Recente evoluzione delle tecnologie PET-RMN

La PET/RMN è un ibrido delle tecnologie di imaging che incorpora la risonanza magnetica nucleare (RMN), che fornisce un'imaging di tipo morfologico, e la tomografia ad emissione di positroni (PET), che fornisce un'imaging di tipo funzionale. Questa nuova tecnologia trova applicazioni in campo oncologico, cardiovascolare e nello studio del sistema nervoso centrale (SNC). La realizzazione di questa nuova tecnologia ha comportato diverse sfide tecniche per la combinazione delle due apparecchiature, che sono state risolte con diversi approcci. Lo sviluppo futuro della PET/RMN sarà guidato da molteplici fattori tra i quali l'eliminazione degli eventuali disturbi e la necessità di accordi per i rimborsi dell'esame. Tutt'ora esistono tre diversi produttori al mondo : Simens, Philips e GE (General Electric), i quali hanno diverse tecnologie e diversi metodi di analisi. La prima apparecchiatura PET/RMN in Italia è stata acquistata dall'ospedale di Padova nel gennaio 2015, mentre negli altri paesi aveva già fatto la sua comparsa dal 2011.

Regolarizzazione di Tikhonov multiparametro

Il vantaggio di una regolarizzazione multiparametro sta nel fatto che scegliendo un parametro diverso per ogni punto della soluzione si ricostruiscono con più accuratezza i picchi e le regioni piatte. In una prima fase di sperimentazione si è applicato l'algoritmo UPEN ad alcuni problemi test del Regularization Tools e si è osservato che l'algoritmo produce ottimi risultati inquesto ambito. In una seconda fase di sperimentazione si sono confrontati i dati ottenuti da UPEN con quelli derivanti da altri criteri di scelta noti in letteratura. Si è anche condotta un'analisi su dati simulati di risonanza magnetica nucleare e su problemi di deblurring di un'immagine.

Fissione Nucleare

Scoprire come funziona la natura non è fine a se stesso. A volte ci vogliono anni, decenni o ancora di più per comprendere che una scoperta, che può risultare agli occhi dei più inutile, è in grado di cambiar la vita di molti. Può sembrare di aver buttato via soldi, tempo e intelletto. Ma la ricerca e lo studio pagano sempre. La qualità della vita è migliorata e migliorerà notevolmente grazie a chi si è impegnato e si impegna nella ricerca. Basti pensare alla corrente elettrica e al riscaldamento nelle nostre case; ai mezzi che ci permettono di spostarci sempre più velocemente in posti sempre più lontani; a modi di comunicare anch’essi più veloci e più fruibili. Anche la medicina ha fatto passi da gigante, spesso grazie alle applicazioni della fisica, soprattutto nel settore della fisica nucleare. Oggi sentiamo parlare di PET, di risonanza magnetica; tutti nella nostra vita abbiamo fatto una radiografa, ma pochi conoscono i principi che ci sono dietro queste tecniche mediche. In questa tesi sarà discusso in modo più accurato l’utilizzo della fissione nucleare e la sua storia.

MR spectroscopy in human prostate: in vitro and in vivo measurements to optimize new quantification algorithms

Il cancro della prostata (PCa) è il tumore maligno non-cutaneo più diffuso tra gli uomini ed è il secondo tumore che miete più vittime nei paesi occidentali. La necessità di nuove tecniche non invasive per la diagnosi precoce del PCa è aumentata negli anni. 1H-MRS (proton magnetic resonance spectroscopy) e 1H-MRSI (proton magnetic resonance spectroscopy imaging) sono tecniche avanzate di spettroscopia in risonanza magnetica che permettono di individuare presenza di metaboliti come citrato, colina, creatina e in alcuni casi poliammine in uno o più voxel nel tessuto prostatico. L’abbondanza o l’assenza di uno di questi metaboliti rende possibile discriminare un tessuto sano da uno patologico. Le tecniche di spettroscopia RM sono correntemente utilizzate nella pratica clinica per cervello e fegato, con l’utilizzo di software dedicati per l’analisi degli spettri. La quantificazione di metaboliti nella prostata invece può risultare difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore (SNR) degli spettri e del forte accoppiamento-j del citrato. Lo scopo principale di questo lavoro è di proporre un software prototipo per la quantificazione automatica di citrato, colina e creatina nella prostata. Lo sviluppo del programma e dei suoi algoritmi è stato portato avanti all’interno dell’IRST (Istituto Romagnolo per lo Studio e la cura dei Tumori) con l’aiuto dell’unità di fisica sanitaria. Il cuore del programma è un algoritmo iterativo per il fit degli spettri che fa uso di simulazioni MRS sviluppate con il pacchetto di librerie GAMMA in C++. L’accuratezza delle quantificazioni è stata testata con dei fantocci realizzati all’interno dei laboratori dell’istituto. Tutte le misure spettroscopiche sono state eseguite con il nuovo scanner Philips Ingenia 3T, una delle machine di risonanza magnetica più avanzate per applicazioni cliniche. Infine, dopo aver eseguito i test in vitro sui fantocci, sono stati acquisiti gli spettri delle prostate di alcuni volontari sani, per testare se il programma fosse in grado di lavorare in condizioni di basso SNR.

