G.M. Giannatempo

3.0-T functional brain imaging: a 5-year experience

The aim of this paper is to illustrate the technical, methodological and diagnostic features of functional imaging (comprising spectroscopy, diffusion, perfusion and cortical activation techniques) and its principal neuroradiological applications on the basis of the experience gained by the authors in the 5 years since the installation of a high-field magnetic resonance (MR) magnet. These MR techniques are particularly effective at 3.0 Tesla (T) owing to their high signal, resolution and sensitivity, reduced scanning times and overall improved diagnostic ability. In particular, the high-field strength enhances spectroscopic analysis due to a greater signal-to-noise ratio (SNR) and improved spectral, space and time resolution, resulting in the ability to obtain highresolution spectroscopic studies not only of the more common metabolites, but also – and especially – of those which, due to their smaller concentrations, are difficult to detect using 1.5-T systems. All of these advantages can be obtained with reduced acquisition times. In diffusion studies, the high-field strength results in greater SNR, because 3.0-T magnets enable increased spatial resolution, which enhances accuracy. They also allow exploration in greater detail of more complex phenomena (such as diffusion tensor and tractography), which are not clearly depicted on 1.5-T systems. The most common perfusion study (with intravenous injection of a contrast agent) benefits from the greater SNR and higher magnetic susceptibility by achieving dramatically improved signal changes, and thus greater reliability, using smaller doses of contrast agent. Functional MR imaging (fMRI) is without doubt the modality in which high-field strength has had the greatest impact. Images acquired with the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) technique benefit from the greater SNR afforded by 3.0-T magnets and from their stronger magnetic susceptibility effects, providing higher signal and spatial resolution. This enhances reliability of the localisation of brain functions, making it possible to map additional areas, even in the millimetre and submillimetre scale. The data presented and results obtained to date show that 3.0-T morphofunctional imaging can become the standard for highresolution investigation of brain disease.

Role of perfusion-weighted imaging at 3 Tesla in the assessment of malignancy of cerebral gliomas

PurposeThis study was performed to clarify the role of perfusion-weighted imaging (PWI) at 3 Tesla in the characterisation of haemodynamic heterogeneity within gliomas and surrounding tissues and in the differentiation of high-grade from low-grade gliomas.Materials and methodsWe examined 36 patients with histologically verified gliomas (25 with high-grade and 11 with low-grade gliomas). PWI was performed by first-pass gadopentetate dimeglumine T2*-weighted echo-planar images, and cerebral blood volume (CBV) maps were computed with a nondiffusible tracer model. Relative CBV (rCBV) was calculated by dividing CBV in pathological areas by that in contralateral white matter.ResultsIn high-grade gliomas, rCBV were markedly increased in mass [mean±standard deviation (SD), 4.3±1.2] and margins (4.0±1.1) and reduced in necrotic areas (0.3±0.3). Oedematous-appearing areas were divided in two groups according to signal intensity on T2-weighted images: tumour with lower (nearly isointense to grey matter) and oedema with higher (scarcely isointense to cerebrospinal fluid) signal intensity. Tumour showed significantly higher rCBV than did oedema (1.8±0.5 vs. 0.5±0.2; p<0.001) areas. In low-grade gliomas, mass (2.0±1.5) and margin (2.2±1.2) rCBV were significantly lower than in high-grade gliomas (p<0.001).ConclusionsThree-Tesla PWI helps to distinguish necrosis from tumour mass, infiltrating tumour from oedema and high-grade from low-grade gliomas. It enhances the magnetic resonance (MR) assessment of cerebral gliomas and provides useful information for planning surgical and radiation treatment.RiassuntoObiettivoChiarire il ruolo dell’imaging pesato in perfusione (PWI) a 3 Tesla nella caratterizzazione dell’eterogeneità emodinamica dei gliomi cerebrali e dei tessuti circostanti, e nella differenziazione dei gliomi di alto grado da quelli di basso grado.Materiali e metodiAbbiamo esaminato 36 pazienti con gliomi verificati istologicamente (25 con alto ed 11 con basso grado). Il PWI è stato ottenuto mediante immagini eco-planari T2*-pesate con primo passaggio di gadopentetato di dimeglumina, e le mappe di volume ematico cerebrale (CBV) sono state elaborate con il modello del tracciante non diffusibile. Il volume ematico cerebrale relativo (rCBV) è stato calcolato dividendo il CBV nelle aree patologiche per quello nella sostanza bianca controlaterale.RisultatiNei gliomi di alto grado, l’rCBV appariva marcatamente incrementato nella massa (media±SD, 4,3±1,2) ed ai margini (4,0±1,1), e ridotto nelle aree necrotiche (0,3±0,3). Le regioni apparentemente edematose sono state divise in due gruppi sulla base dell’intensità di segnale nelle immagini pesate in T2: “tumore” con più basso segnale (quasi isointenso alla sostanza grigia) ed “edema” con segnale più elevato (quasi isointenso al liquido cefalorachidiano). Le aree “tumore” presentavano rCBV significativamente più elevato rispetto a quelle “edema” (1,8±0,5 vs 0,5±0,2; p<0,001). Nei gliomi di basso grado, l’rCBV nella massa (2,0±1,5) e nel margine (2,2±1,2) erano significativamente più bassi che nei gliomi di alto grado (p<0,001).ConclusioniIl PWI a 3T aiuta a differenziare la necrosi dalla massa tumorale, il tumore infiltrante dall’edema, e i gliomi di alto grado da quelli di basso grado. Esso facilita la caratterizzazione in RM dei gliomi cerebrali e fornisce utili informazioni per la pianificazione del trattamento chirurgico e radiante.

