Design and fabrication of MOMS-based ultrasonic probes for minimally invasive endoscopic applications

A Micro-opto-mechanical systems (MOMS) based technology for the fabrication of ultrasonic probes on optical fiber is presented. Thanks to the high miniaturization level reached, the realization of an ultrasonic system constituted by ultrasonic generating and detecting elements, suitable for minimally invasive applications or Non Destructive Evaluation (NDE) of materials at high resolution, is demonstrated. The ultrasonic generation is realized by irradiating a highly absorbing carbon film patterned on silicon micromachined structures with a nanosecond pulsed laser source, generating a mechanical shock wave due to the thermal expansion of the film induced by optical energy conversion into heat. The short duration of the pulsed laser, together with an appropriate emitter design, assure high frequency and wide band ultrasonic generation. The acoustic detection is also realized on a MOMS device using an interferometric receiver, fabricated with a Fabry-Perot optical cavity realized by means of a patterned SU-8 and two Al metallization levels. In order to detect the ultrasonic waves, the cavity is interrogated by a laser beam measuring the reflected power with a photodiode. Various issues related to the design and fabrication of these acoustic probes are investigated in this thesis. First, theoretical models are developed to characterize the opto-acoustic behavior of the devices and estimate their expected acoustic performances. Tests structures are realized to derive the relevant physical parameters of the materials constituting the MOMS devices and determine the conditions theoretically assuring the best acoustic emission and detection performances. Moreover, by exploiting the models and the theoretical results, prototypes of acoustic probes are designed and their fabrication process developed by means of an extended experimental activity.

Percutaneous Cement Discoplasty: Biomechanical and clinical assessment of a minimally invasive treatment of lumbar intervertebral disc disease

With population ageing, spine diseases have an increasing prevalence and induce high economic and social costs. The development of minimally invasive surgeries allows reducing the surgery-associated risks in elderly and polymorbid patients, and save costs by treating more patients in shorter time and reducing the complications. Percutaneous Cement Discoplasty (PCD) is a minimally invasive technique developed to treat highly degenerated intervertebral discs exhibiting a vacuum phenomenon. Filling the disc with bone cement creates a stand-alone spacer which partially restores the disc height and re-opens the foraminal space. PCD has recently been introduced to clinical use. However, the spine biomechanics following this treatment remained unravelled. The aim of this PhD thesis is to bridge the clinical experience with in vitro methodologies, to provide a multilateral evaluation of PCD outcome and a better understanding of its impact on the spine biomechanics, and of its possible contraindications. Firstly, a suitable in vitro porcine model to test the biomechanics of discoplasty by comparing specimens in the preoperative and postoperative conditions was developed. The methodology was then applied to investigate the biomechanics of discoplasty in cadaveric human segments. The in vitro specimens were mechanically investigated in flexion and extension, while a DIC system quantified the range of motion, disc height, and strains on the disc surface. Then, a versatile tool to measure the impact of discoplasty on the foramen space was developed and applied both to clinical and experimental work. The vertebrae reconstructed from CT scans were registered to match the loading configuration, using ex vivo DIC measurements under loading. The foramen volumetric changes caused by PCD was measured using a 3D geometrical method clinically developed by the research group. In conclusion, this project significantly extended the understanding of PCD biomechanics, highlighting its benefits in the treatment of advanced cases of intervertebral disc degeneration.

Treatment of knee articular cartilage defects: surgical strategies, results and analysis of factors determining the clinical outcome

Articular cartilage lesions, with their inherent limited healing potential, are hard to treat and remain a challenging problem for orthopedic surgeons. Despite the development of several treatment strategies, the real potential of each procedure in terms of clinical benefit and effects on the joint degeneration processes is not clear. Aim of this PhD project was to evaluate the results, both in terms of clinical and imaging improvement, of new promising procedures developed to address the challenging cartilage pathology. Several studies have been followed in parallel and completed over the 3-year PhD, and are reported in detail in the following pages. In particular, the studies have been focused on the evaluation of the treatment indications of a scaffold based autologous chondrocyte implantation procedure, documenting its results for the classic indication of focal traumatic lesions, as well as its use for the treatment of more challenging patients, older, with degenerative lesions, or even as salvage procedure for more advanced stages of articular degeneration. The second field of study involved the analysis of the results obtained treating lesions of the articular surface with a new biomimetic osteochondral scaffold, which showed promise for the treatment of defects where the entire osteochondral unit is involved. Finally, a new minimally invasive procedure based on the use of growth factors derived from autologous platelets has been explored, showing results and underlining indicatios for the treatment of cartilage lesions and different stages of joint degeneration. These studies shed some light on the potential of the evaluated procedures, underlining good results as well as limits, they give some indications on the most appropriate candidates for their application, and document the current knowledge on cartilage treatment procedures suggesting the limitations that need to be addressed by future studies to improve the management of cartilage lesions.