Deidrofluorurazione di copolimeri di VDF/HFP in presenza di alcali

In questo lavoro di tesi, si cerca di studiare una reazione in grado di generare doppi legami sulla catena polimerica di un fluoroelastomero e analizzare le caratteristiche del polimero così ottenuto. I siti di insaturazione generati potranno essere sfruttati per successive reazioni di funzionalizzazione del polimero o per un eventuale processo di vulcanizzazione radicalico. La reazione utilizzata consiste in una deidrofluorurazione in ambiente alcalino di un copolimero VDF/HFP di produzione industriale. Essa è stata condotta sia in un sistema bifasico, sia in una fase omogenea, a 24 tempi e temperature diversi. La formazione dei doppi legami è stata analizzata tramite spettroscopia di risonanza magnetica al nucleo di fluoro (19F-NMR) e spettroscopia infrarossa. La possibilità di poter sfruttare le insaturazioni generate è stata studiata mediante prove di reticolazione via perossido indotta da radiazione UV, radiazione visibile ed energia termica. Nei primi due casi, il fenomeno è stato monitorato con spettri IR e UV-Vis, nel secondo caso la reazione è stata seguita per via reometrica (ODR: Oscillating Disk Reometer). Il lavoro è stato svolto in collaborazione con Elastomers Union srl, azienda con stabilimento di produzione a Castel Guelfo, specializzata nella preparazione di compound a base fluoroelastomerica e fluorosiliconica.

Innovazione nella Diagnostica per Immagini: l’integrazione PET/RMN

Nell'ambito della Diagnostica per Immagini, l'imaging ibrido sta assumendo un ruolo fondamentale in molte applicazioni cliniche, tra cui oncologia, neurologia e cardiologia. La possibilità di integrare informazioni complementari, funzionali e morfologiche, in un'unica immagine, permette di valutare con estrema accuratezza varie tipologie di malattie, diminuendo i tempi di acquisizione e i disagi per i pazienti. La risonanza magnetica, in sostituzione alla TAC nel sistema integrato PET/TC, introduce notevoli vantaggi quali l'acquisizione simultanea dei dati, l'ottimo contrasto dei tessuti molli, l'assenza di radiazioni ionizzanti e la correzione degli artefatti da movimento; ciò migliora l'accuratezza delle immagini e, di conseguenza, il processo diagnostico. Nonostante sia un interessante strumento di diagnostica e l'apice dello sviluppo tecnologico in imaging nucleare, vi sono alcune problematiche che ne impediscono la diffusa adozione, tra cui le interferenze reciproche tra le due modalità, i costi elevati e ancora una ridotta pubblicazione di articoli al riguardo.

An fmri study of brain functional connectivity in parkinson's disease patients

Argomento del presente lavoro è l’analisi di dati fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) nell’ambito di uno studio EEG-fMRI su pazienti affetti da malattia di Parkinson idiopatica. L’EEG-fMRI combina due diverse tecniche per lo studio in vivo dell’attività cerebrale: l'elettroencefalografia (EEG) e la risonanza magnetica funzionale. La prima registra l’attività elettrica dei neuroni corticali con ottima risoluzione temporale; la seconda misura indirettamente l’attività neuronale registrando gli effetti metabolici ad essa correlati, con buona risoluzione spaziale. L’acquisizione simultanea e la combinazione dei due tipi di dati permettono di sfruttare i vantaggi di ciascuna tecnica. Scopo dello studio è l’indagine della connettività funzionale cerebrale in condizioni di riposo in pazienti con malattia di Parkinson idiopatica ad uno stadio precoce. In particolare, l’interesse è focalizzato sulle variazioni della connettività con aree motorie primarie e supplementari in seguito alla somministrazione della terapia dopaminergica. Le quattro fasi principali dell’analisi dei dati sono la correzione del rumore fisiologico, il pre-processing usuale dei dati fMRI, l’analisi di connettività “seed-based “ e la combinazione dei dati relativi ad ogni paziente in un’analisi statistica di gruppo. Usando ’elettrocardiogramma misurato contestualmente all’EEG ed una stima dell’attività respiratoria, è stata effettuata la correzione del rumore fisiologico, ottenendo risultati consistenti con la letteratura. L’analisi di connettività fMRI ha mostrato un aumento significativo della connettività dopo la somministrazione della terapia: in particolare, si è riscontrato che le aree cerebrali maggiormente connesse alle aree motorie sono quelle coinvolte nel network sensorimotorio, nel network attentivo e nel default mode network. Questi risultati suggeriscono che la terapia dopaminergica, oltre ad avere un effetto positivo sulle performance motorie durante l’esecuzione del movimento, inizia ad agire anche in condizioni di riposo, migliorando le funzioni attentive ed esecutive, componenti integranti della fase preparatoria del movimento. Nel prossimo futuro questi risultati verranno combinati con quelli ottenuti dall’analisi dei dati EEG.

Elastosonografia: principi di funzionamento e applicazioni

L'esame clinico della palpazione manuale dei tessuti è ancora oggi l'indagine preliminare più diffusa per l'identificazione e la diagnosi delle lesioni superficiali. L'esame è infatti in grado di fornire al medico esaminatore una valutazione qualitativa circa le proprietà meccaniche dei tessuti indagati, in particolare per quanto concerne la rigidità. I limiti fondamentali e intrinseci della palpazione sono l'impossibilità di raggiungere i tessuti in profondità, limitando quindi l'analisi agli elementi anatomici superficiali, e la grandezza delle lesioni rilevabili. L'elastografia si inserisce in tale contesto come strumento diagnostico in grado di valutare le proprietà meccaniche dei tessuti in funzione della profondità, con una risoluzione spaziale non ottenibile attraverso la semplice palpazione. L'elastosonografia rappresenta la metodologia elastografica attualmente più diffusa, caratterizzata da numerose tecnologie specializzate nell'indagine di diversi elementi anatomici. Il vantaggio fondamentale dell'elastosonografia rispetto ad altre metodiche come l'elastografia a risonanza magnetica o l'elastografia tattile risiede nell'integrazione efficace con la tradizionale indagine ecografica. L'elaborato si pone l'obiettivo di descrivere e valutare le varianti implementative dell'elastosonografia e la loro efficacia come strumento diagnostico. La prima parte (parte I) riassume i concetti fondamentali alla base dell'indagine ecografica, fornendo le nozioni teoriche ed un contesto adeguato alla comprensione dell'elastosonografia. Entrambe le indagini sono infatti basate principalmente sull'emissione e ricezione di ultrasuoni. La parte centrale (parte II) dell'elaborato analizza le principali tecniche elastosonografiche attualmente esistenti. I metodi descritti, a prescindere dal principio di funzionamento specifico, sono accomunati dalla medesima dinamica fondamentale che comprende una eccitazione meccanica del tessuto e l'osservazione della relativa risposta, per fornire una misura qualitativa o quantitativa della rigidità del tessuto in esame. L'ultima parte (parte III) analizza alcuni casi applicativi di particolare rilevanza, soffermandosi sulla valutazione dal punto di vista statistico del contributo fornito dalla specifica tecnica elastosonografica rispetto alle indagini tradizionali.