Phenylketonuria: white-matter changes assessed by 3.0-T magnetic resonance (MR) imaging, MR spectroscopy and MR diffusion

PurposeThis study evaluated the sensitivity of a 3.0-Tesla (T) magnetic resonance imaging (MRI) in measuring cerebral phenylalanine using proton magnetic resonance spectroscopy and in assessing MR-documented white-matter changes by means of diffusion studies (diffusion-weighted imaging, apparent diffusion coefficient map; diffusion tensor imaging) in patients with phenylketonuria.Materials and methodsThirty-two patients with the classical clinical and biochemical deficits of phenylketonuria underwent biochemical (blood phenylalanine), genotypic (phenylalanine hydroxylase gene) and radiological investigation by means of MRI, proton magnetic resonance spectroscopy and diffusion magnetic resonance imaging with a 3.0-T scanner.ResultsPeriventricular and subcortical white-matter changes were detected on all MR scans. In 29/32 patients, proton magnetic resonance spectroscopy easily documented abnormal signal elevation at 7.36 ppm, corresponding to phenylalanine, despite its low concentration. Phenylalanine signal amplitude relative to the creatine/phosphocreatine signal increased linearly with blood phenylalanine values (r 0.7067; p<0.001). Diffusion MRI demonstrated hyperintensity in the areas exhibiting MRI changes as well as decreased apparent diffusion coefficient values, but fractional anisotropy indices were normal.ConclusionsThe high signal, together with better spectral, spatial, contrast and temporal resolution, makes the 3.0-T MR the most suitable technique in the study of the phenylketonuria. In particular, the multimodal approach with MRI, proton magnetic resonance spectroscopy and diffusion magnetic resonance imaging can provide more information than previous studies performed with low-field systems.RiassuntoObiettivoValutare in pazienti con fenilchetonuria la sensibilità di un sistema di risonanza magnetica (RM) a 3,0 Tesla (T) nel misurare la fenilalanina cerebrale con la spettroscopia protonica e nel documentare le alterazioni della sostanza bianca rilevate con lo studio RM di base utilizzando gli studi di diffusione (imaging pesato in diffusione, mappa del coefficiente di diffusione apparente, imaging del tensore).Materiali e metodiTrentadue pazienti con il deficit clinico e biochimico classico di fenilchetonuria sono stati sottoposti ad uno studio biochimico (livelli della fenilalanina cerebrale), genotipico (gene fenilalanina idrossilasi) e radiologico mediante uno studio RM di base, di spettroscopia e di diffusione con apparecchiatura a 3,0 T.RisultatiIn tutte le immagini RM morfologiche sono state rilevate alterazioni della sostanza bianca periventricolari e sottocorticali. In 29 pazienti su 32 la spettroscopia protonica ha rilevato facilmente un picco anomalo a 7,36 ppm corrispondente alla fenilalanina nonostante la sua bassa concentrazione. Ls’ampiezza del segnale della fenilalanina relativo al rapporto creatina/fosfocreatina incrementa linearmente con la fenilalanina ematica (r=0,7067; p<0,001). Lo studio di diffusione ha evidenziato iperintensità focali nelle aree di alterato segnale documentate con lo studio RM di base, valori di coefficiente di diffusione apparente ridotto e indici di anisotropia frazionata normale.ConclusioniLs’alto segnale assieme alla maggiore risoluzione spettrale, spaziale, di contrasto e temporale rende il sistema 3,0 T ideale per lo studio della fenilchetonuria. In particolare ls’approccio multimodale con imaging RM di base, di spettroscopia e di diffusione può fornire maggiori informazioni rispetto ai precedenti studi acquisiti con sistemi a più basso campo.Purpose. This study evaluated the sensitivity of a 3.0-Tesla (T) magnetic resonance imaging (MRI) in measuring cerebral phenylalanine using proton magnetic resonance spectroscopy and in assessing MR-documented whitematter changes by means of diffusion studies (diffusionweighted imaging, apparent diffusion coefficient map; diffusion tensor imaging) in patients with phenylketonuria. Materials and methods. Thirty-two patients with the

