Uso di 3d slicer in ambito di ricerca clinica: Una revisione critica delle esperienze di riferimento

Negli ultimi 20 anni il progresso tecnologico ha segnato un profondo cambiamento in svariati ambiti tra i quali quello della Sanità in cui hanno preso vita apparecchiature diagnostiche, cosiddette “digitali native”, come la Tomografia Computerizzata (TC), la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET), la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN), l’Ecografia. A differenza delle diagnostiche tradizionali, come ad esempio la Radiologia convenzionale, che forniscono come risultato di un esame un’immagine bidimensionale ricavata dalla semplice proiezione di una struttura anatomica indagata, questi nuovi sistemi sono in grado di generare scansioni tomografiche. Disporre di immagini digitali contenenti dati tridimensionali rappresenta un enorme passo in avanti per l’indagine diagnostica, ma per poterne estrapolare e sfruttare i preziosi contenuti informativi occorrono i giusti strumenti che, data la natura delle acquisizioni, vanno ricercati nel mondo dell’Informatica. A tal proposito il seguente elaborato si propone di presentare un software package per la visualizzazione, l’analisi e l’elaborazione di medical images chiamato 3D Slicer che rappresenta un potente strumento di cui potersi avvalere in differenti contesti medici. Nel primo capitolo verrà proposta un’introduzione al programma; Seguirà il secondo capitolo con una trattazione più tecnica in cui verranno approfondite alcune funzionalità basilari del software e altre più specifiche; Infine nel terzo capitolo verrà preso in esame un intervento di endoprotesica vascolare e come grazie al supporto di innovativi sistemi di navigazione chirurgica sia possibile avvalersi di 3D Slicer anche in ambiente intraoperatorio

Valutazione funzionale tramite fluoroscopia 3d di una nuova tecnica chirurgica per la navigazione intra-operatoria dell'articolazione patello-femorale

Una tracciato anormale della rotula può provocare dolore anteriore al ginocchio dopo un’artroplastica e può condurre al fallimento dell’intervento stesso. È importante quindi valutare questo tracciato sia intra che post-operatoriamente, anche per validare disegni protesici innovativi e supportare il chirurgo per le più critiche decisioni chirurgiche al momento dell’impianto. Ad oggi però le valutazioni in-vivo della cinematica femoro-rotulea sono poche e poco attendibili; è per questi motivi che abbiamo deciso di analizzare l’articolazione con la tecnica video-fluoroscopica, appositamente adattata allo scopo di tale studio, a sei mesi di follow-up dall’intervento. Per lo studio abbiamo esaminato, tramite video-fluoroscopia 3D, sette pazienti che hanno subito l’impianto di una protesi totale al ginocchio con ricopertura della rotula. Successivamente le immagini sono state elaborate con un apposito software per ricostruire la cinematica 3D, e sono stati ottenuti i grafici per ogni grado di libertà dell’articolazione. Dall’analisi dei risultati, la tecnica utilizzata è risultata fattibile ed affidabile, infatti dai grafici si nota come la normale cinematica delle articolazioni studiate sia stata ripristinata. Questo studio, oltre a validare l’applicazione della tecnica video-fluoroscopica all’articolazione femoro-rotulea oltre che a quella tibio-femorale, dopo un confronto con i dati derivanti dalla navigazione chirurgica, ha consentito di validare anche questa tecnica intra-operatoria. Questo risultato potrà condurre ad una maggiore precisione nell’allineamento delle componenti protesiche da parte del chirurgo, con conseguente riduzione del rischio di fallimento dell’impianto.

La navigazione neurochirurgica: analisi della tecnologia nello studio di un caso clinico reale

L’avvento delle tecniche di imaging volumetrico, quali la CT (Computed Tomography) e la MRI (Magnetic Resonance Investigation), ha portato ad un crescente interesse verso applicazioni di guida chirurgica che utilizzano processi di allineamento delle immagini diagnostiche provenienti da diverse modalità e di tecniche che ne permettono la visualizzazione in sala operatoria, in modo da fornire al chirurgo il maggior numero di informazioni cliniche possibili durante un intervento. Il crescente interesse verso questo tipo di applicazioni è dovuto anche allo sviluppo di dispositivi di imaging intra-operatorio quali archi a C-mobili radiologici, PC ad alte prestazioni e convertitori A/D 3D con precisione clinicamente accettabile. Questi ultimi due hanno conseguentemente portato a sviluppare ed implementare software dedicati alla pianificazione di un intervento chirurgico, permettendo quindi di elaborare digitalmente le immagini diagnostiche e ricostruire un modello che rappresenta l’effettiva anatomia del paziente. Questo processo nel suo complesso ha portato allo sviluppo di quelli che oggi vengono chiamati sistemi di navigazione chirurgica, abbreviati talvolta in IGSS (Imaging-Guided Surgery Systems), sistemi ovvero che permettono di utilizzare immagini pre-operatorie come guida durante la pratica chirurgica, caratterizzando quindi nuovi metodi di approccio alla chirurgia, le IGS (Image-Guided Surgery) appunto.

Modernizzazione dei sistemi satellitari di posizionamento globale (GNSS)

In questa tesi, sono esposti i sistemi di navigazione che si sono evoluti, parimenti con il progresso scientifico e tecnologico, dalle prime misurazioni della Terra, per opera della civiltà ellenica, circa 2.500 anni fa, sino ai moderni sistemi satellitari e ai mai tramontati sistemi di radionavigazione. I sistemi di navigazione devono rispondere alla sempre maggiore richiesta di precisione, affidabilità, continuità e globalità del servizio, della società moderna. È sufficiente pensare che, attualmente, il solo traffico aereo civile fa volare 5 miliardi di passeggeri ogni anno, in oltre 60 milioni di voli e con un trasporto cargo di 85 milioni di tonnellate (ACI - World Airports Council International, 2012). La quota di traffico marittimo mondiale delle merci, è stata pari a circa 650 milioni di TEU (twenty-foot equivalent unit - misura standard di volume nel trasporto dei container ISO, corrisponde a circa 40 metri cubi totali), nel solo anno 2013 (IAPH - International Association of Ports and Harbors, 2013). Questi pochi, quanto significativi numeri, indicano una evidente necessità di “guidare” questo enorme flusso di aerei e navi in giro per il mondo, sempre in crescita, nella maniera più opportuna, tracciando le rotte adeguate e garantendo la sicurezza necessaria anche nelle fasi più delicate (decollo e atterraggio per gli aeroplani e manovre in porto per le grandi navi). Nello sviluppo della tesi si proverà a capire quali e quanto i sistemi di navigazione possono assolvere al ruolo di “guida” del trasporto aereo e marittimo.

Valutazione sperimentale in-vitro di nuove superfici protesiche per la sostituzione totale di caviglia derivanti da un innovativo approccio morfologico

La sostituzione totale di caviglia o artroplastica totale di caviglia (Total Ankle Replacement - TAR) è un'operazione eseguita per sostituire le superfici di contatto delle ossa di tibia e astragalo mediante componenti protesiche e sta diventando una comune procedura chirurgica per il trattamento dell’ultimo stadio di osteoartrite di caviglia. La morfologia articolare della caviglia e la relativa cinematica sono molto complesse. Gli attuali dispositivi per TAR soffrono ancora di alti tassi di insoddisfazione e fallimento, probabilmente a causa dei relativi disegni protesici non pienamente rispettosi della normale morfologia di caviglia e del normale trasferimento dei carichi articolari. Recentemente, è stato proposto un nuovo disegno basato su un originale postulato che approssima la superficie articolare talare in modo maggiormente fisiologico, come un tronco di cono a sella con apice diretto lateralmente. L'obiettivo di questa tesi di laurea è di valutare sperimentalmente, mediante il supporto del navigatore chirurgico, il comportamento cinematico derivante dall’impianto del dispositivo TAR basato sul nuovo postulato e di confrontarlo con la cinematica derivante dalla caviglia intatta e derivante da modelli protesici basati sui disegni più comunemente utilizzati. Dieci arti inferiori da cadavere con caviglie intatte e normali, sono state scansionati via CT. Le immagini di caviglia sono state poi segmentate per la produzione dei modelli virtuali articolari. Questi sono stati prodotti sia basandosi sul nuovo postulato sia su quelli standard, e successivamente stampati in materiale plastico via 3D-printing. I risultati ottenuti a seguito di elaborazioni confermano che il nuovo dispositivo sembra riprodurre meglio rispetto agli altri, il fisiologico comportamento funzionale della caviglia, presentando valori prossimi a quelli della caviglia naturale.

Il ruolo dell'articolazione femoro-rotulea nella artroplastica totale di ginocchio durante chirurgia computer assistita: Analisi cinematica in-vivo su un campione di pazienti

Navigazione chirurgica della rotula in-vivo durante artroplastica totale di ginocchio.Analisi cinematica dell'articolazione tibio-femorale e femoro-rotulea su un campione di pazienti.

Sistemi navigazionali multi sensore per il posizionamento in presenza di brevi periodi di GPS outage

Il posizionamento terrestre negli ultimi anni è stato sempre più facilitato dallo sviluppo delle tecniche satellitari, che permettono di localizzare un punto sulla superficie terrestre con precisioni superiori a quelle richieste per la pura navigazione, tramite la comunicazione tra ricevitore e satelliti. Per la disponibilità del sistema satellitare è indispensabile l’intervisibilità ottica satellite - ricevitore, condizione che viene a mancare nel caso ad esempio di trekking sottobosco, a causa della copertura data da manto vegetale e chiome arboree che non permettono una corretta triangolazione geometrica satellitare. Rientrano nei sistemi navigazionali anche le piattaforme inerziali, sistemi che rilevano le accelerazioni impresse e l’orientamento della piattaforma stessa. Se montati su un veicolo possono fungere da ausilio alla determinazione dell’ “attitude”, cioè dell’atteggiamento del veicolo durante il suo movimento in uno spazio tridimensionale. In questo lavoro ci si propone di unire i benefici delle due tecnologie, satellitari e inerziali, grazie alla complementarietà delle loro caratteristiche sugli errori, unendone le potenzialità e verificando i benefici prodotti dal loro uso integrato. In particolare si utilizzeranno dispositivi di costo relativamente contenuto.

Valutazione della qualità delle immagini e della dose in multi-slice computed tomography per l'ottimizzazione dei protocolli clinici che impiegano sistemi di modulazione automatica

In questo studio ci siamo proposti di investigare i sistemi di modulazione automatica della dose sui sistemi TC Multislice (Automatic Exposure Control – AEC) da tre diversi produttori, aventi differenti indicatori di qualità delle immagini. Il presente lavoro è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria - Policlinico Sant’Orsola-Malpighi di Bologna e consiste in un’analisi quantitativa della dose impiegata durante esami di Tomografia Computerizzata Multi-Slice (TCMS) e delle rispettive immagini radiologiche. Le immagini sono state acquisite con : GE LightSpeed VCT 64 e GE LightSpeed 16 (AEC AutomA 3D longitudinale e angolare), Siemens Sensation 16 (AEC CARE Dose 4D combinato), Philips Brilliance 16 e iCT 64 (separati in AEC ZDOM longitudinale e AEC DDOM angolare). Le acquisizioni TCMS sono state effettuate a differenti kV e mA di riferimento, al fine di investigarne gli effetti sulla modulazione, impiegando algoritmi di ricostruzione standard presenti su ogni macchina. Due fantocci antropomorfi simulanti la zona del torace e dell’addome sono stati utilizzati per simulare un paziente standard posizionato come in un esame clinico di routine ; a questo proposito, sono stati impiegati protocolli elicoidali standard con e senza modulazione. Sono inoltre stati testati differenti valori di indice di qualità delle immagini. Il profilo dei mA lungo la lunghezza è stato ottenuto utilizzando ImageJ, un programma open source comunemente utilizzato per l’elaborazione di immagini; i mAs sono stati normalizzati ad un fattore che tiene conto delle differenti geometrie e delle filtrazioni dei diversi scanner tomografici analizzati nell’esperienza. Il rumore è stato valutato tramite la scelta di determinate ROI (Region Of Interest) localizzate in aree il più possibili uniformi disponibili lungo i fantocci. Abbiamo registrato che una variazione del Noise Index o dei mAs di riferimento a seconda della tipologia di macchina analizzata risulta in uno shift dei profili di dose; lo stesso si è verificato quando sono stati cambiato kV o mA nella scout di acquisizione. Sistemi AEC longitudinali e combinati hanno mostrato profili di mAs normalizzati simili tra loro, con valori elevati evidenziati nella zona delle spalle e zona pelvi; sono state osservate differenze del 30-40% tra i differenti scanner tomografici. Solo in un caso di macchina analizzata si è verificato un comportamento opposto rispetto alle altre due tipologie di macchina in esame. A dispetto della differente natura dei sistemi AEC, i risultati ottenuti dai protocolli combinati e longitudinali sono simili tra loro. Il rumore presente nelle immagini è aumentato ad un livello accettabile e la sua uniformità lungo la direzione di scan è migliorata.

