L'imaging di risonanza magnetica (MRI) ha trasformato in modo fondamentale la diagnostica medica offrendo direzioni ad alta risoluzione, non invasiva di tessuti molli. Oltre al suo ruolo tradizionale nell'imaging anatomico, la risonanza magnetica ora consente ai medici di sondare le proprietà meccaniche del tessuto attraverso una tecnica nota come elastografia di risonanza magnetica (MRE).

Cos'è l'elastografia basata sulla risonanza magnetica?

L'elastografia di risonanza magnetica è una tecnica MRI a contrasto di fase che misura direttamente la propagazione delle onde meccaniche a bassa frequenza (di solito 40-200 Hz) attraverso il tessuto.

Il punto chiave che sta alla base del MRE è che le onde di taglio viaggiano più velocemente nei materiali più rigidi di quelle più morbide. In un mezzo omogeneo, la velocità dell'onda di taglio [FLT: 1]] [LT:2] equazioni accurate è legata al modulo di taglio G e la densità [FLT]

MRE si distingue per altri metodi di elastografia, perché fornisce una valutazione volumetrica tridimensionale, che è particolarmente preziosa per gli organi con geometria complessa, come il cervello o il seno, dove la propagazione dell'onda di taglio è influenzata dall'anatomia. Inoltre, poiché la risonanza magnetica è intrinsecamente una tecnica multiparametrica, MRE può essere co-registrato con altri meccanismi di contrasto (ad esempio, diffusione, perfusione, spettrografia, perfusione, perfusione, esame completo).

Come funziona l'elastografia della risonanza magnetica

Generazione di onda meccanica

I primi sistemi hanno usato semplici attuatori pneumatici o elettromeccanici posti sulla pelle del paziente sull'organo di interesse. I driver moderni sono più sofisticati: possono impiegare sistemi pneumatici con compressori remoti per ridurre la coppia nella stanza dello scanner del fegato, o attuatori piezoelettrici che permettono un controllo preciso della frequenza e dell'ampiezza.

La frequenza delle vibrazioni viene scelta come un trade-off tra profondità di penetrazione (le frequenze più basse penetrano più in profondità) e risoluzione (le frequenze più alte forniscono un migliore dettaglio spaziale). Per il fegato, 60 Hz è standard; per il cervello vengono utilizzate frequenze tra i 40 e i 80 Hz. MRE multi-frequenza, che acquisisce immagini ondulanti a diverse frequenze, può aumentare la robustezza delle stime di rigidità e fornire informazioni sulla viscoelasticità del tessuto.

Sequenza MRI di moto-sensizio

Per l’immagine delle onde di propagazione, la sequenza MRI deve essere sensibilizzata al movimento dei tessuti sull’ordine di decine a centinaia di micrometri. Ciò si ottiene aggiungendo gradienti oscillanti di codifica (MEG) che sono sincronizzati con l’onda meccanica. I MEG sono tipicamente applicati lungo la stessa direzione della vibrazione (o direzioni multiple per il vettore MRE).

Le sequenze multiple sono state adattate per MRE, tra cui il gradiente-rechiato echo (GRE), spin-echo (SE), e il gradiente-echo viziato. Il MRE basato su GRE è veloce ed efficiente per le acquisizioni 2D, ma soffre di basso rapporto segnale-to-noise (SNR) e distorsione geometrica vicino alle interfacce air-tissue.

Post-Processsing e Inversione

Dopo l’acquisizione, i dati di fase grezzi vengono elaborati per rimuovere la fase di sfondo e la deriva temporale. Le immagini d’onda risultanti vengono poi alimentate in un algoritmo di inversione che calcola i parametri meccanici del tessuto. I metodi di inversione diretta risolvono l’equazione di Helmholtz per le onde di taglio in un mezzo localmente omogeneo.

Recenti sviluppi tecnologici in MRE

Maggiore risoluzione e più rapide acquisizioni

I miglioramenti nell'hardware MRI, compresi i punti di forza maggiore (3 T e 7 T), le bobine multicanale phased-array e l'imaging parallelo, hanno permesso di ottenere acquisizioni MRE con una risoluzione spaziale più sottile e tempi di scansione più brevi.

MRE in tempo reale e dinamico

Anche se l'MRE in tempo reale, dove le mappe di rigidità vengono aggiornate continuamente durante la scansione, è una capacità emergente. Utilizzando sequenze di risonanza rapida (ad esempio, immagini eco-planari o immagini a spirale) e ricostruzione iterativa, i ricercatori hanno dimostrato MRE a frame rate di diversi hertz. Questo è particolarmente utile per gli interventi: per esempio, durante la biopsia guidata da MR, MRE in tempo reale può aiutare a identificare i cambiamenti dinamici più rigidi per le regioni

Analisi automatizzata e apprendimento automatico delle macchine

I recenti lavori hanno applicato l'apprendimento profondo per automatizzare molti passi: dalla compensazione del movimento e dalla denotazione dell'immagine d'onda alla segmentazione dei confini degli organi e alla stima diretta della rigidità.

Multi-Frequenza e vettori MRE

La fibrosi tradizionale MRE fornisce rigidità ad una frequenza, ma i tessuti biologici presentano un comportamento viscoelastico: si comportano diversamente sotto carico a bassa frequenza e ad alta frequenza. La multifrequenza MRE acquisisce dati d'onda a tre o cinque frequenze discrete (ad esempio, 40, 60, 80 Hz) e si adatta contemporaneamente a un modello viscoelastico (ad esempio, il modello di detrito a molla o il derivato frazionario frazionario).

Applicazioni cliniche dell'elastografia della risonanza magnetica

Malattia del fegato

L'analisi di MRE è più frequente per la fibrosi epatica e la cirrosi. Per i pazienti a rischio, per i pazienti, per la malattia cronica, per la malattia di massa epatica (MRE) è raccomandata una dose di infiammazione più rigida (NAFLD) e per la malattia di fegato alcol.

