Calcolo del volume del nervo trigemino in pazienti affetti da CANVAS: segmentazione e quantificazione

This thesis focuses on the implementation of an innovative method for the quantitative analysis of brain magnetic resonance images (MRI), with the aim of precisely assessing the volume of the trigeminal nerve. This research focused on the analysis of patients suffering from the complex Cerebellar Ataxia, Neuropathy and Vestibular Areflexia Syndrome, (CANVAS), and the identification of a possible volumetric marker associated with this pathology, specifically the volume of the trigeminal nerve. Initially, it emerged that this nerve appears to be reduced compared to that of healthy subjects. However, in order to confirm and make this observation more reliable, it was necessary to proceed with a more precise quantification of the data. The main objective of this work was therefore the development of an image processing algorithm capable of making a precise measurement of the aforementioned volume from MRI images of the brain. This was achieved by means of a two-stage strategy. In the first step, a clustering operation was applied to precisely separate the trigeminal nerve from the surrounding background. This segmentation step effectively isolated the nerve, preparing it for the subsequent quantitative analysis. In the second step, a quantitative analysis was conducted by counting pixels that correspond to the previously segmented nerve. The data obtained from the analysis of a group of patients were carefully collected and compared with those from two healthy subjects. The results suggest that the patients show a shrinkage in the volume of the trigeminal nerve compared to these two subjects, although more data should be considered in order to have an accurate statistical analysis. This volume reduction could indicate a substantial involvement of the trigeminal nerve in the pathogenesis of CANVAS syndrome. In conclusion, the image processing algorithm developed in this research proves to be a valuable resource for the quantification of trigeminal nerve volume from MRI images. The results obtained provide a basis to support the hypothesis that CANVAS syndrome is characterised by morphological alterations of the trigeminal nerve. This contribution not only lays the foundation for an advancement in the understanding of the pathology, but may also guide the development of future diagnostic strategies and segmentation techniques in general.

La presente tesi si focalizza sull'implementazione di un metodo innovativo finalizzato all'analisi quantitativa di immagini di risonanza magnetica (MRI) cerebrale, con l’obiettivo di valutare in modo preciso il volume del nervo trigemino. Questa ricerca si è concentrata sull'analisi di pazienti affetti dalla complessa Cerebellar Ataxia, Neuropathy and Vestibular Areflexia Syndrome, (CANVAS), e sull'identificazione di un possibile marcatore volumetrico associato a questa patologia, in particolare sul volume del nervo trigemino. Inizialmente, è emerso che questo nervo sembra essere ridotto rispetto a quello dei soggetti sani. Tuttavia, per confermare e rendere più affidabile questa osservazione, è stato necessario procedere con una quantificazione più precisa dei dati. L’obiettivo principale di questo lavoro è stato quindi lo sviluppo di un algoritmo di elaborazione delle immagini in grado di effettuare una precisa misurazione del suddetto volume, partendo da immagini MRI del cervello. Questo obiettivo è stato raggiunto attraverso una strategia bifasica. Nella prima fase, è stata applicata un'operazione di clustering per separare con precisione il nervo trigemino dallo sfondo circostante. Tale fase di segmentazione ha permesso di isolare il nervo in modo efficace, preparandolo per l'analisi quantitativa successiva. Nella seconda fase, è stata condotta un'analisi quantitativa mediante il conteggio dei pixel che corrispondono al nervo precedentemente segmentato. I dati ottenuti dalle analisi condotte su un gruppo di pazienti sono stati accuratamente raccolti e confrontati con quelli provenienti da due soggetti sani. I risultati suggeriscono che i pazienti manifestino un restringimento del volume del nervo trigemino rispetto a questi due soggetti, sebbene si dovrebbe considerare un numero maggiore di dati per avere un’analisi statistica accurata. Questa riduzione volumetrica potrebbe indicare un coinvolgimento sostanziale del nervo trigemino nella patogenesi della sindrome CANVAS. In conclusione, l'algoritmo di elaborazione delle immagini sviluppato in questa ricerca si rivela una risorsa preziosa per la quantificazione del volume del nervo trigemino dalle immagini MRI. I risultati ottenuti forniscono una base a sostegno dell'ipotesi che la sindrome CANVAS sia caratterizzata da alterazioni morfologiche del nervo trigemino. Questo contributo non solo getta le basi per un avanzamento nella comprensione della patologia, ma può anche guidare lo sviluppo di future strategie diagnostiche e delle tecniche di segmentazione in generale.