Role of advanced MR imaging modalities in diagnosing cerebral gliomas

The objective of this study was to evaluate the potential role of newly developed, advanced magnetic resonance (MR) imaging techniques (spectroscopy, diffusion and perfusion imaging) in diagnosing brain gliomas, with special reference to histological typing and grading, treatment planning and posttreatment follow-up. Conventional MR imaging enables the detection and localisation of neoplastic lesions, as well as providing, in typical cases, some indication about their nature. However, it has limited sensitivity and specificity in evaluating histological type and grade, delineating margins and differentiating oedema, tumour and treatment side-effects. These limitations can be overcome by supplementing the morphological data obtained with conventional MR imaging with the metabolic, structural and perfusional information provided by new MR techniques that are increasingly becoming an integral part of routine MR studies. Incorporation of such new MR techniques can lead to more comprehensive and precise diagnoses that can better assist surgeons in determining prognosis and planning treatment strategies. In addition, the recent development of new, more effective, treatments for cerebral glioma strongly relies on morphofunctional MR imaging with its ability to provide a biological interpretation of these characteristically heterogeneous tumours.RiassuntoLo scopo del lavoro è di illustrare le potenzialità delle nuove e più avanzate modalità di studio RM (spettroscopia, diffusione, perfusione) nella diagnostica dei gliomi cerebrali, con particolare riferimento alla definizione dell’istotipo e del grading, alla pianificazione del trattamento e al follow-up post-trattamento. Con la RM di base è possibile nei casi tipici identificare la lesione neoplastica, stabilirne la sede e la topografia e proporre un’ipotesi di natura. Vi è però una limitata sensibilità e specificità nella definizione dell’istotipo e del grading, nell’individuazione dei margini neoplastici e nella differenziazione tra tumore ed edema o effetti del trattamento. È necessario pertanto integrare le informazioni fornite dalla RM di base con le informazioni di carattere metabolico, strutturale ed emodinamico fornite dalle più recenti tecniche RM, oramai parte integrante di uno studio di routine. In tal modo sono possibili diagnosi sempre più precise ed esaustive per il chirurgo, necessarie per definire la prognosi e l’impostazione delle diverse strategie terapeutiche. Inoltre, il recente sviluppo di nuovi e più efficaci trattamenti ha reso sempre più necessario uno studio RM morfofunzionale con cui ottenere in maniera non invasiva una “neuropatologia in vivo” e quindi un’interpretazione biologica della eterogeneità tipica di tali tumori.Abstract The objective of this study was to evaluate the potential roleof newly developed, advanced magnetic resonance (MR)imaging techniques (spectroscopy, diffusion and perfusionimaging) in diagnosing brain gliomas, with specialreference to histological typing and grading, treatmentplanning and posttreatment follow-up. Conventional MRimaging enables the detection and localisation of neoplasticlesions, as well as providing, in typical cases, someindication about their nature. However, it has limitedsensitivity and specificity in evaluating histological typeand grade, delineating margins and differentiating oedema,tumour and treatment side-effects. These limitations can beovercome by supplementing the morphological dataobtained with conventional MR imaging with themetabolic, structural and perfusional information providedby new MR techniques that are increasingly becoming anintegral part of routine MR studies. Incorporation of suchnew MR techniques can lead to more comprehensive andprecise diagnoses that can better assist surgeons indetermining prognosis and planning treatment strategies. Inaddition, the recent development of new, more effective,treatments for cerebral glioma strongly relies onmorphofunctional MR imaging with its ability to provide abiological interpretation of these characteristicallyheterogeneous tumours.

Risonanza Magnetica 3.0 Tesla

Dall’avvento della Risonanza Magnetica (RM) le apparecchiature con intensità di campo magnetico di 1.5 Tesla (T) sono state sempre considerate il “gold standard” per lo studio dei vari distretti corporei. Fino a qualche tempo fa parlare di sistemi RM a più alto campo significava riferirsi a sistemi dedicati solo ed esclusivamente alla ricerca e non certo per l’uso clinico. In realtà recentemente sono stati messi in commercio sistemi RM a più alto campo (3.0 T) da utilizzare non solo per la ricerca, ma anche e soprattutto per far fronte a nuove e più sofisticate applicazioni cliniche con conseguenti importanti benefici soprattutto in campo neuroradiologico. Da oltre 1 anno il servizio di Neuroradiologia del nostro Istituto Scientifico è stato dotato di un’apparecchiatura RM 3.0 T con gradienti di alta potenza (50 mT/m). Lo scopo del lavoro è quello di illustrare le principali applicazioni cliniche di interesse neuroradiologico che tale apparecchiatura è in grado di eseguire mettendo in risalto i vantaggi e i limiti rispetto a sistemi RM 1.5 T.

3.0-T morphological and angiographic brain imaging: a 5-years experience

Ever since the introduction of magnetic resonance (MR), imaging with 1.5 Tesla (T) has been considered the gold standard for the study of all areas of the body. Until not long ago, higher-field MR equipment was exclusively employed for research, not for clinical use. More recently, the introduction of 3.0-T MR machines for new and more sophisticated clinical applications has resulted in important benefits, especially in neuroradiology. Indeed, their high gradient power and field intensity (3.0 T) allow adjunctive and more advanced diagnostic methodologies to be performed with excellent resolution in a fraction of the acquisition time required with earlier machines. The purpose of this paper is to illustrate the distinctive semeiological characteristics of 3.0-T morphological and angiographic brain imaging compared with lower-field systems and highlight the respective advantages and drawbacks based on the experience gained in the first 5 years from the installation of a 3.0-T magnet.