Ambiti applicativi dell'EEG e della fMRI nello studio dei processi cognitivi

L’obiettivo della mia tesi è quello di presentare e confrontare due tipologie di tecniche di indagine cerebrale, l’EEG (Elettroencefalogramma) e la fMRI (Risonanza Magnetica funzionale), evidenziandone i vantaggi e gli svantaggi, e le loro applicazioni in campo medico. Successivamente è presentato lo sviluppo di un modello sperimentale volto allo studio del fenomeno della sinestesia, a partire da dati estratti mediante le tecniche precedenti.

L'informazione di fase per la segmentazione volumetrica di dati ecocardiografici

L’imaging ad ultrasuoni è una tecnica di indagine utilizzata comunemente per molte applicazioni diagnostiche e terapeutiche. La tecnica ha numerosi vantaggi: non è invasiva, fornisce immagini in tempo reale e l’equipaggiamento necessario è facilmente trasportabile. Le immagini ottenute con questa tecnica hanno tuttavia basso rapporto segnale rumore a causa del basso contrasto e del rumore caratteristico delle immagini ad ultrasuoni, detto speckle noise. Una corretta segmentazione delle strutture anatomiche nelle immagini ad ultrasuoni è di fondamentale importanza in molte applicazioni mediche . Nella pratica clinica l’identificazione delle strutture anatomiche è in molti casi ancora ottenuta tramite tracciamento manuale dei contorni. Questo processo richiede molto tempo e produce risultati scarsamente riproducibili e legati all’esperienza del clinico che effettua l’operazione. In ambito cardiaco l’indagine ecocardiografica è alla base dello studio della morfologia e della funzione del miocardio. I sistemi ecocardiografici in grado di acquisire in tempo reale un dato volumetrico, da pochi anni disponibili per le applicazioni cliniche, hanno dimostrato la loro superiorità rispetto all’ecocardiografia bidimensionale e vengono considerati dalla comunità medica e scientifica, la tecnica di acquisizione che nel futuro prossimo sostituirà la risonanza magnetica cardiaca. Al fine di sfruttare appieno l’informazione volumetrica contenuta in questi dati, negli ultimi anni sono stati sviluppati numerosi metodi di segmentazione automatici o semiautomatici tesi alla valutazione della volumetria del ventricolo sinistro. La presente tesi descrive il progetto, lo sviluppo e la validazione di un metodo di segmentazione ventricolare quasi automatico 3D, ottenuto integrando la teoria dei modelli level-set e la teoria del segnale monogenico. Questo approccio permette di superare i limiti dovuti alla scarsa qualità delle immagini grazie alla sostituzione dell’informazione di intensità con l’informazione di fase, che contiene tutta l’informazione strutturale del segnale.

Sistemi a microonde per imaging della mammella: proprietà dielettriche dei tessuti e mezzi di accoppiamento

Le tecniche di imaging al seno per la rilevazione di tumori stanno interessando un notevole numero di gruppi di ricerca in campo biomedico soprattutto negli ultimi anni. In particolare si cercano metodologie innovative in quanto le attuali tecniche già sviluppate e utilizzate in campo clinico, mammografia a raggi X e risonanza magnetica (MRI), presentano alcuni limiti. Questa tesi si focalizzerà in particolare su una di queste tecniche emergenti: l’imaging a microonde (MWI). Questo metodo infatti, limita notevolmente i costi, evita disagi per la paziente come la compressione del seno, penetra in modo ottimale nei tessuti e non li ionizza. La MWI si basa sulle diverse proprietà dielettriche, permittività e conduttività, dei vari tessuti che costituiscono la mammella, in particolare tra tessuto sano e maligno. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare tali proprietà dielettriche, le diversità che i vari tessuti presentano e come tutto ciò venga sfruttato per ottenere l’imaging della mammella. In particolare questo lavoro si propone di riportare e analizzare i principali studi sui tessuti biologici della mammella compiuti nel corso degli anni riguardo queste proprietà dielettriche e i rispettivi risultati ottenuti. Si tratteranno inoltre i mezzi di accoppiamento: soluzioni in cui è immerso l’assetto antenne-oggetto che minimizzano la riflessione del segnale sulla pelle e assicurano una migliore qualità di immagine.

