La risonanza magnetica (MRI) è una modalità di imaging non-invasiva che consente l'identificazione delle strutture anatomiche del cervello in vivo. Dalle prime applicazioni cliniche, la MRI è stata costantemente migliorata aumentando la potenza del campo magnetico statico, migliorando il sistema di rilevamento della radiofrequenza (RF), sviluppando sequenze di acquisizione dedicate e ottimizzando i processi di ricostruzione delle immagini. La spettroscopia in RM (MRS) completa l’esame di MR Imaging come tecnica non invasiva per la caratterizzazione del tessuto cerebrale ottenendo spettri di segnali di metaboliti da ogni ubicazione spaziale di interesse. La MRS ha un grande impatto nella diagnosi e nel migliorare la comprensione di numerose patologie del cervello tra cui epilessia, tumori, malattie metaboliche, sclerosi multipla e ictus. Mentre la MRI utilizza il segnale proveniente da protoni di idrogeno per produrre immagini anatomiche, la MRS utilizza queste informazioni per definire la concentrazione di metaboliti cerebrali come N-acetil-L-aspartato (NAA), colina (Cho), creatina (Cr) e lattato Lac). Negli ultimi anni, il 7T ha mostrato promesse nello studio del cervello umano in vivo. Rispetto ai campi magnetici convenzionali (1,5 e 3T), il 7T offre un rapporto segnale-rumore più alto (SNR), che consente una maggiore risoluzione spaziale. Di conseguenza, il 7T può fornire una migliore rappresentazione delle strutture anatomiche e migliorare sia la rilevazione che la caratterizzazione delle lesioni cerebrali, aumentando quindi il potere diagnostico. Inoltre, la combinazione tra incremento del SNR e l'aumentata separazione spettrale dei picchi di metaboliti può produrre immagini di spettroscopia con risoluzione superiore e quindi una quantificazione spettrale migliore. Tuttavia, il passaggio all’utilizzo dell’Ultra High Field (UHF) 7T introduce nuove problematiche tecniche, tra cui la disomogeneità di B0 (campo magnetico) e B1 (RF applicata), incrementi del chemical shift, maggiore deposizione di potenza RF all'interno del paziente. Tali problematiche tecniche producono artefatti dell'immagine, limitano il numero di sezione e copertura spaziale e limitano l'uso della MRS per scopi clinici. Il lavoro di questa tesi è stato realizzato presso la Fondazione Imago7 (Calambrone, Pisa, Italia) dove è installato il primo e unico scanner Ultra High Field 7T MR in Italia per lo studio umano. L'obiettivo principale di questo lavoro è di esplorare il valore aggiunto della RM 7T nel fornire dettagli anatomici e strutturali di lesioni cerebrali specifiche sia negli adulti sia nei bambini. In secondo luogo, è stata usata la 7T MRS (1H MRS) per rilevare i livelli di neurotrasmettitori del cervello in vivo. In terzo luogo, combinando misure di B1+ in vivo con delle simulazioni, sono stati valutati il tasso di assorbimento specifico (SAR) locale e globale per garantire il rispetto del limite imposto dalla Commissione elettrotecnica internazionale (IEC). Magnetic resonance imaging (MRI) is an imaging modality that enables non-invasively the identification of in-vivo anatomical brain structures. Since first clinical applications MRI has been constantly improved increasing the static magnetic field strength, improving the radiofrequency (RF) detection system, developing dedicated acquisition sequences and optimizing the processes for image reconstruction. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) complements MRI as a non-invasive tecnique for the characterization of tissue obtaining spectra of signals from each spatial location of interest. MRS enables the quantification of in vivo brain metabolite concentrations. It has great impact in diagnosing and better understanding of numerous brain pathologies including epilepsy, tumors, metabolic diseases, multiple sclerosis and stroke. While MRI uses the signal from hydrogen protons to produce anatomical images, proton MRS uses this information to define the concentration of brain metabolites such as N- acetyl-L-aspartate (NAA), choline (Cho), creatine (Cr) and lactate (Lac). In the past few years, 7T has shown promise in studing in-vivo human brain. Compared to conventional field strenghts (1.5 and 3T), 7T offers higher signal-to-noise ratio (SNR), which enables higher spatial resolution. As a result, 7T can provide better depiction of anatomic structures and enhance both detection and characterization of brain lesions, increasing diagnostic confidence. Moreover, the combination of increased SNR associated with the increased spectral separation of metabolite peaks results in higher resolution spectroscopic images and improved spectral quantification. However, the transition to UHF 7T also introduces new technical issues, including inhomogeneity of B0 (magnetic field) and B1 (the applied RF), errors in chemical shift localization, increased deposition of RF power within the patient. These concerns cause image artifacts, limit section number/spatial coverage, and limit the use of MR spectroscopy for clinical purposes. The work for this thesis has been carried out at Imago7 Foundation (Calambrone, Pisa, Italy) where the first and unique Ultra High Field 7T MR scanner in Italy for human study has been installed. The main objective of this work is to explore the added value of 7T MRI in providing anatomical and structural details of specific brain lesions in both adults and children. Secondly, proton 7T MRS (1H MRS) is used to detect in vivo brain neurotransmitter levels. Thirdly, combining B1+ in vivo measurements with electromagnetic simulations, local and global specific absorbation rate (SAR) exposure are predicted to ensure the respect of regulatory limit imposed by the International Electrotechnical Commission (IEC).

