Applicazioni cliniche in neuroradiologia

Un vantaggio della risonanza magnetica ad altissimo campo (7T) è un’immagine ad alta risoluzione, grazie all’aumento del rapporto segnale/rumore. Questo è particolarmente interessante per la risonanza magnetica funzionale e la spettroscopia. Nell’applicazione clinica, tuttavia, la risonanza magnetica a 7T è ancora un’eccezione e la prova dell’efficacia è stata finora limitata a singole patologie.

Dall’introduzione della risonanza magnetica nei primi anni ’80, questa tecnologia è diventata estremamente importante, soprattutto nella diagnosi del sistema nervoso centrale (SNC), nella ricerca neuroscientifica e nell’applicazione clinica delle malattie neurologiche. Poiché la risoluzione delle strutture tissutali dipende fortemente dal segnale che può essere ricevuto e questo, a sua volta, dipende dall’intensità del campo, nel corso degli anni sono state sviluppate intensità di campo sempre più elevate da utilizzare sugli esseri umani. Oggi, il sistema da 3 Tesla (T) è lo standard di riferimento nella routine clinica, sebbene anche i nuovi tomografi MR da 1,5 T continuino ad avere il loro posto grazie agli ulteriori sviluppi nelle bobine e nelle sequenze. Con intensità di campo più elevate, come la 7T, si possono ottenere ulteriori miglioramenti nel rapporto segnale-rumore (SNR) e quindi nella risoluzione dell’immagine. Inoltre, è possibile generare nuovi contrasti tissutali. D’altra parte, un’intensità di campo più elevata aumenta anche i problemi di artefatti, in particolare il dephasing e il ghosting. Questo articolo fornisce una panoramica dello stato attuale dell’imaging RM 7T dal punto di vista del potenziale uso clinico, valutando i vantaggi rispetto ai limiti.

Vantaggi e sfide

Nel frattempo, alcune risonanze magnetiche 7T sono disponibili per la ricerca ma anche per le applicazioni cliniche. Le previsioni erano che l’SNR più elevato avrebbe permesso di rappresentare anche strutture anatomiche molto piccole, nonché esami funzionali e metabolici e quindi anche ulteriori analisi, in particolare nei modelli di malattie neurologiche, con una precisione mai raggiunta prima. Alcune condizioni neurologiche in cui ci si aspettava un guadagno di informazioni erano l’epilessia, i tumori cerebrali, la sclerosi multipla e la malattia di Alzheimer. Tuttavia, anche l’intensità di campo più elevata, dovuta ai nuovi contrasti e all’aumento degli artefatti, rappresenta una sfida, per cui è stato necessario sviluppare ulteriormente l’hardware e il software. Lo sviluppo di nuove tecnologie per le bobine, in particolare, ha portato progressi qui [12].

All’inizio, non era chiaro se le intensità di campo più elevate (oltre alle limitazioni di imaging) potessero anche portare a un aumento delle reazioni fisiologiche nei soggetti del test. Nel frattempo, in alcuni studi è stato dimostrato che, a parte un temporaneo aumento della sensazione di vertigine al momento dell’ingresso nel magnete, non si è verificato alcun aumento delle sensazioni o degli effetti collaterali [22]. Quindi, in linea di principio, non c’è da aspettarsi alcuna restrizione nell’uso delle risonanze magnetiche a 7T da questo aspetto. Tuttavia, ci sono ancora costi di esame elevati e tempi di esame un po’ più lunghi rispetto agli altri dispositivi.

Malattie neurologiche con possibili benefici a 7T

Le regioni cerebrali vicine alle strutture ossee piene d’aria della base cranica sono impegnative a causa dell’aumento degli artefatti da dephasing, soprattutto a 7T. Tuttavia, questa regione, compreso l’ippocampo, rappresenta una struttura importante per chiarire, tra l’altro, epilessie precedentemente criptogenetiche. Le sequenze ottimizzate pesate con protoni (PD), T2 e T2*, nonché T1 MPRAGE con risoluzione isotropica di 0,5 mm sono state in grado di superare queste limitazioni dovute all’aumento degli artefatti e hanno permesso di ottenere immagini ad altissima risoluzione in vivo con tempi di misurazione ragionevoli [21]. Ciò ha reso possibili rappresentazioni anatomiche esatte e individuali in vivo, con una migliore rilevabilità di patologie molto piccole nell’epilessia o persino nella demenza di Alzheimer, che in precedenza erano impossibili da rappresentare fino a 3T [4]. Anche in altre regioni cerebrali, la risoluzione “in-plane” significativamente aumentata grazie all’SNR più elevato può contribuire a migliorare le immagini delle patologie corticali. In singoli casi, questo può portare a un cambiamento nel concetto di terapia quando un’epilessia precedentemente “criptogenetica” diventa un’epilessia con un focus rilevabile [25].