Studio e valutazione del legame tra rimodellamento elettrico e strutturale in Fibrillazione Atriale

La Fibrillazione Atriale (FA) è una delle aritmie più frequentemente riscontrate nella pratica clinica, ma i meccanismi che la generano e che la sostengono non sono ancora oggi ben chiari. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è indagare il substrato aritmogeno della FA con particolare attenzione al legame tra rimodellamento elettrico e strutturale. La tecnica di riferimento per la valutazione della fibrosi è la risonanza magnetica con iniezione di mezzo di contrasto e acquisizione ritardata. Tipicamente, però, la presenza di fibrosi viene valutata durante la procedura di ablazione transcatetere mediante l’analisi dei potenziali elettrici rilevati, considerando le zone a basso potenziale indicative della presenza di alterazioni strutturali. In questo lavoro sono stati elaborati dati di Risonanza Magnetica (RM), in particolare sequenze Angio-RM e DE-RM. Dalle sequenze Angio-RM è stato ricostruito un modello 3D paziente-specifico dell’atrio, mentre dalle sequenze DE-RM sono state ricavate informazioni relative alla presenza di tessuto atriale fibrotico. Al modello 3D è stata poi sovrapposta l’informazione sull’intensità di grigio del dato DE-RM per poter visualizzare la localizzazione delle zone di fibrosi sulla superficie 3D dell’atrio.
 Sono stati anche esportati dal sistema di mappaggio elettroanatomico EnSite NavX (St. Jude Medical) i dati relativi alla geometria dell’atrio e ai potenziali registrati durante lo svolgimento della procedura di ablazione. Da questi dati è stato possibile ricostruire in ambiente Matlab le mappe di voltaggio raffiguranti i potenziali registrati durante la procedura. Per poter studiare e valutare il legame esistente tra rimodellamento elettrico e strutturale, sono state confrontate le mappe di voltaggio e le superfici raffiguranti fibrosi.
 Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con l’U.O. di Cardiologia dell’Ospedale Bufalini di Cesena e la St. Jude Medical.

Geometria frattale: analisi della lacunarita cerebrale in MRI

La geometria frattale descrive la complessità strutturale di oggetti che presentano, entro certi limiti, invarianza a fattori di scala. Obiettivo di questa tesi è l’analisi di indici frattali della morfologia cerebrale e cerebellare da immagini di risonanza magnetica (MRI) pesate T1 e della loro correlazione con l’età. A tale scopo sono state analizzate la dimensione frattale (D0) e la lacunarità (λs), indice di eterogeneità strutturale, della sostanza grigia (GM) e bianca (WM), calcolate mediante algoritmi di box counting e di differential gliding box, implementati in linguaggio C++, e regressione lineare con scelta automatica delle scale spaziali. Gli algoritmi sono stati validati su fantocci 3D ed è stato proposto un metodo per compensare la dipendenza di λs dalle dimensioni dell’immagine e dalla frazione di immagine occupata. L’analisi frattale è stata applicata ad immagini T1 a 3T del dataset ICBM (International Consortium for Brain Mapping) composto da 86 soggetti (età 19-85 anni). D0 e λs sono state rispettivamente 2.35±0.02 (media±deviazione standard) e 0.41±0.05 per la GM corticale, 2.34±0.03 e 0.35±0.05 per la WM cerebrale, 2.19±0.05 e 0.17±0.02 per la GM cerebellare, 1.95±0.06 e 0.30±0.04 per la WM cerebellare. Il coefficiente di correlazione lineare tra età e D0 della GM corticale è r=−0.38 (p=0.003); tra età e λs, r=0.72 (p<0.001) (mostrando che l’eterogeneità strutturale aumenta con l’invecchiamento) e tra età e λs compensata rispetto al volume della GM cerebrale (GMV), r=0.51 (p<0.001), superiore in valore assoluto a quello tra età e GMV (r=−0.45, p<0.001). In un modello di regressione lineare multipla, dove l’età è stata modellata da D0, λ e GMV della GM corticale, λs è risultato l’unico predittore significativo (r parziale=0.62, p<0.001). La lacunarità λs è un indice sensibile alle variazioni strutturali dovute all’invecchiamento cerebrale e si candida come biomarcatore nella valutazione della complessità cerebrale nelle malattie neurodegenerative.

