RICERCA ITALIANA     

Potenziamento dell'informazione clinica mediante imaging biomedico multi-modale

Centro San Raffaele del Monte Tabor

Abstract

Il progetto in questione si pone come obiettivo generale il potenziamento dell'informazione clinica mediante l'utilizzo integrato di immagini biomediche multi-modali. L'integrazione di immagini biomediche acquisite con diverse modalità infatti, fornendo una diretta corrispondenza topografica di diverse informazioni, consente di migliorare l'interpretazione delle immagini e di potenziare l'estrazione di informazioni utili a fini diagnostici e terapeutici: in tal modo è possibile infatti associare una localizzazione anatomica certa ad una area che risulta alterata dal punto di vista funzionale. L'integrazione anatomo-funzionale può essere inoltre utile per una più accurata quantificazione del parametro funzionale di interesse: ad esempio sottostime della concentrazione di radioattività in strutture anatomiche di piccole dimensioni, dovute alla limitata risoluzione spaziale del sistema di imaging (effetto di volume parziale), possono essere compensate da una conoscenza della forma e della dimensione della particolare regione anatomica esaminata.
Le medodiche utilizzate comprenderanno la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) la Tomografia a raggi-X (CT) e la Risonanza Magnetica (MRI). Il problema dell'integrazione della registrazione e della fusione di immagini biomediche multi-modali provenienti da sistemi diversi verrà affrontato a partire da una situazione generalmente incontrata in problematiche di questo tipo ovvero acquisendo i diversi studi su sistemi diversi localizzati in strutture diverse ma anche, per la prima volta, mediante un sistema unico integrato PET/CT che permette di acquisire i due studi nello stesso sistema di riferimento e nella stessa sessione di esame. Il sistema integrato PET/CT è infatti costituito da un tomografo PET multianallei e da un tomografo CT spirale multisezioni uniti in un unico stativo con un unico lettino per il paziente e controllati dallo stesso software di acquisizione. Il sistema PET/CT rappresenta quindi un nuovo sistema di imaging multi-modale ma anche un nuovo approccio alla integrazione di immagini multi-modali.

Si intende realizzare il progetto con un lavoro coordinato di trè unità di ricerca che si articolerà nello studio delle seguenti problematiche:
* Ottimizzazione dei protocolli di acquisizione per i diversi tipi di studi (total body, cardiaci e cerebrali) con particolare riferimento al problema della registrazione delle immagini (posizionamento del paziente, tempi, modalità e parametri di acquisizione);
* Valutazione e messa a punto di tecniche di registrazioni ottimali per i diversi studi (total body, cardiaci e cerebrali);
* Sviluppo di tecniche di elaborazione per la fusione e la visualizzazione simultanea delle diverse immagini multi-modali;
* Sviluppo di tecniche di analisi delle immagini registrate per l'estrazione delle informazioni cliniche di interesse;
* Miglioramento della qualità e dell'accuratezza quantitativa delle imagini PET mediante l'utilizzo delle immagini anatomiche CT per la correzione dell'attenuazione;
* Ottimizzazione di procedure terapeutiche a partire dalle informazioni complementari ottenibili in PET e in CT;
* Miglioramento della qualità e dell'accuratezza quantitativa delle imagini PET mediante l'utilizzo delle immagini MRI per la correzione dell'effetto di volume parziale in PET.

