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.

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.

Sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in radioterapia tramite "dose-painting" basato sui voxel

Il presente lavoro è stato svolto presso la struttura di Fisica Medica dell'Azienda Ospedaliera IRCCS "Arcispedale S. Maria Nuova" di Reggio Emilia e consiste nello sviluppo di un sistema per l'ottimizzazione della dose in Radioterapia tramite dose-painting basato sui voxel. Il dose painting è una tecnica di pianificazione del trattamento di radioterapia che si basa sull'assegnazione o ridistribuzione della dose secondo le informazioni biologiche e metaboliche che i moderni sistemi di imaging sono in grado di fornire. La realizzazione del modulo di calcolo BioOPT è stata possibile grazie all'utilizzo dei due software open-source Plastimatch e CERR, specifici per l'elaborazione e la registrazione di immagini mediche di diversi tipi e formati e per la gestione, la modifica e il salvataggio di piani di trattamento di radioterapia creati con la maggior parte dei software commerciali ed accademici. Il sistema sviluppato è in grado di registrare le immagini relative ad un paziente, in generale ottenute da diverse tipologie di imaging e acquisite in tempi diversi ed estrarre le informazioni biologiche relative ad una certa struttura. Tali informazioni verranno poi utilizzate per calcolare le distribuzioni di dose "ottimale" che massimizzano il valore delle funzioni radiobiologiche utilizzate per guidare il processo di redistribuzione della dose a livello dei voxel (dose-painting). In questo lavoro il modulo è stato utilizzato principalmente per l'ottimizzazione della dose in pazienti affetti da Glioblastoma, un tumore cerebrale maligno tra i più diffusi e mortali. L'ottimizzatore voxel-based, infatti, è stato sviluppato per essere utilizzabile all'interno di un progetto di ricerca finanziato dal Ministero della Salute per la valutazione di un programma di terapia che include l'uso di un innovativo acceleratore lineare ad alto rateo di dose per la cura di tumori cerebrali in fase avanzata. Al fine di migliorare il trattamento radiante, inoltre, lo studio include la somministrazione della dose tramite dose-painting con lo scopo di verificarne l'efficacia. I risultati ottenuti mostrano che tramite il modulo sviluppato è possibile ottenere distribuzioni di dose eterogenee che tengono conto delle caratteristiche biologiche intratumore stimate a partire dalle immagini multimodali. Inoltre il sistema sviluppato, grazie alla sua natura 'open', è altamente personalizzabile a scopi di ricerca e consente di simulare distribuzioni di dose basate sui voxel e di confrontarle con quelle ottenute con i sistemi commerciali ad uso clinico, che non consentono questo tipo di ottimizzazioni.

Scripting automation e modelli bayesiani: Applicazioni cliniche in radioterapia e sviluppo di tecniche innovative per adaptive radiation therapy

La presente ricerca consiste nel validare ed automatizzare metodiche di Adaptive Radiation Therapy (ART), che hanno come obiettivo la personalizzazione continua del piano di trattamento radioterapico in base alle variazioni anatomiche e dosimetriche del paziente. Tali variazioni (casuali e/o sistematiche) sono identificabili mediante l’utilizzo dell’imaging diagnostico. Il lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica dell’Azienda Ospedaliera Universitaria del Policlinico di Modena, si inserisce in un progetto del Ministero della Salute del bando Giovani Ricercatori dal titolo: “Dose warping methods for IGRT and ADAPTIVERT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments”. Questa metodica si sta affermando sempre più come nuova opportunità di trattamento e, per tale motivo, nasce l’esigenza di studiare e automatizzare processi realizzabili nella pratica clinica, con un utilizzo limitato di risorse. Si sono sviluppati script che hanno permesso l’automazione delle operazioni di Adaptive e deformazioni, raccogliendo i dati di 51 pazienti sottoposti a terapia mediante Tomotherapy. L’analisi delle co-registrazioni deformabili delle strutture e delle dosi distribuite, ha evidenziato criticità del software che hanno reso necessario lo sviluppo di sistemi di controllo dei risultati, per facilitare l’utente nella revisione quotidiana dei casi clinici. La letteratura riporta un numero piuttosto limitato di esperienze sulla validazione e utilizzo su larga scala di questi tools, per tale motivo, si è condotto un esame approfondito della qualità degli algoritmi elastici e la valutazione clinica in collaborazione di fisici medici e medici radioterapisti. Sono inoltre stati sviluppati principi di strutturazione di reti Bayesiane, che consentono di predirre la qualità delle deformazioni in diversi ambiti clinici (H&N, Prostata, Polmoni) e coordinare il lavoro quotidiano dei professionisti, identificando i pazienti, per i quali sono apprezzabili variazioni morfo-dosimetriche significative. Da notare come tale attività venga sviluppata automaticamente durante le ore notturne, sfruttando l’automation come strumento avanzato e indipendente dall’operatore. Infine, il forte sviluppo, negli ultimi anni della biomeccanica applicata al movimento degli organi (dimostrato dalla numerosa letteratura al riguardo), ha avuto come effetto lo sviluppo, la valutazione e l’introduzione di algoritmi di deformazione efficaci. In questa direzione, nel presente lavoro, si sono analizzate quantitivamente le variazioni e gli spostamenti delle parotidi, rispetto all’inizio del trattamento, gettando le basi per una proficua linea di ricerca in ambito radioterapico.