In alcune malattie degenerative è stato ottenuto anche un miglioramento dell’imaging di alcune proprietà tipiche dei tessuti (ad esempio, l’imaging del ferro) a 7T. Questo ha ora un posto nell’analisi di imaging multimodale nella malattia di Alzheimer, nel morbo di Parkinson e nella sclerosi multipla. Ad esempio, nella malattia di Parkinson si riscontra un aumento dei depositi di ferro in alcune strutture cerebrali (gangli basali) e questi sono associati alla progressiva progressione della malattia, all’atrofia ottica e cerebellare, alla distonia e alla spasticità. Nella malattia di Parkinson, negli ultimi anni è stato utilizzato l’imaging pesato con suscettibilità (SWI) a 7T e sono stati descritti cambiamenti nella sottostruttura della sostanza nigra. C’è stato un aumento della suscettibilità della pars compacta rispetto ai controlli. Tuttavia, ci sono differenze non solo nel contenuto di ferro, ma anche nella rappresentazione della sottostruttura, come il nigrosoma 1 [2]. Sebbene alcuni cambiamenti possano essere visualizzati a 3T anche con sequenze e hardware ottimizzati [3], la risoluzione a 7T rimane vantaggiosa per domande particolari. La differenziazione di diversi decorsi e sottogruppi di malattie, nonché di malattie prodromiche (compresi i disturbi del sonno) può essere effettuata in modo più affidabile con la 7T rispetto alla 3T [5]. La diminuzione dei depositi di ferro può essere rilevata anche in altre malattie a 7T, ad esempio nella sindrome delle gambe senza riposo nel talamo e nel nucleo dentato, per cui questa malattia mostra apparentemente delle somiglianze con il movimento periodico del tronco, che non era noto in precedenza in questo modo [13].

Per un’altra malattia degenerativa, il morbo di Alzheimer, è stato dimostrato un miglioramento dell’imaging di sottostrutture come le placche corticali. Inoltre, la migliore risoluzione dell’ippocampo, menzionata in precedenza, ha rappresentato un vantaggio nell’assegnazione della diagnosi. Quasi tutte le sottounità dell’ippocampo e della corteccia entorinale mostrano una riduzione di volume sulle immagini ad alta risoluzione a 7T, anche rispetto ai pazienti con “Mild Cognitive Impairment” (MCI) [27].

Al giorno d’oggi, la diagnostica avanzata nella risonanza magnetica non si limita alle immagini puramente strutturali, ma spesso include anche sequenze metaboliche e funzionali. Una sequenza che trae grande vantaggio dall’intensità di campo ultraelevata è la spettroscopia MR. Le applicazioni cliniche sono, oltre alla differenziazione nei tumori cerebrali o nelle malattie metaboliche tradizionalmente già ben consolidate a 3T, nell’applicazione a 7T per il rilevamento anche di cambiamenti nei metaboliti più sottili, ad esempio nella sclerosi laterale amiotrofica. Soprattutto per i metaboliti piccoli e meno stabili, la risonanza magnetica a 7T è chiaramente vantaggiosa [19], questo vale anche per l’imaging nei gruppi di pazienti con malattie metaboliche, dove anche i metaboliti meno evidenti possono essere rilevati in modo affidabile.

La risonanza magnetica è oggi il gold standard per la diagnosi della sclerosi multipla (SM). Tuttavia, i pazienti con la cosiddetta “sindrome clinicamente isolata” (CIS), con una correlazione mancante a 1,5 e 3T, vengono trovati sempre più spesso. L’ulteriore aumento del SNR a 7T significa anche che è possibile rilevare lesioni molto piccole in questa malattia, ad esempio anche a livello intracorticale [8,11]. Inoltre, per la prima volta è stato possibile visualizzare la struttura tipica delle lesioni della SM a livello cerebrale con una risoluzione quasi istologica in vivo (Fig. 1) e si è potuta ottenere una differenziazione tra SM e neuromielite optica [18]. L’ulteriore sviluppo dell’imaging a contrasto di fase ha anche migliorato la differenziazione delle lesioni acute e croniche, e sono state create tecniche quantitative (ad esempio la mappatura R2*) o nuove sequenze come la sequenza a doppio recupero di inversione (DIR) [9]. In un periodo in cui si discute se l’agente di contrasto per la risonanza magnetica possa davvero continuare ad essere classificato come sicuro, tale alternativa potrebbe diventare di maggiore importanza negli studi di follow-up. Nel gruppo di pazienti con CIS, un protocollo ottimizzato a 7T che include anche mappature SWI può rilevare un deposito di ferro già sottilmente aumentato, oltre a piccole rappresentazioni di placche.