Nell'ambito del comune obiettivo le tre unità di ricerca concentreranno in particolare il proprio lavoro in applicazioni oncologiche total body (unità di ricerca di Milano) in applicazioni cardiache (unità di ricerca di Pisa) e in applicazioni cerebrali (unità di ricerca di Napoli). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

VALENTINO BETTINARDI, FONDAZIONE CENTRO SAN RAFFAELE DEL MONTE TABOR

Obiettivo del Finanziamento

L'evoluzione tecnologica nel campo dell'imaging medicale ha portato alla crescente diffusione di apparecchiature diagnostiche sofisticate, che forniscono informazioni sempre più dettagliate sulla natura e sulla funzione del corpo umano. Tali tecniche si differenziano in quanto si basano su principi fisici diversi ed in particolare sulla diversa rivelazione dei segnali provenienti dall'organismo in risposta a stimoli diversi (fasci di radiazioni, campi magnetici, traccianti radioattivi).
In tomografia computerizzata a raggi X (CT), per esempio si misura l'attenuazione di un fascio di raggi X nell'attraversare l'organismo ottenendo mappe di densità dei tessuti nella sezione in esame. In tomografia a Risonanza Magnetica (MRI) si studiano i processi di rilassamento dei nuclei di idrogeno nell'organismo, e pertanto la loro concentrazione regionale, quando, sottoposti ad un campo magnetico, vengono stimolati da una radiazione a radiofrequenza. In medicina nucleare con le tecniche di tomografia ad emissione di fotone singolo (SPET) e tomografia ad emissione di positroni (PET) si ottengono immagini di distribuzione di un tracciante radioattivo in sezioni d'organo rappresentative di processi biochimici e fisiologici.
Fattore importante nel processo evolutivo delle tecnologie di imaging medicale è rappresentato dal fatto che l'introduzione nuove metodiche non ha in generale prodotto una ridondanza delle precedenti, ma al contrario ha aumentato la quantità di informazioni disponibili proprio in quanto rappresentative di diversi processi e condizioni dell'organismo. La possibilità di disporre di tali informazioni da parte del medico ed in particolare la possibilità di integrare tali informazioni è certamente utile per una più completa comprensione dei meccanismi fisiopatologici alla base delle diverse patologie.
Alcune di queste metodiche sono intrinsecamente in grado di effettuare piu' misure dello stesso distretto fornendo immagini con caratteristiche diverse. Per esempio con la Risonanza Magnetica si possono ottenere immagini diverse dello stesso studio utilizzando diverse sequenze di impulsi. Questo permette di ottenere immagini multispettrali che, fornendo informazioni diverse sul tipo di tessuto analizzato, permettono un più accurata e precisa diagnosi relativamente al tipo di patologia in esame. In Tomografia ad Emissione di Positroni il protocollo di acquisizione in genere richede uno studio trasmissivo, seguito da uno o piu' studi emissivi effettuati con traccianti diversi (flusso, metabolismo, 18F-FDG, 11C-Coline) sempre al fine di una piu' accurata e sicura diagnosi. Una delle potenzialità di questo tipo di esami è proprio quella di poter disporre per ogni singolo voxel dell'immagine di più informazioni da integrare basandosi sulla forte e diretta correlazione spaziale delle diverse informazioni in quanto acquisite sullo stesso sistema e nella stessa sessione di esame.
