La risonanza magnetica nucleare funzionale delle principali aree eloquenti nelle valutazioni pre-chirurgiche: protocolli di acquisizione e analisi dei dati

INTRODUCTION: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an advanced imaging technique used to study brain activation areas. Widely employed in research and clinical practice, it is an important tool for supporting neurosurgical planning, allowing the mapping of eloquent areas to preserve them as much as possible during surgery, particularly those controlling motor function. An fMRI exam involves administering tasks that the patient must perform during the acquisition of EPI sequences, following the experimental design of the exam. The duration of the fMRI acquisition protocol is not a negligible factor, as it is often combined with other lengthy clinical protocols, when the subject’s tolerance is already reduced: this can affect reliability or even compromise the final result. It may be important to evaluate an optimization process that reduces acquisition times or, in comparable times, gathers more information, such as those related to language areas. AIM OF THE STUDY: This study aims to optimize the acquisition time of an fMRI with a motor task. The protocol used at the Molinette Hospital in Turin (AOU Città della Salute e della Scienza), considered particularly long by neuroradiology specialists (hereafter referred to as "OLD Protocol"), was compared by working on both the structure of the block design paradigm and its duration. Exploiting the dynamic nature of motor activations, the new protocol (hereafter referred to as "NEW Protocol") proposed reducing the duration of both activation and rest blocks, as well as decreasing the total number of volumes acquired, deemed redundant in relation to the specific need. MATERIALS AND METHODS: The OLD and NEW protocols were preliminarily acquired, one after the other, on a healthy subject using a Philips Ingenia machine with a 3T magnet and a 32-channel coil, employing native EPI sequences parameterized as explained below. To elicit right-side motor activations, a left-hand finger-tapping motor task was used, followed by an acquisition with a left-foot flexion-extension motor task. The experimental design of the OLD protocol involved eight alternating activation/rest epochs, each lasting 30 seconds, with a nominal duration of 4 minutes, while the proposed NEW protocol featured only six epochs of halved duration (15 seconds), with a nominal duration of 1.5 minutes. Note that the OLD protocol, after three “dummy scans,” immediately began with an activation block, whereas in accordance with the literature consulted for developing the new protocol, it was chosen to reduce the number of dummy scans to two but start with a rest block. The data from the acquisition were analyzed qualitatively using FSL software. RESULTS: Visual evaluation performed using the same analysis parameters showed no macroscopic differences in the activation areas within the motor cortex. The NEW protocol, used for two limbs, required 3 minutes, compared to 8 minutes for the OLD protocol. The net time savings in this study, which involved only two limbs (left upper and lower), was thus 5 minutes, which would become 10 minutes for a complete bilateral motor study, representing a reduction of over 60% in acquisition time. DISCUSSION AND CONCLUSIONS: While there is a need to confer statistical significance to the study by increasing the number of subject comparisons and improving the experimental design, the current results, although not supported by quantitative analysis, showed substantial overlap between the findings. This suggests the usefulness of proceeding with method validation.

INTRODUZIONE: La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una tecnica di imaging avanzato per lo studio delle aree di attivazione cerebrale. Usato in ambiti di ricerca e nella pratica clinica è uno strumento a supporto della pianificazione neurochirurgica che consente la mappatura delle aree eloquenti per preservarle il più possibile durante l’intervento, specie quelle che controllano la funzione motoria. Un esame fMRI consiste nella somministrazione di task che il paziente deve eseguire seguendo il disegno sperimentale dell’esame. La durata del protocollo di acquisizione fMRI non è elemento trascurabile, perché spesso associato ad altri protocolli lunghi, quando la tolleranza del soggetto è già diminuita: ciò può influire sull’affidabilità o addirittura inficiare il risultato finale. Può essere importante valutare un processo di ottimizzazione che permetta di ridurre i tempi o di acquisire in tempi sovrapponibili un numero maggiore di informazioni, come quelle relative alle aree del linguaggio. SCOPO DEL LAVORO: Questo studio propone di ottimizzare il tempo di acquisizione di una fMRI con task motorio. Si è confrontato il protocollo in uso presso l’Ospedale Molinette di Torino (AOU Città della Salute e della Scienza), ritenuto particolarmente lungo dagli specialisti neuroradiologi (d’ora in poi “Protocollo OLD”), lavorando sia sulla struttura del paradigma di attivazione ad epoche, sia sulla sua durata. Sfruttando la particolare vivacità manifestata dalle attivazioni motorie, si è proposta nel nuovo protocollo (d’ora in poi “Protocollo NEW”) una riduzione nella durata delle epoche di attivazione e di rest, riducendo anche il numero complessivo di volumi acquisito, ritenuto ridondante in rapporto all’esigenza specifica. MATERIALI E METODI: Il protocollo OLD ed il protocollo NEW sono stati acquisiti preliminarmente, uno dopo l’altro, su un soggetto sano, su apparecchiatura Philips Ingenia con magnete da 3T, con bobina a 32 canali e impiegando sequenze EPI native parametrizzate come spiegato nel seguito. Ad elicitare le attivazioni motorie a destra, si è utilizzato un task motorio di finger tapping della mano sinistra, seguito da un’acquisizione con task motorio di flesso-estensione del piede sinistro. Il disegno sperimentale del protocollo OLD prevedeva otto epoche alternate di attivazione/rest, ciascuna della durata di 30 secondi, con una durata nominale di 4 minuti, il protocollo NEW proposto prevede l’alternanza di sole sei epoche di durata dimezzata (15 secondi), con una durata nominale di un minuto e mezzo. Si osservi che il protocollo OLD, dopo tre “dummy - scan” iniziava subito con un’epoca di attivazione, mentre in accordo alla letteratura consultata per la messa a punto del nuovo protocollo si è scelto di diminuire a due il numero delle dummy-scan iniziando però con un’epoca di rest. I dati provenienti dall’acquisizione sono stati analizzati qualitativamente, utilizzando il software FSL. RISULTATI: La valutazione visiva eseguita con gli stessi parametri di analisi non evidenzia differenze macroscopiche nelle aree di attivazione nella corteccia motoria. Il protocollo NEW, impiegato per due arti, ha richiesto 3 minuti, contro gli 8 minuti del protocollo OLD. Il risparmio netto in questo studio, che ha coinvolto due soli arti (superiore e inferiore sinistro) è stato dunque di ben 5 minuti, che diverrebbero 10 per uno studio motorio completo bilaterale, con una riduzione di oltre il 60% del tempo di acquisizione. DISCUSSIONE E CONCLUSIONI: Ferma restando la necessità di conferire allo studio una significatività statistica aumentando il numero di confronti tra soggetti e migliorando il disegno sperimentale, gli attuali risultati, per quanto non supportati da un’analisi quantitativa, hanno evidenziato una sostanziale sovrapponibilità tra i reperti. Questo orienta a pensare all’utilità di procedere ad una validazione del metodo.