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Ministero dell'Universita' e della Ricerca scientifica e tecnologica

Programmi di ricerca cofinanziati - Modello C
Rendiconto di unita' di ricerca - ANNO 1997
prot. 9701091751_028

1. Area Scientifico Disciplinare principale 01: Scienze matematiche

2. Coordinatore Scientifico del programma di ricerca

3. Titolo del programma di ricerca

ANALISI NUMERICA: METODI E SOFTWARE MATEMATICO

4. Responsabile Scientifico dell'Unità di ricerca

5. Titolo del programma dell'unità di ricerca

Uso di immagini perfusionali cerebrali SPECT ottimizzate nella diagnosi precoce e nella prognosi della malattia di Alzheimer.

6. Settore principale del Programma di Ricerca: A04A - Analisi numerica

7. Finanziamenti assegnati all'unità di ricerca

8. Obiettivo della ricerca eseguita

Valutazione delle immagini perfusionali cerebrali SPECT, ottenute con l'uso di un software in grado di migliorarne la risoluzione spaziale e sviluppato dalle Unita' di Ricerca collaboranti allo studio, in pazienti con diverse forme di demenza e diversi tempi di malattia; utilizzazione delle nuove immagini per migliorare la diagnosi delle Demenze; studio delle correlazione tra dati perfusionali e dati di altre indagini neurofisiologiche allo scopo di individuare sia elementi prognostici in pazienti con malattia di Alzheimer, sia indici quantificati atti a monitorare gli effetti di possibili future terapie.

9. Descrizione della Ricerca eseguita e dei risultati ottenuti

Come già esposto in premessa, lo studio delle modificazioni perfusionali cerebrali ha grande rilevanza nell'iter diagnostico delle demenze, in quanto e' stato ampiamente dimostrato che, a fronte di esami morfologici cerebrali normali o alterati in modo aspecifico, gli esami perfusionali, quali ad esempio la tomografia cerebrale ad emissione di singoli fotoni (SPECT), possono mostrare modificazioni spesso tipiche nelle varie forme di demenza, come la caratteristica distribuzione temporo-parietale dell ipoperfusione nella malattia di Alzheimer (AD). 
Il programma di ricerca dell'unità prevedeva, operando in collaborazione con le Unita' di Genova (Prof. Brianzi) e di Firenze (Dott. Formiconi) di migliorare le immagini SPECT soprattutto per quanto attiene la risoluzione spaziale che consente di individuare le diverse aree cerebrali. 
L'obiettivo dell'Unita' del Prof. Rodriguez era: 1) raccogliere una casistica sufficientemente ampia di pazienti con AD per le successive elaborazioni statistiche; 2) inviare alle Unita' sopracitate di Genova e Firenze i dati grezzi delle SPECT; 3) effettuare ricostruzioni di immagini con i sistemi di calcolo tradizionali; 4) effettuare i confronti tra queste immagini e quelle prodotte con il metodo del Gradiente Coniugato (CGMM); 5) valutare le correlazioni tra i dati perfusionali e quelli derivati da altre metodiche di esplorazione funzionale cerebrale, e cioè, elettroencefalogramma quantificato (EEGq) e neuropsicologia. 