Cancro del seno

I tumori del seno maligni sono tipicamente più rigidi delle masse benigne o del normale tessuto fibroglandare. Il MRE del seno è stato studiato come strumento complementare alla MRI dinamica a contrasto (DCE‐MRI) e alla rappresentazione a diffusione (DWRI 0.9).

Disturbi neurologici

In sclerosi multipla (MS), le placche di materia bianca sono più rigide del tessuto circostante, e cambiamenti di rigidità del cervello intero-brain correlati con i punteggi disabilità. In malattia di Alzheimer, il cervello diventa più morbido nelle regioni colpite da una deposizione miloide e patologia del tau-te, con evidenza preliminare che le mappe di rigidità possono differenziare i pazienti dai controlli ad alta precisione.

Cancro della prostata

Il cancro alla prostata è spesso caratterizzato da una maggiore rigidità dei tessuti, che viene sfruttato nell'ecografia transrettale. Il MRE della prostata offre il vantaggio di una copertura intercontinentale con orientamento arbitrario e co-registrazione con MRI multiparametrico (T2-weighted, DWI e DCE) e studi hanno dimostrato che la MRE prostatica può migliorare il rilevamento di cancro alla periferazione clinica (Gleason)

Applicazioni muscoloschelettrici e altre

MRE è anche in fase di applicazione per il muscolo scheletrico per lo studio di condizioni come la fibrosi nella distrofia muscolare, la spasticità dopo ictus o lesioni muscolari. La rigidità muscolare dipende dal carico e si verifica in modo altamente anisotropico; il vettore MRE è particolarmente adatto per catturare questo. Nel cuore, la MRE cardiaca mostra è in fase di sviluppo per rilevare i cambiamenti di rigidità miocardica in caso con la frazione di eiezione cerebrale conservata (HFpEF) e l'.

Sfide e limitazioni

Nonostante i suoi vantaggi, MRE affronta diversi ostacoli che limitano il suo uso diffuso. In primo luogo, il requisito per un driver meccanico dedicato aggiunge costi di equipaggiamento e tempo di configurazione. Mentre i driver sono relativamente poco costosi rispetto al sistema MRI stesso, non tutti i dipartimenti di radiologia li hanno, e mantenere una fonte di vibrazione affidabile nella sala scanner può essere logisticamente difficile.

In secondo luogo, MRE è altamente sensibile agli artefatti. Il movimento dalla respirazione (per MRE addominale), ingoiando (per il collo MRE), o pulsazione cardiaca (per il cuore e il cervello MRE) può corrompere le immagini d'onda. Anche se le tecniche di tenuta del respiro mitigano il movimento respiratorio, i pazienti che non possono tenere il loro respiro per 15-20 secondi possono produrre risultati poveri.

In terzo luogo, non vi è una standardizzazione tra i fornitori e le istituzioni. Mentre il protocollo MRE del fegato è relativamente uniforme (60 Hz, GRE o SE sequenza, LFE inversione), altri organi hanno parametri ampiamente diversi. I valori di rigidità riportati da diversi metodi di inversione possono differire, rendendo difficile stabilire soglie diagnostiche universali.

Infine, fattori legati al paziente come l'obesitÃ, gli asciti o la presenza di impianti metallici possono interferire con la propagazione dell'onda o causare artefatti di suscettibilità . I pazienti con grande abitudine corporea possono richiedere un'ampiezza delle vibrazioni superiore, che puÃ2 causare disagio. Per il cervello MRE, la guida attraverso il cranio à ̈ inefficiente; mezzi alternativi come la forza di radiazione acustica o l'ecografia focalizzata sono statica.

Le direzioni future

Integrazione MRI portatile e a basso contenuto

L'avvento di sistemi MRI a basso campo (0.55 T) e portatili apre nuove possibilità per MRE. Questi sistemi sono meno costosi, richiedono meno schermatura e sono più facili da installare, rendendo possibile MRE disponibile negli ospedali comunitari e nelle impostazioni di punta di cura.

Combinazione con altre modalità di imaging

MRE è sempre più in combinazione con altre tecniche MRI quantitative per fornire la caratterizzazione multiparametrica del tessuto. Ad esempio, l'imaging a tensore MRE-diffusione simultaneo (DTI) nel cervello può collegare rigidità all'integrità microstrutturale della materia bianca.

Apprendimento profondo e personalizzazione

I modelli genetici, come le reti neurali informate dalla fisica (PINN), possono risolvere l'equazione d'onda direttamente dai dati k‐space grezzi, bypassando i passaggi di ricostruzione convenzionali e riducendo potenzialmente gli artefatti di movimento. L'apprendimento di rinforzo può essere utilizzato per ottimizzare automaticamente i parametri MRE (frequenza di vibrazione, ampiezza di gradiente, numero di offset di fase) in tempo reale basato sulla qualità dei dati digitali.

Nuovi Biomarcatori: Parametri viscoelastici e non linearità

La viscosità, che descrive come il tessuto dissipa l'energia, è già stato legato all'infiammazione e può aiutare a differenziare la fibrosi precoce dalla steatoepatite. L'elasticità non lineare (il cambiamento di rigidità con la tensione applicata) è un altro biomarcatore emergente: tumori e tessuti fibrotici si irrigidiscono più rapidamente sotto compressione rispetto ai tessuti normali.

In sintesi, l'elastografia basata sulla risonanza magnetica è maturata da una curiosità accademica in uno strumento clinicamente prezioso per valutare la rigidità dei tessuti nelle malattie che vanno dalla fibrosi epatica ai tumori cerebrali.