Patologie vascolari e imaging ad alta risoluzione

Grazie alla maggiore risoluzione e anche alla maggiore sensibilità agli artefatti, una sequenza in particolare è vantaggiosa per la visualizzazione di depositi di emosiderina anche molto piccoli, ovvero la SWI a 7T [20] (Fig.2). Oltre alla questione delle microemorragie nelle malattie vascolari, anche l’imaging ad alta risoluzione nelle sequenze T2 e FLAIR può essere utile, ad esempio per rilevare i microinfarti, che possono verificarsi nelle emorragie intracerebrali e sembrano essere più comuni di quanto si pensasse in precedenza, dato che spesso non venivano visti fino a 3T. [24].

Inoltre, anche l’imaging dei vasi intracerebrali beneficia dell’alta risoluzione a 7T, con una precisione mai raggiunta prima. In questo modo, anche le arterie lenticulostriate possono essere visualizzate molto bene. Un’osservazione interessante è stata che queste arterie differiscono in modo significativo nei pazienti ipertesi rispetto ai soggetti di controllo – un’osservazione che non era possibile in precedenza e che può contribuire alla comprensione dello sviluppo delle lesioni microangiopatiche [10]. Nel frattempo, è diventato anche possibile immaginare le pareti dei vasi intracranici in alta risoluzione [26]. Sono stati interessanti anche i nuovi contrasti, come la possibilità di generare immagini vascolari intracraniche con MPRAGE (Magnetization-Prepared Rapid Gradient-Echo) invece di MRA a tempo di volo (TOF MRA) senza mezzo di contrasto [15]. Una possibile applicazione clinica della MRA TOF ottimizzata è la visualizzazione affidabile degli aneurismi intracranici anche al di sotto dei 3 mm. In questo caso (con l’ulteriore diffusione delle risonanze magnetiche a 7T) il vantaggio sarebbe quello di diagnosticare in modo affidabile e sicuro i pazienti anche senza angiografia invasiva [17].

La migliore visualizzazione delle microemorragie con una maggiore sensibilità nella SWI a 7T non è solo utile nella ricerca delle angiopatie amiloidi. Anche l’aumento della vascolarizzazione del tumore, le micro-metastasi nei melanomi e i piccoli danni assonali dopo un trauma o le micro-emorragie a seguito di radiazioni possono essere rappresentati con una maggiore sensibilità [1,16]. L’imaging dei cavernomi può essere utile in questo caso sia per l’individuazione di cavernomi aggiuntivi molto piccoli (ad esempio, nel caso di una “anomalia venosa dello sviluppo” scoperta accidentalmente [DVA]), ma anche per una migliore risoluzione delle strutture interne di un cavernoma.

Risonanza magnetica funzionale clinica (fMRI)

La fMRI a 3T è attualmente lo standard negli studi sperimentali, ma sempre più anche nelle applicazioni cliniche. Grazie all’SNR già più elevato rispetto a 1,5 T, questo metodo è un ottimo modo per migliorare il segnale altrimenti molto basso nella fMRI e quindi per ottenere risultati più validi con artefatti di suscettibilità accettabili. Tuttavia, il limite dell’applicazione clinica rimane il segnale ancora basso e il requisito di ottenere risultati affidabili a livello di singolo soggetto (il singolo paziente). Questo problema può essere almeno parzialmente superato da intensità di campo ancora più elevate (anche se con lo svantaggio di una maggiore suscettibilità agli artefatti). Dopo che gli studi iniziali sono stati in grado di dimostrare i vantaggi della RMN a 7T nell’applicazione al cervello intero [6], sono state raggiunte ulteriori ottimizzazioni con le quali anche la misurazione del design a blocchi, altrimenti usuale, poteva essere sostituita da una misurazione a “evento singolo”. Sono seguiti ulteriori studi, che sono stati in grado di confermare ed espandere ulteriormente i vantaggi della risonanza magnetica a 7T, soprattutto nell’applicazione clinica.