Per rispondere agli obiettivi sopra elencati, è cominciata una selezione di pazienti con probabile (AD) selezionati in accordo con i criteri del gruppo di lavoro NINCDS-ADRDA. In maggior dettaglio, si è seguito un protocollo che prevedeva un esame medico generale ed uno neurologico, un esame strutturale cerebrale, un'ecografia con effetto Doppler dei vasi del collo, la radiografia polmonare, uno screening ematochimico standardizzato per escludere le demenze secondarie, che comprende, tra gli altri, gli esami di funzionalità epatica e renale, gli ormoni tiroidei, gli anticorpi anti-HIV, i tassi ematici di vitamina B12 e di acido folico. In particolare si è valutato anche l'abuso di alcol per mezzo del dato anamnestico e dei livelli serici di alanina aminotransferasi e della gamma-glutamiltranspeptidasi. La presenza di un deficit in almeno due aree cognitive veniva valutato con un approfondito esame neuropsicologico che includeva tests per l'orientamento spazio-temporale, la memoria, la concentrazione e l'attenzione, l'astrazione e la capacità a risolvere problemi, la funzione lessicale, la percezione visiva e la prassia costruttiva. 
A partire dal Febbraio 1998 a tutt'oggi sono stati selezionati 23 pazienti (età media: 72 anni). La gravità della malattia è stata valutata con la Global Deterioration Scale (GDS: punteggio più grave 7, punteggio di partenza 1). Inoltre con il test "Mini Mental Status Examination" (MMSE: punteggio massimo per la normalità 30) si è espresso in maniera sintetica la performance cognitiva in tutti i pazienti. Questa casistica si è ovviamente aggiunta a quella in precedenza già raccolta. 

Come specificato nel programma, tutti i pazienti hanno effettuato una SPECT cerebrale con un'apparecchiatura CERASPECT (Digital Scintigraphics, Waltham, MA) a disposizione dell'unità operativa, la quale acquisisce le immagini perfusionali prodotte dalla somministrazione e.v. di 99mTc-hexamethilpropilen-amine oxime (HMPAO) per mezzo di un cristallo circolare al NaI(Tl) posizionato in un contenitore cilindrico insieme ad un insieme di 63 fotomoltiplicatori. All'interno del cristallo è posizionato un collimatore per basse energie e ad alta risoluzione, che è l'unico elemento in movimento dell'apparecchiatura. Le acquisizioni avvengono per 15 sec. in 120 viste di 3°ciascuna, su un angolo di rotazione di 360°, essendo la testa del paziente collocata all'interno del cristallo con un campo di vista di circa 10 centimetri, il tutto per ottimizzare il rapporto tra statistica dei conti e risoluzione spaziale. 
Con il sistema tradizionale di ricostruzione delle immagini (Filtered backprojection = FBP), la sensibilità del collimatore è di 190 cps/MBq (7.0 cps/*Ci), con una sorgente puntiforme in aria e con una risoluzione spaziale per l'energia a 140 KeV tipica del 99mTc inferiore a 8.5 mm al centro di rotazione e di circa 6.3 mm nelle regioni periferiche (Full Width-Half Maximum). 
Come geometria di costruzione, il collimatore circolare, avendo all'interno tre serie di fori, viene ad essere a tutti gli effetti equivalente a tre collimatori tipici delle gamma camere a tre teste rotanti. 
Un hardware e un software dedicati producono tre differenti sinogrammi equivalenti, ciascuno, a quelli generati da una camera a testa singola. Tutte le acquisizioni sono state effettuate tra 30 e 90 minuti dopo l'iniezione e.v. di 740 fino a 925 MBq di 99mTc-HMPAO (Ceretec, Amersham Medical, Ltd., Amersham, UK) preparato al momento dell'esame. I dati grezzi così ottenuti sono stati inviati in rete al dipartimento di Fisica di Genova dove sono stati opportunamente elaborati per ottenere la ricostruzione delle immagini con il metodo del CGMM. Contemporaneamente a questa ricostruzione "esterna" si è proceduto a ricostruire le immagini nel metodo tradizionale FBP. Sono state così ottenute 64 visioni assiali, orientate parallelamente alla linea canto-meatale; ogni sezione spessa 1.67 mm ricostruite su di una matrice 128x128 (1 pixel = 1.67 mm) con un filtro tipo Butterworth bidimensionale (cut-off 1 cm, ordine 10). Le immagini ricostruite sono state corrette per l'attenuazione con il metodo di Chang di primo ordine, applicando un coefficiente di attenuazione equivalente a 0.15/cm. 
Per elaborare i dati dei pazienti dementi in forma sinottica e suscettibile di ulteriori valutazioni statistiche, abbiamo ricostruito su sezioni transassiali aree di interesse (AdI). In dettaglio, la prima sezione transassiale dello spessore di 5 mm (ottenuta sommando 3 singole sezioni) è stata scelta per individuare al meglio l'ippocampo e le regioni limitrofe con una rotazione delle immagini di + 30° secondo anche quanto già presente in letteratura (l'ippocampo è stato scelto come struttura particolarmente coinvolta nei processi mnesici, il cui deficit è cruciale nelle demenze). 
La seconda sezione (8.3 mm di spessore ) è stata ottenuta dalla somma di 5 singole sezioni che, parallele alla linea canto-meatale, includessero la parte centrale del talamo. Dodici AdI sono state selezionate con un software dedicato, posizionando il bordo esterno al 30 percento dei conti massimi della sezione ed il bordo più interno a distanza dal primo di 1.67 cm (10 pixels); le regioni ottenute sono 2 frontali 2 temporali, 1 parietale, ed 1 occipitale in ciascun emisfero; sono state tratteggiate a mano altre due AdI comprendenti i talami. 
I dati SPECT vengono normalizzati calcolando il rapporto AdI /cervelletto (i conti medi per pixel in ciascuna AdI fratto i conti medi per pixel in tutto il cervelletto, individuato con una AdI definita a mano). 