IN VIVO 7T MR IMAGING AND MR SPECTROSCOPY IN PATIENTS WITH BRAIN LESIONS / De Ciantis, Alessio. - (2017).

IN VIVO 7T MR IMAGING AND MR SPECTROSCOPY IN PATIENTS WITH BRAIN LESIONS

DE CIANTIS, ALESSIO
2017

Abstract

La risonanza magnetica (MRI) è una modalità di imaging non-invasiva che consente l'identificazione delle strutture anatomiche del cervello in vivo. Dalle prime applicazioni cliniche, la MRI è stata costantemente migliorata aumentando la potenza del campo magnetico statico, migliorando il sistema di rilevamento della radiofrequenza (RF), sviluppando sequenze di acquisizione dedicate e ottimizzando i processi di ricostruzione delle immagini. La spettroscopia in RM (MRS) completa l’esame di MR Imaging come tecnica non invasiva per la caratterizzazione del tessuto cerebrale ottenendo spettri di segnali di metaboliti da ogni ubicazione spaziale di interesse. La MRS ha un grande impatto nella diagnosi e nel migliorare la comprensione di numerose patologie del cervello tra cui epilessia, tumori, malattie metaboliche, sclerosi multipla e ictus. Mentre la MRI utilizza il segnale proveniente da protoni di idrogeno per produrre immagini anatomiche, la MRS utilizza queste informazioni per definire la concentrazione di metaboliti cerebrali come N-acetil-L-aspartato (NAA), colina (Cho), creatina (Cr) e lattato Lac). Negli ultimi anni, il 7T ha mostrato promesse nello studio del cervello umano in vivo. Rispetto ai campi magnetici convenzionali (1,5 e 3T), il 7T offre un rapporto segnale-rumore più alto (SNR), che consente una maggiore risoluzione spaziale. Di conseguenza, il 7T può fornire una migliore rappresentazione delle strutture anatomiche e migliorare sia la rilevazione che la caratterizzazione delle lesioni cerebrali, aumentando quindi il potere diagnostico. Inoltre, la combinazione tra incremento del SNR e l'aumentata separazione spettrale dei picchi di metaboliti può produrre immagini di spettroscopia con risoluzione superiore e quindi una quantificazione spettrale migliore. Tuttavia, il passaggio all’utilizzo dell’Ultra High Field (UHF) 7T introduce nuove problematiche tecniche, tra cui la disomogeneità di B0 (campo magnetico) e B1 (RF applicata), incrementi del chemical shift, maggiore deposizione di potenza RF all'interno del paziente. Tali problematiche tecniche producono artefatti dell'immagine, limitano il numero di sezione e copertura spaziale e limitano l'uso della MRS per scopi clinici. Il lavoro di questa tesi è stato realizzato presso la Fondazione Imago7 (Calambrone, Pisa, Italia) dove è installato il primo e unico scanner Ultra High Field 7T MR in Italia per lo studio umano. L'obiettivo principale di questo lavoro è di esplorare il valore aggiunto della RM 7T nel fornire dettagli anatomici e strutturali di lesioni cerebrali specifiche sia negli adulti sia nei bambini. In secondo luogo, è stata usata la 7T MRS (1H MRS) per rilevare i livelli di neurotrasmettitori del cervello in vivo. In terzo luogo, combinando misure di B1+ in vivo con delle simulazioni, sono stati valutati il tasso di assorbimento specifico (SAR) locale e globale per garantire il rispetto del limite imposto dalla Commissione elettrotecnica internazionale (IEC). Magnetic resonance imaging (MRI) is an imaging modality that enables non-invasively the identification of in-vivo anatomical brain structures. Since first clinical applications MRI has been constantly improved increasing the static magnetic field strength, improving the radiofrequency (RF) detection system, developing dedicated acquisition sequences and optimizing the processes for image reconstruction. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) complements MRI as a non-invasive tecnique for the characterization of tissue obtaining spectra of signals from each spatial location of interest. MRS enables the quantification of in vivo brain metabolite concentrations. It has great impact in diagnosing and better understanding of numerous brain pathologies including epilepsy, tumors, metabolic diseases, multiple sclerosis and stroke. While MRI uses the signal from hydrogen protons to produce anatomical images, proton MRS uses this information to define the concentration of brain metabolites such as N- acetyl-L-aspartate (NAA), choline (Cho), creatine (Cr) and lactate (Lac). In the past few years, 7T has shown promise in studing in-vivo human brain. Compared to conventional field strenghts (1.5 and 3T), 7T offers higher signal-to-noise ratio (SNR), which enables higher spatial resolution. As a result, 7T can provide better depiction of anatomic structures and enhance both detection and characterization of brain lesions, increasing diagnostic confidence. Moreover, the combination of increased SNR associated with the increased spectral separation of metabolite peaks results in higher resolution spectroscopic images and improved spectral quantification. However, the transition to UHF 7T also introduces new technical issues, including inhomogeneity of B0 (magnetic field) and B1 (the applied RF), errors in chemical shift localization, increased deposition of RF power within the patient. These concerns cause image artifacts, limit section number/spatial coverage, and limit the use of MR spectroscopy for clinical purposes. The work for this thesis has been carried out at Imago7 Foundation (Calambrone, Pisa, Italy) where the first and unique Ultra High Field 7T MR scanner in Italy for human study has been installed. The main objective of this work is to explore the added value of 7T MRI in providing anatomical and structural details of specific brain lesions in both adults and children. Secondly, proton 7T MRS (1H MRS) is used to detect in vivo brain neurotransmitter levels. Thirdly, combining B1+ in vivo measurements with electromagnetic simulations, local and global specific absorbation rate (SAR) exposure are predicted to ensure the respect of regulatory limit imposed by the International Electrotechnical Commission (IEC).
2017
Renzo Guerrini
ITALIA
De Ciantis, Alessio
File in questo prodotto:
File Dimensione Formato  
PhD_Thesis_DEF_220617_IRIS_archivio.pdf

accesso aperto

Descrizione: Pubblicazione principale
Tipologia: Pdf editoriale (Version of record)
Licenza: Open Access
Dimensione 6.83 MB
Formato Adobe PDF
6.83 MB Adobe PDF

I documenti in FLORE sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificatore per citare o creare un link a questa risorsa: https://hdl.handle.net/2158/1088393
Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact