Enhanced quantification of sodium concentration in stroke patients using 3 Tesla sodium magnetic resonance imaging

Sodium is an important element in the human body and in many metabolic functions so it can be considered a biomarker for cellular physiology. The sodium nucleus has physical characteristics suitable for magnetic resonance imaging. Sodium MRI offers a non-invasive tool to detect sodium in pathologic conditions. In this project, the technique was applied to stroke patients who were scanned during the hours after the acute phenomenon. In the stroke area, the sodium concentration can triple in stroke lesions with respect to the unimpaired regions. Moreover, the technique is promising for a differentiation of tissues useful for stroke treatment. The aim in this thesis was the enhancement of sodium quantification in this context. In the state-of-the-art project, the manual individuation of region of interests in the patient brain were performed. The first objective of this work aimed to extend the evaluation to the whole brain, implementing an automatic procedure for brain segmentation. Quantitative sodium images underwent a transformation to obtain tissue sodium concentration maps, in which each pixel expressed the mM-value of the corresponding voxel. This work dealt with the image transformation using an improved and complete model, considered as the second aim. The third and final stage was the inclusion of these developed techniques in the stroke routine and its application to new patients of the study. The aims of the thesis were completed and the final quantification values were generally compliant with the reference literature. The relation of sodium concentration in the stroke with respect to the contralateral area confirmed the expectations. The obtained results corroborated the method as additional instrument for stroke evaluation.

Il sodio è un importante elemento nel corpo umano e, grazie al suo ruolo nelle funzioni metaboliche, costituisce un biomarcatore degli stati patologii. Il nucleo di sodio possiede le proprietà necessarie per il suo utilizzo nell'imaging con risonanza magnetica. Un cruciale vantaggio di tale tecnica è la non invasività delle acquisizioni per paziente. In questo progetto, la risonanza magnetica di sodio è utilizzata per valutare aree cerebrali di pazienti colpiti da ictus ischemico, in quanto la concentrazione di sodio aumenta, fino a triplicare, nelle regioni della lesione. Il primo scopo di questa tesi è lo sviluppo di una procedura di segmentazione per i principali tessuti cerebrali. Il secondo obiettivo consiste nell'aumentare l'accuratezza nella quantificazione del sodio. Questo processo avviene attraverso la generazione di mappe rappresentati la concentrazione di sodio nei tessuti (TSC). In esse, ogni pixel esprime la concentrazione in mM di sodio nella corrispettiva regione del cervello. È stato preso in considerazione un modello completo di trasformazione delle immagini e implementato per i diversi tessuti cerebrali, distinti grazie alla segmentazione. Come terzo scopo, un'integrazione delle nuove tecniche è necessaria per l'applicazione della procedura completa sui pazienti inclusi nello studio clinico dell'ictus. Gli obiettivi della tesi sono stati portati a termine e i risultati della quantificazione valutati. Le concentrazioni di sodio ottenute hanno mostrato buona conformità con la letteratura di riferimento e i valori quantificati nelle regioni lesionate hanno confermato le aspettative. In generale, il progetto supporta l'utilizzo della risonanza magnetica di sodio come strumento aggiuntivo alla valutazione dell'ictus.