Metodiche di preservazione del polmone isolato per lo studio ecografico: Studio sperimentale

Oggetto della tesi e' l'approfondimento su tecniche e metodiche di preservazione del polmone isolato per lo studio ecografico. E' discussa l'appropriatezza sull'uso degli ultrasuoni in corso di chirurgia mini invasiva polmonare, obiettivo di una ricerca sperimentale. Il razionale dello studio si fonda sull'indicazione all'exeresi chirurgica di noduli polmonari di diametro inferiore al centometro, ovvero di diametro superiore ma localizzati in aree centrali del polmone. Queste lesioni sono sempre piu' frequentente diagnosticate per mezzo di avanzate tecniche di imaging. L'atto chirurgico ha scopo terapeutico quando sia stata posta la diagnosi di neoplasia maligna, diagnostico-terapeutico quando non sia ancora ottenuta la tipizzazione istologica della lesione. La tecnica toracoscopica offre numerosi vantaggi rispetto alle tecniche chirurgiche tradizionali ma presenta il grave limite di non permettere la palpazione diretta del tessuto polmonare e la localizzazione della formazione tumorale quando essa non sia visibile macroscopicamente. Gli ultrasuoni sono stati utilizzati con successo per indirizzare la localizzazione del nodulo polmonare. Scopo dello studio sperimentale e' quello di confrontare tecniche diverse di preservazione del polmone isolato in un modello animale, comparando catatteristiche e prestazioni di sonde ecografiche differenti per tipologia. Del tutto recentemente, in ambito trapiantologico, sono state proposte tecniche di preservazione organica utili ai fini di uno studio anatomico sperimentale particolareggiato (EVLP) e moderna e' da considerarsi la concezione di mezzi tecnici specifici per la localizzazione di bersagli intrapolmonari. La tecnica clinica applicata allo studio del particolare ecografico, nel modello animale, ha reso comprensibile e meglio definito il ruolo delle sonde ecografiche nell'individuazione di forme tumorali suscettibili di exeresi definitiva.

New functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb

In case of severe osteoarthritis at the knee causing pain, deformity, and loss of stability and mobility, the clinicians consider that the substitution of these surfaces by means of joint prostheses. The objectives to be pursued by this surgery are: complete pain elimination, restoration of the normal physiological mobility and joint stability, correction of all deformities and, thus, of limping. The knee surgical navigation systems have bee developed in computer-aided surgery in order to improve the surgical final outcome in total knee arthroplasty. These systems provide the surgeon with quantitative and real-time information about each surgical action, like bone cut executions and prosthesis component alignment, by mean of tracking tools rigidly fixed onto the femur and the tibia. Nevertheless, there is still a margin of error due to the incorrect surgical procedures and to the still limited number of kinematic information provided by the current systems. Particularly, patello-femoral joint kinematics is not considered in knee surgical navigation. It is also unclear and, thus, a source of misunderstanding, what the most appropriate methodology is to study the patellar motion. In addition, also the knee ligamentous apparatus is superficially considered in navigated total knee arthroplasty, without taking into account how their physiological behavior is altered by this surgery. The aim of the present research work was to provide new functional and biomechanical assessments for the improvement of the surgical navigation systems for joint replacement in the human lower limb. This was mainly realized by means of the identification and development of new techniques that allow a thorough comprehension of the functioning of the knee joint, with particular attention to the patello-femoral joint and to the main knee soft tissues. A knee surgical navigation system with active markers was used in all research activities presented in this research work. Particularly, preliminary test were performed in order to assess the system accuracy and the robustness of a number of navigation procedures. Four studies were performed in-vivo on patients requiring total knee arthroplasty and randomly implanted by means of traditional and navigated procedures in order to check for the real efficacy of the latter with respect to the former. In order to cope with assessment of patello-femoral joint kinematics in the intact and replaced knees, twenty in-vitro tests were performed by using a prototypal tracking tool also for the patella. In addition to standard anatomical and articular recommendations, original proposals for defining the patellar anatomical-based reference frame and for studying the patello-femoral joint kinematics were reported and used in these tests. These definitions were applied to two further in-vitro tests in which, for the first time, also the implant of patellar component insert was fully navigated. In addition, an original technique to analyze the main knee soft tissues by means of anatomical-based fiber mappings was also reported and used in the same tests. The preliminary instrumental tests revealed a system accuracy within the millimeter and a good inter- and intra-observer repeatability in defining all anatomical reference frames. In in-vivo studies, the general alignments of femoral and tibial prosthesis components and of the lower limb mechanical axis, as measured on radiographs, was more satisfactory, i.e. within ±3°, in those patient in which total knee arthroplasty was performed by navigated procedures. As for in-vitro tests, consistent patello-femoral joint kinematic patterns were observed over specimens throughout the knee flexion arc. Generally, the physiological intact knee patellar motion was not restored after the implant. This restoration was successfully achieved in the two further tests where all component implants, included the patellar insert, were fully navigated, i.e. by means of intra-operative assessment of also patellar component positioning and general tibio-femoral and patello-femoral joint assessment. The tests for assessing the behavior of the main knee ligaments revealed the complexity of the latter and the different functional roles played by the several sub-bundles compounding each ligament. Also in this case, total knee arthroplasty altered the physiological behavior of these knee soft tissues. These results reveal in-vitro the relevance and the feasibility of the applications of new techniques for accurate knee soft tissues monitoring, patellar tracking assessment and navigated patellar resurfacing intra-operatively in the contest of the most modern operative techniques. This present research work gives a contribution to the much controversial knowledge on the normal and replaced of knee kinematics by testing the reported new methodologies. The consistence of these results provides fundamental information for the comprehension and improvements of knee orthopedic treatments. In the future, the reported new techniques can be safely applied in-vivo and also adopted in other joint replacements.

Nuovo scaffold biomimetico per il trattamento delle lesioni osteocondrali: studio clinico pilota

Nel corso degli anni diverse sono le tecniche proposte per il trattamento delle lesioni osteocondrali, da quelle mini-invasive con stimolazione midollare fino a quelle più aggressive basate sul trapianto di tessuti autologhi o eterologhi. Tutti questi metodi hanno comunque dei difetti ed è questo il motivo per cui il trattamento delle lesioni osteocondrali rappresenta tuttora una sfida per il chirurgo ortopedico, in considerazione dell’alta specializzazione e del basso potere di guarigione del tessuto cartilagineo. Buoni risultati sono stati ottenuti con innesti bioingegnerizzati o matrici polimeriche impiantati nei siti danneggiati. La quantità di scaffolds in uso per la riparazione condrale ed osteocondrale è molto ampia; essi differiscono non solo per il tipo di materiali usati per la loro realizzazione, ma anche per la presenza di promotori di una o più linee cellulari , su base condrogenica o osteogenica. Quando ci si approccia ad una lesione condrale di grandi dimensioni, l’osso sub-condrale è anch’esso coinvolto e necessita di trattamento per ottenere il corretto ripristino degli strati articolari più superficiali. La scelta più giusta sembra essere un innesto osteocondrale bioingegnerizzato, pronto per l’uso ed immediatamente disponibile, che consenta di effettuare il trattamento in un unico tempo chirurgico. Sulla base di questo razionale, dopo uno studio preclinico animale e previa autorizzazione del comitato etico locale, abbiamo condotto uno studio clinico clinico pilota utilizzando un nuovo innesto biomimetico nanostrutturato per il trattamento di lesioni condrali ed osteocondrali del ginocchio; la sua sicurezza e maneggevolezza, così come la facile riproducibilità della tecnica chirurgica ed i risultati clinici ottenuti sono stati valutati nel tempo a 6, 12, 24, 36 e 48 mesi dall’impianto in modo da testare il suo potenziale intrinseco senza l’aggiunta di alcuna linea cellulare.