In particolare, sono state sviluppate tecniche in grado di ridurre gli artefatti nell’imaging ad altissimo campo, che sono particolarmente enfatizzati nell’imaging ecoplanare [14]. Il campo ultraelevato consente anche una mappatura a risoluzione molto più elevata delle regioni motorie, che può avere dei vantaggi nella valutazione prechirurgica. Inoltre, le strutture cerebrali profonde che erano più difficili da immaginare nell’attivazione a intensità di campo inferiori potevano essere attivate in modo affidabile a 7T: ad esempio, il nucleo dentato in un compito di generazione di verbi [23]. Questo campo di applicazione comprende anche l’ottimizzazione della rappresentazione della funzione e della sottostruttura del tronco encefalico. Molte unità funzionali centrali che giocano un ruolo importante nei disturbi del dolore, ad esempio, sono densamente stipate qui. Con un SNR più elevato, è ora possibile rendere visibili anche queste sottostrutture [7] (Fig. 3). Tuttavia, l’effettivo beneficio clinico deve ancora essere dimostrato nel prossimo futuro.

Pertanto, oltre ai chiari vantaggi della risonanza magnetica ad altissimo campo, soprattutto nelle applicazioni funzionali nelle scienze cognitive, anche le applicazioni cliniche beneficiano della maggiore intensità di campo. Grazie alla suddetta possibilità di effettuare anche misurazioni “a evento singolo”, le misurazioni fMRI sono possibili prima della chirurgia anche in pazienti che sono già parzialmente limitati nella funzione da esaminare (funzione motoria o linguaggio) (Fig. 4). Una singola misurazione è solitamente ancora fattibile, ma diverse misurazioni “on-off” sono spesso eccessive.

Conclusione

Nel complesso, la risonanza magnetica a 7T è ancora l’eccezione nell’uso clinico. Anche se molte limitazioni dovute agli artefatti e alle impressioni alterate dell’immagine sono state migliorate dai nuovi sviluppi, il beneficio clinico è stato finora dimostrato in modo affidabile solo per poche malattie e anche in quel caso per lo più limitato ad alcuni sottogruppi (certamente anche a causa dei costi ancora elevati e quindi della scarsa diffusione delle risonanze magnetiche a 7T). In questi gruppi selezionati, tuttavia, le nuove informazioni provenienti dalle registrazioni 7T potrebbero portare a cambiamenti nei concetti terapeutici. Più comune, tuttavia, è il beneficio in alcune malattie del sistema nervoso centrale, grazie a nuove conoscenze in vivo dei meccanismi patologici sottostanti.

Messaggi da portare a casa

La risonanza magnetica (RM) è uno dei metodi più importanti nella diagnosi e nella terapia di molte malattie. Lo standard clinico elevato oggi è un’intensità di campo di 3 Tesla (T).
La risonanza magnetica ad altissimo campo (per lo più 7T) offre già prospettive cliniche, come illustrato in questo articolo, ma attualmente presenta ancora alcuni problemi e limiti.
Grazie all’aumento significativo del rapporto segnale/rumore (SNR), diventano evidenti i vantaggi dell’imaging ad alta risoluzione, quasi istologico, di alcune strutture e patologie cerebrali.
Ne beneficiano in particolare la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e gli esami metabolici (spettroscopia MR).

Letteratura:

Bian W, et al: Imaging RM pesato con suscettibilità delle microemorragie cerebrali indotte dalla radioterapia nei pazienti con glioma: un confronto tra 3T e 7T. Neuroradiologia 2014; 56(2): 91-96.
Blazejewska AI, et al: Visualizzazione del nigrosoma 1 e della sua perdita nella PD: correlazione patoanatomica e risonanza magnetica in vivo a 7T. Neurologia 2013; 81(6): 534-540.
De Marzi R, et al: Perdita dell’iperintensità nigrale dorsolaterale sull’imaging pesato con suscettibilità a 3.0 tesla nel disturbo comportamentale del sonno con movimento oculare rapido idiopatico. Ann Neurol 2016; 79(6): 1026-1030.
Derix J, et al.: Visualizzazione del confine amigdalo-ippocampale e della sua variabilità strutturale mediante risonanza magnetica a 7T e 3T. Hum Brain Mapp 2014; 35(9): 4316-4129.
Frosini D, et al: Risonanza magnetica a sette tesla della substantia nigra in pazienti con disturbo comportamentale del sonno da movimento rapido degli occhi. Parkinsonism Relat Disord 2017; 43: 105-109.
Gizewski ER, et al.: fMRI a 7T: copertura del cervello intero e vantaggi del segnale anche infratentoriale? Neuroimage 2007; 37(3): 761-768.
Gizewski ER, et al.: Anatomia ad alta risoluzione del tronco cerebrale umano con la risonanza magnetica a 7-T: miglioramento del rilevamento delle strutture interne e dei nervi? Neuroradiologia 2014; 56(3): 177-186.
Harrison DM, et al: Lesioni talamiche nella sclerosi multipla mediante risonanza magnetica a 7T: implicazioni cliniche e relazione con la patologia corticale. Mult Scler 2015; 21(9):1139-1150.
Inglese M, et al: Applicazioni cliniche della risonanza magnetica ad altissimo campo nella sclerosi multipla. Expert Rev Neurother 2018; 18(3): 221-230.
Kang CK, et al: L’ipertensione si correla con le arterie lenticulostriate visualizzate con l’angiografia a risonanza magnetica a 7T. Ipertensione 2009; 54(5): 1050-1056.
Kollia K, et al: Primo studio clinico sulla risonanza magnetica ad altissimo campo nei pazienti con sclerosi multipla: confronto tra 1,5T e 7T. AJNR Am J Neuroradiol 2009; 30(4): 699-702.
Kraff O, Quick HH: 7T: fisica, sicurezza e potenziali applicazioni cliniche. J Magn Reson Imaging 2017; 46(6): 1573-1589.
Li X, et al.: Carenza di ferro cerebrale nella sindrome idiopatica delle gambe senza riposo, misurata mediante la suscettibilità magnetica quantitativa a 7Tesla. Sleep Med 2016; 22: 75-82.
Lima Cardoso P, et al: La rilevanza clinica della correzione della distorsione nella fMRI pre-chirurgica a 7T. Neuroimage 2018; 168: 490-498.
Maderwald S, et al: TOF o non TOF: strategie per la MRA intracranica non contrastata a 7T. MAGMA 2008; 21(1-2): 159-167.
Moenninghoff C, et al: Lesione assonale diffusa alla risonanza magnetica ad altissimo campo. PLoS One 2015; 10(3): e0122329.
Monninghoff C, et al: Valutazione degli aneurismi intracranici con angiografia RM a tempo di volo a 7T rispetto a 1,5 T – esperienza iniziale. Rofo 2009; 181(1): 16-23.
Sinnecker T, et al: Cambiamenti di fase della risonanza magnetica nelle lesioni della sclerosi multipla e della neuromielite optica a 7T. Neurol Neuroimmunol Neuroinflamm 2016; 3(4): e259.
Terpstra M, et al: Riproducibilità test-retest dei profili neurochimici con la spettroscopia MR ad eco breve e a singolovoxel a 3T e 7T. Magn Reson Med 2016; 76(4): 1083-1091.
Theysohn JM, et al: Risonanza magnetica a 7Tesla di microemorragie e lesioni della sostanza bianca come si vedono nella demenza vascolare. J Magn Reson Imaging 2011; 33(4): 782-791.
Theysohn JM, et al: L’ippocampo umano a 7T – risonanza magnetica in vivo. Hippocampus 2009; 19(1): 1-7.
Theysohn JM, et al: Accettazione soggettiva della risonanza magnetica a 7Tesla per l’imaging umano. MAGMA 2008; 21(1-2): 63-72.
Thurling M, et al.: Attivazione del nucleo dentato in un compito di generazione di verbi: uno studio di risonanza magnetica a 7T. Neuroimage 2011; 57(3): 1184-1191.
van Veluw SJ, et al: Microinfarti corticali alla risonanza magnetica a 7T in pazienti con emorragia intracerebrale spontanea. J Cereb Blood Flow Metab 2014; 34(7): 1104-1106.
Veersema TJ, et al: La risonanza magnetica a sette tesla migliora il rilevamento della displasia corticale focale nei pazienti con epilessia focale refrattaria. Epilepsia Open 2017; 2(2): 162-171.
Viessmann O, et al: Imaging della parete dei vasi intracranici ponderato in T2 a 7Tesla utilizzando una lettura turbo spin eco ad angolo di flip variabile preparata da DANTE (DANTE-SPACE). Magn Reson Med 2017; 77(2): 655-663.
Wisse LE, et al: Studio sul deterioramento cognitivo vascolare di Utrecht. Volumi del sottocampo ippocampale a 7T nella malattia di Alzheimer precoce e nell’invecchiamento normale. Neurobiol Aging 2014; 35(9): 2039-2045.