INDICE
Introduzione ____________________________________________________________________ I CAPITOLO 1-CENNI DI MORFOLOGIA E CONNETTIVITÀ CEREBRALE ______________________ 6
1.1 Il sistema nervoso e i neuroni ____________________________________________________ 8
1.2 Sostanza grigia e fasci di fibre di sostanza bianca ___________________________________ 10 1.2.1 Le fibre commissurali ______________________________________________________________ 12 1.2.1.1 Il Corpo Calloso ______________________________________________________________ 12 1.2.1.2 Il Fornice ____________________________________________________________________ 13 1.2.2 Le fibre associative ________________________________________________________________ 15 1.2.2.1 I Fasci del Cingolo ____________________________________________________________ 16 1.2.2.2 I Fascicoli ___________________________________________________________________ 16 1.2.3 Le fibre proiettive __________________________________________________________________ 16 1.2.3.1 Corona Radiata / Capsula Interna / Peduncoli Cerebrali ____________________________ 17 1.2.3.2 Il cervelletto e i peduncoli cerebellari _____________________________________________ 17 1.3 DTI e connettività cerebrale ____________________________________________________ 20
CAPITOLO 2-DISORDINE DELLO SPETTRO AUTISTICO:CARATTERIZZAZIONE,DIAGNOSI E STUDI
NEUROSCIENTIFICI _____________________________________________________________ 23
2.1 Disordine dello Spettro Autistico ________________________________________________ 24 2.1.1 Che cosa si intende per “autismo” ____________________________________________________ 24 2.1.2 Le cause _________________________________________________________________________ 25 2.1.3 I sintomi _________________________________________________________________________ 27 2.1.4 La diagnosi _______________________________________________________________________ 28 2.2 Aspetti cognitivi e neuropsicologici ______________________________________________ 29
2.3 Studi neuroscientifici sull’autismo _______________________________________________ 31 2.3.1 Neuropatologia e imaging cerebrale __________________________________________________ 31 2.3.2 Neuroimaging funzionale ___________________________________________________________ 35 2.3.3 Neuroimaging di diffusione (DTI)____________________________________________________ 38
CAPITOLO 3-MRI,DWI E DIFFUSION TENSOR IMAGING ______________________________ 43
3.1 Il fenomeno della diffusione ____________________________________________________ 44 3.1.1 Descrizione matematica del coefficiente di diffusione apparente ___________________________ 46 3.1.2 Descrizione matematica del tensore di diffusione _______________________________________ 50 3.1.3 Diffusione nel cervello: diffusione anisotropa nella materia bianca __________________________ 52
3.1.4 Immagini pesate in diffusione (DWI) _________________________________________________ 55
3.2 Diffusion Tensor MRI _________________________________________________________ 58 3.2.1 Modelli di diffusione alternativi ______________________________________________________ 61 3.2.2 Misure scalari invarianti in DTI ______________________________________________________ 61 3.2.2.1 Misure di Ampiezza di Diffusione _______________________________________________ 62 3.2.2.2 Misure di Anisotropia _________________________________________________________ 62 3.2.3 Visualizzazione delle immagini DTI __________________________________________________ 65 3.2.4 Interpretazione delle misure DTI _____________________________________________________ 69 3.2.4.1 Infarto ischemico _____________________________________________________________ 71 3.2.4.2 Demielinizzazione/Dismielinizzazione ___________________________________________ 71 3.2.4.3 Infiammazione _______________________________________________________________ 72 3.2.4.4 Edema ______________________________________________________________________ 73 3.2.4.5 Neoplasie ___________________________________________________________________ 73 3.2.4.6 Ruolo della DTI in terapia neuropsichiatrica ______________________________________ 74
3.3 Trattografia delle fibre _________________________________________________________ 78 3.3.1 Metodi di ricostruzione deterministici _________________________________________________ 81 3.3.1.1 Trattografia Streamline ________________________________________________________ 81 3.3.1.2 Energy Minimization __________________________________________________________ 86 3.3.1.3 Limiti dei metodi deterministici _________________________________________________ 89 3.3.2 Metodi di ricostruzione probabilistici _________________________________________________ 91 3.3.3 Principali applicazioni ______________________________________________________________ 91