Il secondo punto sviluppato dall'Unita' di Ricerca del Dipartimento di Medicina Interna era lo studio delle correlazioni tra i dati perfusionali e quelli ottenuti con altre indagini funzionali, quali le prove neuropsicologiche e l'EEGq che è risultato uno strumento utile alla stadiazione dell'AD, poiché mostra una correlazione statisticamente significativa anche con i punteggi delle prove mentali. Abbiamo quindi effettuato in tutti i pazienti un EEGq, secondo le specifiche tipiche della nostra unità di ricerca e che in sintesi possono essere così definite: 
l' EEG è stato registrato in una stanza silenziosa, con il soggetto rilassato, sveglio ad occhi chiusi e sotto controllo continuo per monitorare il livello di vigilanza. Il tracciato è raccolto (30 minuti) su carta per la convenzionale analisi ispettiva da 16 elettrodi epicranici (ERA 21; OTE BIOMEDICA, Firenze, Italia ) in referenza media, posizionati in Fp1, F3, C3, P3, O1, F7, T3, T5, Fp2, F4, C4, P4, O2, F8, T4, T6, secondo il Sistema Internazionale 10-20, insieme all'elettroculogramma per monitorare i movimenti oculari e permettere un più semplice riconoscimento degli artefatti ad essi collegati. Cinque minuti di tracciato vengono acquisiti su calcolatore con campionamento a 128 Hz (su tutti i canali: costante di tempo a 0.1 sec, filtro passa basso a 35 Hz e filtro "notch" per abbattere la corrente alternata). In seguito, l'EEG digitalizzato viene letto "off line su un monitor per procedere all'eliminazione degli artefatti. Epoche EEG di due secondi, libere di artefatti, vengono selezionate con l analisi visiva e le prime 30 vengono elaborate prima con la finestra di Tukey e quindi con la Trasformata rapida di Fourier. Vengono così ottenuti singoli spettri di potenza che, sommati, producono uno spettro medio in ogni canale. A seconda del disegno sperimentale, gli spettri medi vengono divisi in bande di frequenza secondo differenti parametri. I valori delle bande vengono percentualizzati rispetto al valore totale dello spettro. Prima delle elaborazioni statistiche, i valori relativi ottenuti vengono trasformati in scala logaritmica secondo la formula (log[x/(1-x)]) per ottenere una distribuzione il più vicino possibile a quella gaussiana. 
Sono stati quindi effettuate studi correlativi tra i punteggi ottenuti con diversi reattivi mentali ed i dati SPECT, allo scopo di affinare le possibilità diagnostiche e permettere una migliore discriminazione tra pazienti AD, pazienti con altre forme di demenza e soggetti normali. 
La richiesta dell'assegnista è motivata dal grande onere temporale necessario alla raccolta ed all'elaborazione dei dati. 
I risultati fino ad oggi ottenuti concernono: 