Per alcune applicazioni cliniche c'è una modalità di scelta che può fornire tutte le informazioni richieste sia per la diagnosi che per l'eventualmente successivo piano di trattamento terapeutico. Altre applicazioni cliniche hanno però bisogno di piu' informazioni ed in particolare di informazioni complementari per poter giungere ad una accurata e certa diagnosi. In oncologia ad esempio la tecnica PET "whole body" con 18F-Fluorodesossiglucosio (18FDG) è oggi considerata tra le metodiche di riferimento per la stadiazione dei tumori in quanto fornisce immagini di consumo regionale di glucosio e visualizza pertanto la malattia neoplastica come aree di iper-captazione del tracciante radioattivo, corrispondenti ad una aumentata attività metabolica. Tuttavia una difficoltà incontrata nella interpretazione di studi PET con 18FDG è rappresentata, dalla mancanza di strutture anatomiche ben identificabili. Il basso contrasto e la povera risoluzione spaziale della tecnica PET sono spesso non sufficienti per una precisa localizzazione delle aree di iper-captazione del tracciante radioattivo. Risulta dunque fondamentale la integrazione delle immagini funzionali PET ad immagini anatomiche CT, integrazione intesa non solo come visualizzazione e interpretazione simultanea dei due studi, ma anche come loro allineamento spaziale punto a punto, per una più accurata identificazione delle strutture anatomiche. Molte di queste informazioni ancora oggi vengono utilizzate indipendentemente ed in modo separato anche in relazione al fatto che le informazioni siano disponibili in formato digitale o no. Sta poi alla capacità del medico l'integrazione delle diverse informazioni in base alle proprie conoscenze specifiche ma anche attraverso processi associativi e di ricostruzione mentale delle diverse immagini in un unico spazio tridimensionale.
La necessità di strumenti e metodologie per l'integrazione delle immagini biomediche provenienti da diverse modalità di acquisizione è oggi ampiamente riconosciuta ed il loro sviluppo rappresenta un argomento di ricerca di grande interesse. Attualmente, l'integrazione di immagini multimodali si basa sull'uso di tecniche di registrazione che permettono il riallineamento dei diversi sistemi di riferimento spaziali, specifici dei diversi tomografi di acquisizioni, mediante la stima dei necessari parametri di trasformazione geometrica.
L'integrazione dei diversi studi tomografici richiede di poter visualizzare ed analizzare su di una stessa stazione di lavoro immagini con caratteristiche eterogenee, provenienti da diverse macchine di acquisizione. A questo scopo è necessario prevedere sistemi che consentano la gestione integrata delle varie sorgenti di immagine. Per una completa correlazione è tuttavia necessario considerare una elaborazione delle immagini che consenta di ottenere una corrispondenza puntuale delle stesse strutture anatomiche nelle diverse rappresentazioni. In ciascun studio topografico l'organo in esame viene infatti rappresentato come un volume in un sistema di riferimento specifico del particolare sistema di acquisizione. Il problema dell'integrazione multimodale è spesso affrontato supponendo che la trasformazione geometrica tra i volumi da correlare sia di tipo rigido, corrisponda cioè ad un movimento di rototraslazione tra la posizione del paziente in una modalità di imaging e nell'altra. Questa semplificazione è adeguata nel caso del distretto cerebrale, dove la scatola cranica può essere ben approssimata ad un corpo rigido. Nel caso di distretto diversi, quali i distretti toracico o addominale, la registrazione modellata come un movimento rigido risulta spesso insufficiente, a causa della non rigidità della cassa toracica, che cambia forma dipendentemente dalla posizione assunta dal paziente in fase di esame (ad esempio dipendentemente dalla posizione delle braccia, stese lungo i fianchi o piegate sotto il capo). L'applicazione di un modello di movimento di rototraslazione è comunque ancora lecito, se il paziente viene accuratamente riposizionato nei diversi tomografi, anche mediante l'ausilio di specifici dispositivi. E' importante notare però che i distretti toracico ed addominale sono sottoposti a movimenti semiperiodici, dovuti all'attività respiratoria