CAPITOLO 4-STRUMENTI SOFTWARE PER ANALISI DI DATI DTI _________________________ 93
4.1 3D Slicer ____________________________________________________________________ 94 4.1.1 Struttura del software e caratteristiche generali __________________________________________ 96 4.1.1.1 Moduli di visualizzazione 2D e 3D ______________________________________________ 100 4.1.1.2 Formati di file supportati ______________________________________________________ 102 4.1.2 Visualizzazione e analisi di dati e immagini DTI _______________________________________ 103 4.1.2.1 3D Slicer 2.6 - Modulo DT-MRI ________________________________________________ 105 4.1.2.2 3D Slicer 3.2 – Moduli Diffusion Tensor e Tractography ____________________________ 108
4.2 MedINRIA _________________________________________________________________ 110 4.2.1 Struttura del software e caratteristiche generali _________________________________________ 110
4.2.1.1 Modulo Image Viewer ________________________________________________________ 112 4.2.1.2 Formati di file supportati ______________________________________________________ 113 4.2.2 Visualizzazione e analisi di dati e immagini DTI _______________________________________ 115 4.2.2.1 Modulo DTI Track___________________________________________________________ 115 4.2.2.2 Modulo Tensor Viewer _______________________________________________________ 119 4.3 DTI Studio _________________________________________________________________ 121 4.3.1 Struttura del software e caratteristiche generali _________________________________________ 121
4.3.1.1 Modulo MRI-View 3D ________________________________________________________ 122 4.3.1.2 Formati di file supportati ______________________________________________________ 125 4.3.2 Visualizzazione e analisi di dati e immagini DTI _______________________________________ 127 4.3.2.1 Modulo DTI Mapping ________________________________________________________ 130 4.3.2.2 Modulo Fiber Tracking _______________________________________________________ 132
4.4 TrackVis e Diffusion Toolkit ___________________________________________________ 134 4.4.1 Struttura del software e caratteristiche generali _________________________________________ 135 4.4.1.1 Formati di file supportati ______________________________________________________ 136 4.4.2 Visualizzazione e analisi di dati e immagini DTI _______________________________________ 137 4.4.2.1 Diffusion Toolkit ____________________________________________________________ 137 4.4.2.2 TrackVis ___________________________________________________________________ 138
4.5 Analisi comparativa delle architetture software ____________________________________ 140
CAPITOLO 5-PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UN’ARCHITETTURA SOFTWARE PER LA
VISUALIZZAZIONE E L’ANALISI DI IMMAGINI DEL TENSORE DI DIFFUSIONE:“DTEYE” _____ 146
5.1 Struttura dell’architettura software e caratteristiche generali _________________________ 147 5.1.1 Formati di file supportati __________________________________________________________ 149
5.2 Realizzazione del software _____________________________________________________ 151 5.2.1 Interfaccia grafica ________________________________________________________________ 154 5.2.2 Funzioni realizzate _______________________________________________________________ 158
5.3 Visualizzazione e analisi di dati e immagini DTI __________________________________ 165 5.3.1 Analisi dei dati in Matlab __________________________________________________________ 165 5.3.2 Analisi dei dati in C++ ____________________________________________________________ 167
CAPITOLO 6-ESEMPI DI UTILIZZO DEGLI STRUMENTI SOFTWARE _______________________ 170
6.1 Esempio di analisi di dati DTI: confronto tra 3D Slicer, MedINRIA, DTI Studio e TrackVis _ ___________________________________________________________________________ 171
6.2 Esempio di analisi di dati DTI: confronto tra 3D Slicer 2.6 e la nuova architettura software DTEye ___________________________________________________________________________ 180
CAPITOLO 7-CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI _____________________________________ 186 APPENDICE A _________________________________________________________________ 193
Programma Matlab “DTI.m” _________________________________________________________ 193
APPENDICE B _________________________________________________________________ 202 Header file di programmazione del software DTEye ______________________________________ 202
BIBLIOGRAFIA _________________________________________________________________ 217