1) Per confrontare la resa ispettiva dei due metodi di ricostruzione, è stato esaminato un paziente maschio di 41 anni colpito da embolie multiple all'emisfero cerebrale destro dopo un infarto miocardico acuto e che alla Risonanza Magnetica cerebrale mostrava multiple aree ischemiche nel lobo frontale, in quello parietale con interessamento sia della sostanza grigia che della sostanza bianca e dei nuclei della base. Dopo circa un mese dalla dimissione dall'ospedale, il paziente entrò in un programma di riabilitazione motoria e due mesi dopo fu sottoposto ad un controllo con risonanza magnetica e ad un esame SPECT, allo scopo di ottimizzare il programma di riabilitazione. La SPECT, effettuata secondo le modalità già descritte, fu ricostruita con il metodo FBP e con il CGMM. Per confrontare le due ricostruzione sono state scelte le immagini 122 e 118 dell'atlante stereotassico del Talairach che permettono di apprezzare un gran numero di aree cerebrali differenti. Il metodo CGMM ha aumentato la capacità di riconoscere le aree cerebrali con diversa captazione di tracciante (il metodo tradizionale restituisce, infatti, un'immagine della corteccia molto più indefinita nei contorni). Tipica situazione è quella delle regioni ippocampali, che spesso appaiono non distinguibili dalle aree adiacenti, come l'amigdala e la corteccia occipitale. Molto incoraggiante, infine, il risultato ispettivo sull'area infartuata: i confini delle zone necrotiche sono sostanzialmente diversificati nei due metodi, essendo molto più definite con quello del gradiente coniugato. 

2) Con l'elettroencefalogramma quantificato (EEGq) sono stati studiati 42 pazienti AD e 18 controlli anziani sani che avevano anche fatto un esame perfusionale con lo Xenon-133, per valutare le capacità di discriminazione pazienti-controlli dei due esami: è risultata una sensibilità del 88% ed una specificità del 89%, con un'accuratezza totale del 88.3%. L'EEGq da solo ha mostrato un'accuratezza del 77%. Lo studio conferma che i dati di funzionalità cerebrale nell'AD sono ovviamente importanti ma che se essi vengono raccolti contemporaneamente nello stesso paziente, allora il loro contributo all'accuratezza diagnostica nella pratica clinica routinaria diventa rilevante. 

3) La correlazione tra dati SPECT e di EEGq in una serie preliminare di 19 (3) e quindi in un gruppo più consistente di 43 pazienti AD (4-6) ha consentito di comprendere come la performance neuropsicologica riassunta dal MMSE risulti significativamente correlata sia con i livelli perfusionali temporo-parietali che con le bande alfa e delta dell EEGq, specie nell emisfero destro. Anche più interessante dal punto di vista fisiopatologico la stretta relazione tra flusso dell ippocampo e sia EEGq che MMSE nell emisfero destro ma non nell emisfero sinistro. Questo risultato, ottenuto con l approccio statistico multi-dimensionale della Analisi delle Componenti Principali, sottolinea la rilevanza della funzione delle strutture ippocampali nel deficit clinico della AD e apre a considerazioni sulle asimmetrie anatomo-funzionali nel corso della malattia. 

4) In una serie preliminare di 14 pazienti AD è stata individuata una correlazione diretta tra flusso ematico ippocampale in entrambi gli emisferi ed il rapporto tra Diidroepiandosterone Solfato (DHEA-S) e Cortisolo, possibile espressione sia di un azione lesiva del cortisolo sull ippocampo che di una mancata azione protettiva del DHEA-S sulla stessa struttura. Il fatto poi che l ippocampo venga considerato una struttura chiave nel controllo feed-back della sintesi di ormoni corticosurrenalici sottolinea la rilevanza del suo danno nel determinare la rottura del controllo feed-back da parte dei tassi circolanti di Cortisolo e DHEA-S. Il circolo vizioso danno ippocampale ðà perdita del feed-back ðà diminuzione del rapporto DHEA-S/cortisolo ðà danno ippocampale che ne risulta può favorire in maniera significativa l accelerazione della malattia. 