Semeiological features of 3.0 T MR imaging: What changes at high magnetic field

High signal. The main advantage of a high field strength MR system is the increased signal/noise ratio (S/N) . An increase in magnetic field strength is accompanied by a proportional increase in the percentage of hydrogen protons oriented parallel to the static magnetic field (B0) with a consequent rise in macroscopic longitudinal magnetization (MLM) and hence a better S/N. In particular, signal intensity increases with the square of the static magnetic field B0, whereas noise is linearly proportional to B0. In theory, the linear S/N increase with magnetic field should double the S/N moving from a 1.5 T to a 3.0 T MR system. In practice, this only occurs in some tissues such as cerebrospinal fluid, whereas the S/N increase is much more attenuated (from 30% to 60%) in the white and grey matter and in the grey nuclei as the signal reduction caused by changes in relaxation times is associated with greater signal loss due to susceptibility given the minimum concentrations of iron in these areas.

3.0 T MR Imaging

A 3.0 T MR system implements all the impulse sequences usually applied in clinical practice such as spin echo (SE): normal, fast 2D and 3D; gradient echo (GE): GRASS / FastGRASS 2D and 3D, SPGR / Fast SPGR 2D e 3D; echoplanar (EPI): single shot / multishot 2D e 3D; inversion recovery (IR): STIR, FLAIR (normal, fast), using the usual imaging parameters like flow and respiratory compensation, cardiac and peripheral gating, graphic prescription, fat/water saturation, variable bandwidth and asymmetric field of view. Both the user interface and the parameters of these sequences are the same as those of 1.5 T systems so that recompiling such sequences on 3.0 T systems should theoretically yield exactly the same images with the advantage of high field strength, namely a double signal intensity. In practice, much depends on the relaxation times (T1 and T2) and the SAR . As INTRODUCTION – 3.0 T magnetic resonance scanning (MR) offers better quality images than those obtained with lower field strength systems, thereby benefiting many fields of study. The increased spatial resolution is a particular advantage in investigating certain diseases, e.g. brain tumours requiring tissue characterization, spatial work-up and in-depth presurgical planning, or congenital abnormalities difficult to identify.

I segni elementari della degenerazione articolare del rachide

Grande importanza riveste nella pratica quotidiana la patologia degenerativa del rachide. Essa può presentarsi in quattro forme principali: come alterazioni degenerative del disco intersomatico [condrosi (vacuum discale, riduzione in altezza del disco, etc.) e osteocondrosi (ernie discali intraspongiose e altre irregolarità delle limitanti discosomatiche, osteosclerosi reattiva subcondrale, etc.)]; come artrosi delle articolazioni sinoviali (atlo-assiale, interapofisaria, costo-vertebrale); come spondilosi (caratterizzata dalla presenza di grossolani spondilofiti con relativo risparmio, almeno allinizio, dello spazio intersomatico); come diffuse calcificazione ed ossificazione dei tessuti molli paravertebrali di sostegno (iperostosi scheletrica diffusa idiopatica, DISH, o malattia di Forestier). Tra i segni elementari ben evidenziabili radiograficamente (ma riconoscibili anche con TC e RM), utili per una diagnosi differenziale vanno ricordati: gli spondilofiti od osteofiti (osteoproduzioni a decorso inizialmente orizzontale), marginali (piccoli, triangolari, da degenerazione del nucleo polposo, nellosteocondrosi intervertebrale), submarginali (grossolani, con tendenza a saldarsi a ponte, da lesioni delle fibre di Sharpey dellanello fibroso con trazione sul punto di inserzione del legamento longitudinale anteriore sul soma, nella spondilosi), riparativi (da osteoproduzione reattiva a lesioni traumatiche, flogistiche, neoplastiche, ad instabilità), iperostosici (nella DISH); i sindesmofiti (osteoproduzioni a decorso verticale), marginali (da calcificazione delle fibre periferiche dellanulus, nella spondilite anchilosante e nella MDPC), non marginali (parasindesmofiti, paradiscali, nelle spondiloartriti seronegative), la cui patogenesi è però flogistica; le ossificazioni e calcificazioni ligamentose paravertebrali (idiopatiche, da spondiloartriti seronegative, da DISH). Due sono le complicanze più comuni della patologia degenerativa del rachide: la spondilolistesi e la stenosi del canale vertebrale. Esse si giovano sempre di unintegrazione di studio con TC e/o RM.