Ultrasuoni focalizzati guidati da imaging di risonanza magnetica: studio delle potenziali applicazioni in campo scheletrico, esempio n.1 - osteoma osteoide

La chirurgia con ultrasuoni focalizzati guidati da MRI (MR-g-FUS) è un trattamento di minima invasività, guidato dal più sofisticato strumento di imaging a disposizione, che utilizza a scopo diagnostico e terapeutico forme di energia non ionizzante. Le sue caratteristiche portano a pensare un suo possibile e promettente utilizzo in numerose aree della patologia umana, in particolare scheletrica. L'osteoma osteoide affligge frequentemente pazienti di giovane età, è una patologia benigna, con origine ed evoluzione non chiare, e trova nella termoablazione con radiofrequenza continua sotto guida CT (CT-g-RFA) il suo trattamento di elezione. Questo lavoro ha valutato l’efficacia, gli effetti e la sicurezza del trattamento dell’osteoma osteoide con MR-g-FUS. Sono stati presi in considerazione pazienti arruolati per MR-g-FUS e, come gruppo di controllo, pazienti sottoposti a CT-g-RFA, che hanno raggiunto un follow-up minimo di 18 mesi (rispettivamente 6 e 24 pazienti). Due pazienti erano stati esclusi dal trattamento MR-g-FUS per claustrofobia (2/8). Tutti i trattamenti sono stati portati a termine con successo tecnico e clinico. Non sono state registrate complicanze o eventi avversi correlati all’anestesia o alle procedure di trattamento, e tutti i pazienti sono stati dimessi regolarmente dopo 12-24 ore. La durata media dei trattamenti di MR-g-FUS è stata di 40±21 min. Da valori di score VAS pre-trattamento oscillanti tra 6 e 10 (su scala 0-10), i trattamenti hanno condotto tutti i pazienti a VAS 0 (senza integrazioni farmacologiche). Nessun paziente ha manifestato segni di persistenza di malattia o di recidiva al follow-up. Nonostante la neurolisi e la risoluzione dei sintomi, la perfusione del nidus è stata ritrovata ancora presente in oltre il 70% dei casi sottoposti a MR-g-FUS (4/6 pazienti). I risultati derivati da un'analisi estesa a pazienti più recentemente arruolati confermano questi dati. Il trattamento con MR-g-FUS sembra essere efficace e sicuro nel risolvere la sintomatologia dell'osteoma osteoide.

Trattamento della stenosi valvolare aortica: nuovi scenari dalla biologia molecolare alle nuove tecnologie

La stenosi valvolare aortica è la più frequente patologia valvolare cardiaca nei paesi sviluppati come diretta conseguenza dell’aumentata aspettativa di vita. In Europa si stima che il numero di soggetti sintomatici per stenosi valvolare aortica aumenterà da 1.3 milioni nel 2025 a 2.1 milioni in 2050. Di conseguenza la stenosi aortica ha e avrà un forte impatto sulla salute pubblica e sui costi che ne determina, poiché spesso associata a un declino funzionale dei pazienti ed aumentata incidenza di ospedalizzazione. D’altra parte è noto che la stenosi valvolare aortica severa non trattata si associa a prognosi infausta con una sopravvivenza del 50% a 2 anni dall’insorgenza dei sintomi e del 20% a 5 anni. Ad oggi non esiste una terapia medica efficace per la stenosi valvolare aortica in quanto andando a costituire un’ostruzione meccanica, resta di competenza del cardiochirurgo o del cardiologo interventista. La sostituzione valvolare aortica, sia essa chirurgica o percutanea, resta pertanto il solo trattamento definitivo per la stenosi valvolare aortica. Nel tempo il rischio operatorio è estremamente diminuito e i vantaggi in termini di miglioramento della qualità di vita sono evidenti. Questo progetto di ricerca prevede pertanto un’analisi delle più recenti tecnologie per il trattamento chirurgico della stenosi valvolare aortica a partire dalla tipologia di approccio chirurgico, se mini-invasivo o tradizionale, fino all’utilizzo delle più recenti protesi biologiche sutureless studiandone i vantaggi, svantaggi e risultati. Prima ancora, tuttavia, saranno analizzati i meccanismi di biologia molecolare alla base dell’eziologia della stenosi aortica al fine di poter identificare precocemente i pazienti, di prevedere l’andamento della patologia e forse, in futuro, anche di ipotizzare una terapia farmacologica mirata.