5) La fase finale della ricerca è stata confrontare le immagini SPECT ottenute con il nuovo algoritmo del Gradiente Coniugato (CG) con quelle derivanti dal metodo convenzionale della "Filtered Backprojection" (FBP) in un gruppo di pazienti affetti da lieve MA (con punteggio superiore a 14 al Mini-Mental State Examination, MMSE) e in un gruppo di controllo di anziani sani. 
I risultati perfusionali derivanti dalle due tecniche di ricostruzione sono stati correlati con i risultati derivanti da altre metodiche consolidate, che forniscono misure quantitative della funzione cerebrale. 
Con il metodo già descritto, è stata quantificata la perfusione in quattro aree di interesse, nelle regioni ippocampali e in quelle temporoparietali dei due emisferi. 
Il punteggio al "Selective Reminding Test" (SRT) e la perfusione ippocampale nei due emisferi (con entrambi i metodi di ricostruzione) erano significativamente (p<0.001) ridotti nei pazienti rispetto ai controlli. 
Ad un'analisi ispettiva in cieco, due esperti lettori di immagini SPECT hanno riconosciuto una migliore risoluzione spaziale nelle immagini ricostruite con il metodo CG, con un accordo inter-osservatore dell'88%. 
Nei pazienti, la perfusione ippocampale correlava con il punteggio MMSE con significatività simile con i due metodi di ricostruzione; d'altra parte la correlazione tra perfusione ippocampale e punteggio SRT era migliore con il metodo CG (r=0.52 e 0.54 nei due emisferi, p<0.01) rispetto al metodo FBP (r=0.39 e 0.47 nei due emisferi, 0.02

<0.05). La perfusione temporoparietale non correlava con il punteggio SRT, mentre mostrava un trend di correlazione (r=0.3, p=0.08) con il MMSE solo con il metodo CG. 
Infine, in un sottogruppo di 13 pazienti, la perfusione ippocampale mostrava una correlazione borderline con la potenza relativa della banda delta dell'elettroencefalogamma quantificato (EEGq) solo col metodo CG. 

CONCLUSIONE 
Il metodo CG mostra migliori correlazioni con i punteggi neuropsicologici, in particolare quelli che esprimono il deficit di memoria, e con i dati derivanti dall elettroencefalogramma quantificato. 
Con l evoluzione della tecnologia informatica che rende sempre più rapida l elaborazione delle immagini, questa metodica è pertanto proponibile per l uso clinico, anche se i risultati qui presentati devono essere confortati da una consistenza numerica più elevata e da una più elaborata analisi statistica.

10. Pubblicazioni

11. Prodotti della Ricerca eseguita

Messa a punto di un sistema di ricostruzione delle immagini SPECT perfusionalei cerebrali. 
Tale sistema consente di ottenere una migliore risoluzione spaziale delle immagini e per questo, superati i problemi legati essenzialmente alla velocità di calcolo, si ritiene giustificata la proposta di un uso clinico routinario del sistema.