Ruolo dell'imaging pesato in perfusione a 3 Tesla nella valutazione del grado di malignità dei gliomi cerebrali

PurposeThis study was performed to clarify the role of perfusion-weighted imaging (PWI) at 3 Tesla in the characterisation of haemodynamic heterogeneity within gliomas and surrounding tissues and in the differentiation of high-grade from low-grade gliomas.Materials and methodsWe examined 36 patients with histologically verified gliomas (25 with high-grade and 11 with low-grade gliomas). PWI was performed by first-pass gadopentetate dimeglumine T2*-weighted echo-planar images, and cerebral blood volume (CBV) maps were computed with a nondiffusible tracer model. Relative CBV (rCBV) was calculated by dividing CBV in pathological areas by that in contralateral white matter.ResultsIn high-grade gliomas, rCBV were markedly increased in mass [mean±standard deviation (SD), 4.3±1.2] and margins (4.0±1.1) and reduced in necrotic areas (0.3±0.3). Oedematous-appearing areas were divided in two groups according to signal intensity on T2-weighted images: tumour with lower (nearly isointense to grey matter) and oedema with higher (scarcely isointense to cerebrospinal fluid) signal intensity. Tumour showed significantly higher rCBV than did oedema (1.8±0.5 vs. 0.5±0.2; p<0.001) areas. In low-grade gliomas, mass (2.0±1.5) and margin (2.2±1.2) rCBV were significantly lower than in high-grade gliomas (p<0.001).ConclusionsThree-Tesla PWI helps to distinguish necrosis from tumour mass, infiltrating tumour from oedema and high-grade from low-grade gliomas. It enhances the magnetic resonance (MR) assessment of cerebral gliomas and provides useful information for planning surgical and radiation treatment.RiassuntoObiettivoChiarire il ruolo dell’imaging pesato in perfusione (PWI) a 3 Tesla nella caratterizzazione dell’eterogeneità emodinamica dei gliomi cerebrali e dei tessuti circostanti, e nella differenziazione dei gliomi di alto grado da quelli di basso grado.Materiali e metodiAbbiamo esaminato 36 pazienti con gliomi verificati istologicamente (25 con alto ed 11 con basso grado). Il PWI è stato ottenuto mediante immagini eco-planari T2*-pesate con primo passaggio di gadopentetato di dimeglumina, e le mappe di volume ematico cerebrale (CBV) sono state elaborate con il modello del tracciante non diffusibile. Il volume ematico cerebrale relativo (rCBV) è stato calcolato dividendo il CBV nelle aree patologiche per quello nella sostanza bianca controlaterale.RisultatiNei gliomi di alto grado, l’rCBV appariva marcatamente incrementato nella massa (media±SD, 4,3±1,2) ed ai margini (4,0±1,1), e ridotto nelle aree necrotiche (0,3±0,3). Le regioni apparentemente edematose sono state divise in due gruppi sulla base dell’intensità di segnale nelle immagini pesate in T2: “tumore” con più basso segnale (quasi isointenso alla sostanza grigia) ed “edema” con segnale più elevato (quasi isointenso al liquido cefalorachidiano). Le aree “tumore” presentavano rCBV significativamente più elevato rispetto a quelle “edema” (1,8±0,5 vs 0,5±0,2; p<0,001). Nei gliomi di basso grado, l’rCBV nella massa (2,0±1,5) e nel margine (2,2±1,2) erano significativamente più bassi che nei gliomi di alto grado (p<0,001).ConclusioniIl PWI a 3T aiuta a differenziare la necrosi dalla massa tumorale, il tumore infiltrante dall’edema, e i gliomi di alto grado da quelli di basso grado. Esso facilita la caratterizzazione in RM dei gliomi cerebrali e fornisce utili informazioni per la pianificazione del trattamento chirurgico e radiante.