In particular, the chapter focuses on the evaluation of ASL results in comparison to those derived from other techniques as electrical source localization and PET in a group of twelve epileptic patients. The scope is to apply a multimodal approach combining noninvasive techniques of acquisition and analysis for the presurgical evaluation of drug-resistant epilepsy. Two subsequent ASL studies are described. In the first study, the main focus was on the assessment of the ASL suitability for detecting perfusion changes correlated to the epileptic focus in comparison to the results given by PET, which has shown during the last decades to have a high sensitivity and specificity in localising the focus in epileptic patients. In the second study, we sought to perform the ASL analysis at patient level and automatically identify the altered areas that might be connected to the focus by using the proposed approach introduced in Chapter V. In both cases, electrophysiological data and electrical source imaging were used as correlates and references for critically evaluating the ASL findings. In a subgroup of patients, the post-operative MRI scans and the clinical outcome information were also available and used as ground truth for assessing ASL and source imaging pre-operative results. The combination of multimodal techniques and their respectively methods of analysis are useful tools in the presurgical workup of epilepsy providing different methods of localization of the same epileptic foci and complementary information for a more complete picture of the disease. Furthermore, ASL represents a novel tool to the study of epilepsy and may play an increasingly important role in the evaluation of patients with refractory focal epilepsy.