12. Componenti dell'Unità di ricerca che hanno effettivamente partecipato alla ricerca
Personale docente

Altro personale

Personale a contratto

13. Note relative ai componenti (p.12)

IL DOTT. PAOLO VITALI HA OTTENUTO IL CONTRATTO A RICERCA GIA' INIZIATA SOLO ED ESCLUSIVAMENTE PER IL RITRDO DELL'ATENEO CHE NON ERA PREPARATO AI MECCANISMI DI ASSUNZIONE DI QUESTE NUOVE FIGURE. 
IL DOTT. VITALI E' STATO INFATTI IL PRIMO ASSEGNITA DELL'ATENEO GENOVESE E PER LUI E' STATO PREPARATO TUTTO L'ITER DI ASSUNZIONE POI UTILIZZATO PER TUTTI GLI ALTRI CONTRATTI. TALE RITARDO E' QUINDI DIPESO SOLO DA PROBLEMI BUROCRATICI. 
IL DOTT VITALI HA PERO' COMINCIATO A LAVORARE AL PROGETTO FIN DAL SUO INIZIO ED,IN OGNI CASO, CONTINUA AD OPERARE PRESSO IL DIMI IN QUANTO TUTTA LA CIFRA NECESSARIA PER IL CONTRATTO E' GIA' STATA TRASFERITA ALL'ATENEO COME GARANZIA DEL PAGAMENTO. 
DELL'IMPEGNO LAVORATIVO DEL DOTT. VITALI FIN DALL'INIZIAO DELLA RICERCA VALGONO LE ALLEGATE PUBBLICAZIONI DEL 1998 CHE TESTIMONIANO DI UNA RACCOLTA ED ELABORAZIONE DEI DATI BEN PRECEDENTE ALL'INIZIO EFFETTIVO DEL CONTRATTO. 

1) Rodriguez G, Nobili F, Rocca G, De Carli F, Vitali P, Gianelli MV, Rosadini G. Quantitative EEG and regional Cerebral Blood Flow; discriminant analysis between Alzheimer’s patients and healthy controls. Dement Geriat Cogn Disord 9: 274-283, 1998 (Imp. Fac. = 2.8) 
2) Nobili F., Taddei G, Vitali P., Bazzano L, Catsafados E, Mariani G, Rodriguez G. Relationship 99mTc-HMPAO (CERASPECT) and quantitative EEG (qEEG) observations in Alzheimer’s disease. Arch. Gerontol. Geriat. Suppl. 6:363-368; 1998. (Imp. Fac. = 0.5). 
3) Nobili F., Calvini P., Taddei G., Vitali P., Mariani G., Rodriguez G. Feasibility in the Clinical Setting of Perfusion Brain SPECT Imaging Employing a Brain-dedicated Gamma Camera and the Conjugate Gradients with Modified Matrix Reconstruction Method. Ital J Neurol Sci, 19:375-379, 1998 


IL DOTT VITALI CONTINUA INOLTRE CON L'ELABORAZIONE DEI DATI RACCOLTI E NON ANCORA VALUTATI AD ESEMPIO (STUDIANDO LA SPECT PERFUSIONALE) LE AREE CEREBRALI CHE OLTRE A QUELLE IPPOCAMPALI POSSONO RISULTARE IMPORTANTI NELLA DIAGNOSI PRECOCE DI MALATTIA DI ALZHEIMER UTILIZZANDO LA RICOSTRUZIONE CON GRADIENTE CONIUGATO RISPETTO ALLA TRADIZIONALE CON FBP. 
SI FA COMUNQUE NOTARE CHE LA CIFRA MESSA A DISPOSIZIONE DAL PROF. G. RODRIGUEZ (30 MILIONI) E' SUPERIORE A QUANTO SAREBBE STATO DOVUTO O POTUTO CERTIFICARE (10 MILIONI ED OTTOCENTO MILA LIRE) A FRONTE DEL COFINANZIAMENTO OTTENUTO DI 36 MILIONI.

14. Risorse umane complessivamente ed effettivamente impegnate

15. Dati complessivi relativi al programma

16. Tabella delle spese sostenute: cifre spese, rimaste da pagare o impegnate(*)
(*) Da Impegnare LIMITATAMENTE a Pubblicazioni e Partecipazioni a Convegni e Congressi SOLAMENTE se inerenti i risultati della Ricerca cofinanziata per i quali si richiedera' successiva rendicontazione

Si ricorda che ogni variazione rispetto al Programma Iniziale sulla composizione delle Unità Operative e sulla diversa utilizzazione dei Fondi, doveva essere comunicata al Dipartimento Affari Economici come da nota n. 1709 del 22.7.98.

(per la copia da depositare presso l’Ateneo e per l’assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")