Stimolazione magnetica transcranica: analisi ed applicazioni in ambito sperimentale e terapeutico

L'argomento discusso in questa tesi riguarda la tecnica detta "stimolazione magnetica transcranica" (TMS) e le sue applicazioni sia in campo sperimentale sia in ambito medico e terapeutico. A tale scopo la trattazione analizzerà in primo luogo gli aspetti biologici del campo d'applicazione di tale tecnica, per poi focalizzarsi sui principi fisici e strumentali alla base della TMS, per concludere infine con alcuni esempi applicativi.

Verifica radioprotezionistica con tecniche Monte Carlo del bunker per radioterapia dell' ASMN-IRCCS di Reggio Emilia

Conoscere con dettaglio il campo di radiazione che si genera nell'utilizzo di un acceleratore lineare di elettroni durante una seduta di radioterapia è essenziale sia per i pazienti sia per gli operatori. L'utilizzo del codice Monte Carlo MCNPX 2.7.0 permette di stimare dati dosimetrici dettagliati in zone dove può essere complicato effettuare misurazioni.Lo scopo di questo lavoro è indagare il comportamento del fascio fotonico prodotto nel bunker di radioterapia dell'ASMN-IRCCS di Reggio Emilia, valutando con precisione in particolare la produzione di fotoneutroni secondari. L'obiettivo è la verifica dell'efficacia delle barriere offerte dalla struttura tenendo in considerazione anche il canale di penetrazione degli impianti di servizio che costituisce un punto di fuga per le radiazioni.

Applicazioni sperimentali e tarapeutiche della stimolazione magnetica transcranica

La Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) è una tecnica non invasiva di neuromodulazione e neurostimolazione della corteccia cerebrale, che si basa sulla capacità di una corrente indotta nello scalpo di interferire con il normale funzionamento neuronale. Essa trova impiego in numerosi settori, quali l'indagine dell'eccitabilità delle differenti regioni corticali, lo studio della relazione tra cervello e comportamento, e il trattamento terapeutico di numerosi disturbi. L'obiettivo di questo elaborato è offrire una vasta panoramica sulle possibili applicazioni terapeutiche e non della TMS. A tale scopo, vengono presentate diverse sperimentazioni per ciascun ambito. Si cerca inoltre di mettere in luce sia le limitazioni che le potenzialità di questa tecnica, per comprendere quali siano gli aspetti su cui i futuri studi dovrebbero concentrarsi.

Sviluppo di un metodo di radioterapia adattativa tramite immagini portali e Cone-Beam CT