e cardiaca, che modificano nel tempo la forma e la posizione di alcuni organi interni quali i polmoni, il cuore o il fegato. Il risultato dell'integrazione può in tal caso migliorare con l'uso di tecniche di registrazione generalizzate, basate su trasformazioni geometriche di tipo non lineare, che possano modellizzare eventuali distorsioni spaziali dell'oggetto nelle due modalità. L'integrazione di immagini biomediche provenienti da diverse metodiche, fornendo una diretta corrispondenza topografica delle diverse informazioni, consente pertanto di migliorare l'analisi e l'interpretazione delle immagini e di potenziare l'estrazione di informazioni utili per la diagnosi.
Altra importante ricaduta dell'approccio di imaging multimodale si può trovare anche in campo terapeutico, per quanto riguarda la pianificazione del piano di trattamento radioterapico. In questo ambito, è importante riuscire ad identificare accuratamente l'estensione della massa tumorale e dei tessuti coinvolti nel processo neoplastico, per poter ottimizzare la geometria di irradiazione, al fine di concentrare la dose all'area tumorale e minimizzare l'irraggiamento ai tessuti sani circostanti, con speciale riguardo agli organi critici.
I sistemi per l'elaborazione dei piani di radioterapia (TPS) sono oggi in grado di fornire fasci di radiazione ad intensità modulata e di forma configurabile, che permettono di seguire accuratamente la forma della massa tumorale da trattare (radioterapia conformazionale). Tale forma è convenzionalmente definita mediante delineazione della zona neoplastica su immagini morfostrutturali, acquisite con un tomografo CT, interfacciato direttamente al sistema TPS. Una più accurata definizione dell'area da trattare però può essere ottenuta dall'integrazione multimodale di immagini CT ed immagini PET, tramite la quale il tumore può essere caratterizzato sia dal punto di vista anatomico che da quello funzionale. In alcuni tipi di tumore, quali il carcinoma polmonare o pancreatico, infatti, la individuazione della zona coinvolta dalla neoplasia è più evidente nelle immagini PET con [18F]FDG, che mostrano un aumentato livello di attività metabolica sia nel tumore, sia nei linfonodi coivolti.
Un passo ulteriore nel potenziamento dell'informazione diagnostica mediante l'impiego di informazioni multimodali consiste non solo nel loro utilizzo integrato a posteriori ma anche nella diretta integrazione delle informazioni di una metodica nei processi di generazione e di analisi delle immagini di un'altra.. In Tomografia ad Emissione di Positroni è possibile ottenere informazioni assolute e quantitative se i dati di acquisizione vengono corretti per l'attenuazione causata dai tessuti corporei. Questo viene in generale realizzato attraverso un misura specifica (trasmissiva) molto simile alla misura effettuata in tomografia CT. La migliore risoluzione spaziale della tomografia CT e la migliore discriminazione tissutale fa si che la possibilità di utilizzare immagini CT per la correzione dell'attenuazione in PET dovrebbe permettere di ottenere immagini PET qualitativamente e quantitativamente superiori. Analogamente l'effetto di volume parziale (PVE) causato dalla ridotta risoluzione spaziale del sistema PET può essere ridotto o corretto, utilizzando immagini MRI o CT come supporto anatomico di informazioni a priori nel modello specifico di correzione per il PVE.
Alternativamente all'uso di tecniche software di integrazione, registrazione, fusione e ricostruzione di immagini come precedentemente descritto oggi si sta sviluppando una nuova tendenza che consiste nella realizzazione di sistemi integrati (costituiti da più metodiche) che direttamente siano in grado di effettuare studi diversi. Un esempio di questi nuovi sistemi è rappresentato dai tomografi PET/CT.