Confronto di dati volumetrici di neuroimaging RM, acquisiti con differenti sonde a radiofrequenza

Il lavoro di questa tesi si propone di esaminare i dati di immagini cerebrali ricevuti da due differentii bobine RF per l'imaging in risonanza magnetica. La strumentazione utilizzata é: un apparecchio di RMN che utilizza uno scanner a 1.5T (GE Medical System signa HDx 15) e due differenti bobine a radiofrequenza: 1) 8-channel brain phased array coil GE (1.5T HD 8 Channel High Resolution Head Array per il GE HDx MR System); 2) GE Quad HEAD Birdcage Coil. I software utilizzati invece sono stati quattro, due per la segmentazione e la parcellizzazione dei dati dalle acquisizioni di MRI (FSL e Freesurfer), e due per l'analisi dei dati (SPSS e Microsoft Excel). I tool utilizzati di FSL sono stati SIENA, per un'indagine sulla variazione percentile della totalitá del volume cerebrale; SIENAX invece permette una segmentazione di volumi di 6 sotto regioni: sostanza grigia (GREY), sostanza bianca (WHITE), totalitá del cervello (BRAIN), liquor cerebrospinale dei ventricoli (vcsf), scaling volumetrico (vscaling), sostanza grigia periferica (pgrey). Freesurfer invece parcellizza la corteccia cerebrale e segmenta le zone della sostanza grigia profonda cerebrale. Lo scopo ultimo era quello di analizzare come la differenza di segnale acquisito dalle due bobine variasse i risultati delle analisi volumetriche delle immagini e vedere se il t-test evidenziasse variazioni sistematiche. Questa analisi aveva come scopo quello di determinare la possibilità di confrontare i soggetti i cui dati sono stati ottenuti con due bobine differenti. I dati analizzati non hanno evidenziato particolari differenze tra le due bobine, se non per i valori del liquor dei ventricoli che sono risultati variare, verosimilmente, per i processi fisiologici di atrofia della sostanza grigia cerebrale che avvengono nel tempo intercorso tra un'acquisizione e l'altra.

The arcuate fasciculus: an along-tract analysis with white matter probabilistic tractography

Il cervello umano è composto da una rete complessa, formata da fasci di assoni, che connettono le diverse aree cerebrali. Il fascio arcuato collega l’area imputata alla com- prensione del linguaggio con quella dedicata alla sua produzione. Il fascio arcuato è presente in entrambi gli emisferi cerebrali, anche se spesso è utilizzato prevalente- mente il sinistro. In questa tesi sono state valutate, in un campione di soggetti sani, le differenze tra fascio arcuato destro e sinistro, utilizzando la trattografia, metodica avanzata e non invasiva che permette la ricostruzione della traiettoria delle fibre con immagini RM (Risonanza Magnetica) pesate in diffusione. A questo scopo ho utilizzato un algoritmo probabilistico, che permette la stima di probabilità di connessione della fibra in oggetto con le diverse aree cerebrali, anche nelle sedi di incrocio con fibre di fasci diversi. Grazie all’implementazione di questo metodo, è stato possibile ottenere una ricostruzione accurata del fascio arcuato, an- che nell’emisfero destro dove è spesso critica, tanto da non essere possibile con altri algoritmi trattografici. Parametrizzando poi la geometria del tratto ho diviso il fascio arcuato in venti seg- menti e ho confrontato i parametri delle misure di diffusione, valutate nell’emisfero destro e sinistro. Da queste analisi emerge un’ampia variabilità nella geometria dell’arcuato, sia tra diversi soggetti che diversi emisferi. Nell’emisfero destro l’arcuato incrocia maggiormente fibre appartenenti ad altri fasci. Nell’emisfero sinistro le fibre dell’arcuato sono più compatte e si misura anche una maggiore connettività con altre aree del cervello coinvolte nelle funzioni linguistiche. Nella seconda fase dello studio ho applicato la stessa metodica in due pazienti con lesioni cerebrali, con l’obiettivo di testare il danno del fascio arcuato ipsilaterale alla lesione e stimare se nell’emisfero controlaterale si innescassero meccanismi di plastic- ità strutturale. Questa metodica può essere implementata, in un gruppo di pazienti omogenei, per identificare marcatori RM diagnostici nella fase di pianificazione pre- chirurgica e marcatori RM prognostici di recupero funzionale del linguaggio.