Il presente lavoro, svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Parma, consiste nello sviluppo di un metodo innovativo di radioterapia adattativa. Il metodo è stato applicato a pazienti affetti da varie patologie, trattati con tecnica VMAT, (Volumetric Modulated Arc Therapy), altamente conformata al target. Il metodo sviluppato si compone di due fasi: nella prima fase vengono effettuate due analisi su immagini portali, di ricostruzione della dose all'isocentro e l'analisi gamma 2D. Se almeno una di queste fallisce, si interviene con la seconda fase, che vede l'acquisizione della CBCT del paziente e la taratura in densità elettronica della stessa. Si calcola dunque il piano su CBCT, previa operazione di contouring da parte del medico e, infine, si esegue l'analisi gamma 3D sulle matrici di dose calcolate sulla CT e sulla CBCT del paziente, quantificando gli indici gamma sulle strutture PTV, CTV e OAR di interesse clinico. In base ai risultati, se necessario, si può intervenire sul piano di trattamento. Le analisi gamma 2D e 3D sono state svolte avvalendosi di un software toolkit chiamato GADD-23 (Gamma Analysis on 2D and 3D Dose Distributions) implementato e sviluppato appositamente in ambiente Matlab per questo lavoro di tesi; in particolare, la realizzazione di GADD-23 è stata resa possibile grazie all'interazione con due software di tipo open-source, Elastix e CERR, specifici per l’elaborazione e la registrazione di immagini mediche. I risultati ottenuti mostrano come il metodo sviluppato sia in grado di mettere in luce cambiamenti anatomici che alcuni pazienti hanno subìto, di tipo sistematico, in cui è possibile prendere in considerazione una ripianificazione del trattamento per correggerli, o di tipo casuale, sui quali può essere utile condurre l'attenzione del medico radioterapista, sebbene non sia necessario un replanning.

Ricerca di una risonanza ad alta massa nello stato finale mu+mu- a sqrt(s)=13 TeV con il rivelatore CMS

Il Modello Standard descrive la fenomenologia delle interazioni fondamentali con estrema precisione; tuttavia è incompleto e deve esistere nuova fisica oltre tale modello. Al momento non si è in grado di prevedere come e a che scala di energia tale fisica si manifesti. Un’eventuale risonanza nello stato finale μ + μ − a masse elevate costituirebbe un segnale di nuova fisica. Un fenomeno di questo tipo viene catalogato come produzione della particella Z' , la quale non rappresenterebbe necessariamente un nuovo bosone vettore sequenziale alla Z_0 . Questa tesi si colloca nell’ambito della ricerca della Z' nei processi di interazione protone-protone a LHC in termini di una generica risonanza che decade in coppie di muoni di carica opposta. I limiti attualmente fissati stabiliscono che non vi siano segnali di nuove risonanze per il Modello Sequenziale (SSM) al di sotto dei 2960 GeV. In questo lavoro di tesi si effettua un’analisi per un’eventuale Z ', fino a 5 TeV di massa. A Maggio 2015, LHC ha raggiunto un’energia nel centro di massa di 13 TeV aumentando di un fattore 10 o più il potere di scoperta per oggetti con massa superiore a 1 TeV. In questo scenario, favorevole all’osservazione di fenomeni rari, si inserisce la mia ricerca.

Controlli di qualita in radioterapia a fasci esterni con pellicole Gafchromic EBT3

Il lavoro svolto per questa tesi è stato effettuato presso il reparto di Fisica Medica dell’Ospedale Bellaria di Bologna, e ha lo scopo di mettere in evidenza l’efficacia dell’utilizzo di pellicole Gafchromic EBT3 nei controlli di qualità effettuati sull’acceleratore lineare LINAC SynergyS per radioterapia a fasci esterni. L’utilizzo continuo e prolungato dell’acceleratore durante i trattamenti radianti può causare nel tempo una perdita della calibrazione iniziale dei suoi componenti meccanici e dosimetrici: per questo è necessario controllarne periodicamente lo stato di funzionamento. Lo scopo dei controlli di qualità è quindi quello di verificare che tale fenomeno non sia avvenuto, per garantire precisione e sicurezza durante l’irradiazione del paziente (essenziale per i trattamenti ad alta precisione come l’IMRT e il VMAT), richiedendo che il fascio erogato colpisca il tessuto malato e riducendo al minimo l’errore per evitare il danneggiamento dei tessuti sani circostanti. I test effettuati sull’acceleratore lineare rientrano nel programma di assicurazione di qualità elaborato ed implementato a cura dei reparti di Fisica Medica e Radioterapia dell' Ospedale Bellaria di Bologna. Tale programma di assicurazione di qualità, è attuato per garantire che i risultati dei test rientrino nelle tolleranze meccaniche e dosimetriche previste dal protocollo dei controlli di qualità per le prove di stato e periodiche sull’acceleratore lineare in vigore all' AUSL di Bologna. In particolare in questo lavoro di tesi sono state effettuate prove dosimetriche, quali la verifica dell’omogeneità e della simmetria del fascio radiante, e prove meccaniche quali la verifica della corrispondenza tra isocentro meccanico ed isocentro radiante. Per queste verifiche sperimentali sono state utilizzate le pellicole radiocromiche Gafchromic EBT3; si tratta di dosimetri bidimensionali particolarmente adatti alla verifica dei trattamenti ad intensità modulata (IMRT, VMAT) che consentono un’accurata stima della distribuzione e dei gradienti di dose assorbita. L'utilizzo delle pellicole Gafchromic EBT3 insieme al software FilmQA Pro si è rivelato uno strumento dosimetrico preciso, accurato e pratico per effettuare i controlli di qualità di base su un acceleratore lineare per radioterapia.