Obiettivo di questo progetto è il potenziamento dell'informazione clinica mediante:
* un uso integrato di immagini multimodali in seguito a processi di integrazione di registrazione e di fusione di immagini biomediche multi-modali
* un uso diretto delle informazioni di una metodica nei processi di generazione e di analisi delle immagini di un'altra.

Le metodiche che verranno utilizzate sono la PET, la CT e la MRI.
Si intende raggiungere tale obiettivo mediante il contributo sinergico di tre unità di ricerca:

1.UR - Milano
Presso la UR-Milano, Centro PET, Istituto Scientifico H S.Raffaele, è in fase di installazione un nuovo sistema di diagnostica per immagini che consiste di un tomografo PET e di un tomografo CT assemblati in un unico sistema PET/CT. Il sistema PET/CT troverà applicazione nella diagnostica oncologica e in particolare nella stadiazione dei tumori. Obiettivo dell'UR-Milano è lo sviluppo, messa a punto e valutazione di metodi di elaborazione delle immagini, che utilizzano la fusione delle immagini PET e CT per un potenziamento dell'informazione clinica in fase diagnostica ma anche nell'approccio terapeutico.

Tale obiettivo si articola nei seguenti sottobiettivi:
* messa a punto di tecniche di registrazione / fusione di immagini multi-modali PET, CT.
* messa a punto di tecniche di correzione per l'attenuazione in PET mediante utilizzo delle immagini CT.
* ottimizzazione dei piani di trattamento in radioterapia mediante l'utilizzo delle informazioni PET e CT
* valutazione delle potenzialità diagnostica del sistema integrato PET/CT in ambito clinico.
* valutazione delle potenzialità del sistema integrato PET/CT per la pianificazione del trattamento radioterapico.


2.UR -Pisa
Presso la UR-Pisa, Istituto di Fisiologia Clinica del CNR, sono installati in stretta prossimita' un centro PET ed un sistema di imaging MRI. Entrambi i sistemi sono particolarmente rivolti allo studio ed alla ricerca in campo cardiovascolare. Obiettivo dell'UR-Pisa è lo sviluppo, messa a punto e valutazione di metodi di elaborazione delle immagini, che utilizzano la fusione delle immagini PET e MRI, per un potenziamento dell'informazione diagnostica e funzionale cardiologica.
Tale obiettivo si articola nei seguenti sotto obiettivi:
* messa a punto di tecniche di registrazione / fusione di immagini multi-modali PET e MRI.
* creazione di un modello che consenta l'utilizzo delle immagini MRI come mappa anatomica costruita a priori da poter completare con le informazioni funzionali e metaboliche ottenute con la PET e con la stessa MRI
* costruzione di un modello che possa generare immagini parametriche e risultati numerici espressione della fusione delle due tecniche
* valutazione delle potenzialità del sistema integrato PET/MRI in ambito clinico.
* valutazione delle potenzialità del sistema integrato PET/MRI in ambito di ricerca cardiovascolare.


3.UR - Napoli
Presso la UR-Napoli, Centro di Studio per la Medicina Nulceare - CNR, è in fase di installazione un tomografo MRI ad alto campo (1,5 Tesla) di ultima generazione con elevati gradienti di acquisizione. Inoltre è in fase di acquisizione un nuovo sistema di diagnostica per immagini che consiste di un tomografo PET per acquisizioni 3D predisposto per l'upgrade ad un sistema integrato PET/CT in cui le due modalità di imaging (PET e CT) coesistono in un unico tomografo.
Il Centro di Studio per la Medicina Nucleare di Napoli è coordinatore di un progetto di ricerca e sviluppo tecnologico finanziato dalla Comunità Europea nell'ambito del programma "Quality of Life" del 5° programma quadro (QLRT-1999-30594) dal titolo "Enhancement of clinical value of functional imaging through automated removal of partial volume effect " con acronimo "PVEOut".
Le apparecchiature a disposizione del centro troveranno applicazione nella diagnostica neurologica sia nel trattamento della patologia oncologica sia nella diagnosi delle malattie cerebrali degenerative. Obiettivo dell'UR-Napoli è lo sviluppo, messa a punto e valutazione di metodi di elaborazione delle immagini, che utilizzano la fusione delle immagini PET, CT e MRI per un potenziamento dell'informazione diagnostica neurologica.
Tale obiettivo si articola nei seguenti sottobiettivi:
* messa a punto di tecniche di registrazione / fusione di immagini multi-modali PET, CT ed MRI.
* messa a punto di tecniche di segmentazione dei dati MRI e di co-registrazione delle immagini segmentate MRI e dei dati CT acquisiti con il dispositivo integrato CT/PET
* correzione per gli effetti di volume parziale delle immagini PET mediante l'utilizzo delle immagini MRI segmentate per la quantificazione del dato PET.
* valutazione delle potenzialità diagnostica del sistema integrato PET/CT in ambito clinico.<<<

Durata

36 mesi