La radioterapia e le tecniche I.G.R.T. applicate

L'elaborato espone l'iter di un paziente nel reparto di radioterapia e descrive l'evoluzione delle immagini radioterapiche dai portal film alle Cone Beam Computer Tomography. Inoltre espone i vari standard e protocolli usati per archiviare e trasmettere le immagini digitali precedentemente descritte.

Tecnologie innovative di Radioterapia Stereotassica

Dopo un'iniziale descrizione dei concetti fondamentali di dosimetria e degli effetti biologici delle radiazioni sul DNA, ho fatto una descrizione approfondita sulle diverse metodiche radioterapiche. Ho poi concentrato l'elaborato sull'approfondimento storico, tecnico-funzionale e degli aspetti positivi/negativi di due delle tecnologie di irradiazione mirata in ambito clinico più all'avanguardia e utilizzate nel loro ambito specifico: Gamma Knife modello PERFEXION e Cyberknife modello M6. Infine ho esposto gli aspetti principali dell'ultimo medello di Gamma Knife (ICON) presentato per la prima ad aprile 2015 e ad oggi presente solo in due strutture in Europa e cinque negli Stati Uniti.

Valutazione dosimetrica e aspetti tecnici di trattamenti VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) in radioterapia oncologica

La VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) è una delle più recenti tecniche radioterapiche, in cui, oltre alla modulazione geometrica della fluenza del campo di radiazione come avviene nell’IMRT (Intensity Modulated Radiotherapy), sono variati durante il trattamento anche la velocità del gantry e il rateo di dose. La radiazione è erogata senza interruzioni lungo uno o più archi continui della testata dell’acceleratore, così da ridurre i tempi di trattamento in modo sostanziale rispetto all’IMRT. Nelle tecniche ad intensità modulata, ed in particolare nella VMAT, il lettino porta paziente modifica la distribuzione di dose durante gli irraggiamenti posteriori, riducendo quella al target e aumentando quella superficiale. Il presente lavoro di tesi, che ha proprio l’obiettivo di valutare questi aspetti dosimetrici in un’ottica pre-clinica, è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico S.Orsola–Malpighi, Azienda Ospedaliero-Universitaria di Bologna. Le misure sono state effettuate presso le U.O. Radioterapia-Morganti e Radioterapia-Frezza f.f. della medesima Azienda Sanitaria, al fine di caratterizzare dal punto di vista dosimetrico il lettino di trattamento iBEAM evo dell’acceleratore lineare Synergy Elekta. L’attenuazione misurata in caso di incidenza perpendicolare del fascio sul lettino, in buon accordo con gli articoli di riferimento, è stata: (2.81±0.06)% per fotoni di energia di 6 MV, (1.81±0.10)% a 10 MV e (1.38±0.05)% a 15 MV. L’attenuazione massima misurata con fotoni di energia di 6 MV si è avvicinata al 4% negli irraggiamenti obliqui. Infine, è stato analizzato il confronto con statistica gamma fra distribuzione di dose pianificata e misurata prima e dopo aver modellizzato le caratteristiche del lettino nel software per l’elaborazione del piano di trattamento. Solo dopo tale operazione, i due casi VMAT analizzati (tumore dell’orofaringe e prostatico) superano i criteri più restrittivi e affidabili utilizzati nella pratica clinica.