Monitoring the extracellular matrix mineralization processes in biological scaffolds using bioreactors, x-ray μct technology and 3-d modeling methods (monitoraggio dei processi di mineralizzazione della matrice extracellulare in scaffolds biologici, utilizzando bioreattore, tecnologia μct a raggi x e metodi di modellizzazione 3d)

Al fine di migliorare le tecniche di coltura cellulare in vitro, sistemi a bioreattore sono sempre maggiormente utilizzati, e.g. ingegnerizzazione del tessuto osseo. Spinner Flasks, bioreattori rotanti e sistemi a perfusione di flusso sono oggi utilizzati e ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un semplice bioreattore a perfusione ed i risultati della metodologia di valutazione impiegata, basata su analisi μCT a raggi-X e tecniche di modellizzazione 3D. Un semplice bioreattore con generatore di flusso ad elica è stato progettato e costruito con l'obiettivo di migliorare la differenziazione di cellule staminali mesenchimali, provenienti da embrioni umani (HES-MP); le cellule sono state seminate su scaffold porosi di titanio che garantiscono una migliore adesione della matrice mineralizzata. Attraverso un microcontrollore e un'interfaccia grafica, il bioreattore genera tre tipi di flusso: in avanti (senso orario), indietro (senso antiorario) e una modalità a impulsi (avanti e indietro). Un semplice modello è stato realizzato per stimare la pressione generata dal flusso negli scaffolds (3•10-2 Pa). Sono stati comparati tre scaffolds in coltura statica e tre all’interno del bioreattore. Questi sono stati incubati per 21 giorni, fissati in paraformaldehyde (4% w/v) e sono stati soggetti ad acquisizione attraverso μCT a raggi-X. Le immagini ottenute sono state poi elaborate mediante un software di imaging 3D; è stato effettuato un sezionamento “virtuale” degli scaffolds, al fine di ottenere la distribuzione del gradiente dei valori di grigio di campioni estratti dalla superficie e dall’interno di essi. Tale distribuzione serve per distinguere le varie componenti presenti nelle immagini; in questo caso gli scaffolds dall’ipotetica matrice cellulare. I risultati mostrano che sia sulla superficie che internamente agli scaffolds, mantenuti nel bioreattore, è presente una maggiore densità dei gradienti dei valori di grigio ciò suggerisce un migliore deposito della matrice mineralizzata. Gli insegnamenti provenienti dalla realizzazione di questo bioreattore saranno utilizzati per progettare una nuova versione che renderà possibile l’analisi di più di 20 scaffolds contemporaneamente, permettendo un’ulteriore analisi della qualità della differenziazione usando metodologie molecolari ed istochimiche.

Una rassegna sui sistemi di geolocalizzazione per dispositivi mobili

La geolocalizzazione è il processo tramite il quale è possibile mettere in relazione una certa informazione con un punto specifico della superficie terrestre, individuato tramite metodi di localizzazione (quindi il reperimento delle coordinate latidudinali e longitudinali) di un apparato elettronico, sfruttandone le caratteristiche fisiche o ricevendo informazioni dettagliate dallo strumento stesso. Nello specifico il concetto di geolocalizzazione enfatizza l’aspetto dinamico, riferendosi ad informazioni che possono essere aggiornate di frequente come la posizione e la velocità. La possibilità di rendere dinamico il reperimento di tali informazioni e di poterle rilevare in maniera sempre più dettagliata deriva dalla combinazione di diverse tecnologie che si sono sviluppare nel ventunesimo secolo e che danno ora la possibilità ad ogni dispositivo di poterle comunicare in tempo reale. Grazie alle caratteristiche sopracitate di correlare con immediatezza le informazioni al singolo dispositivo e alla sua posizione geografica, è considerata tra i più rivoluzionari campi di sviluppo in ambito sociale ed economico, pur avendo potenziali problemi legati alla privacy e libertà individuale di non semplice soluzione. In questa tesi analizzerò i vari metodi di posizionamento fino ad oggi studiati, sia indoor (all’interno di edifici) che outdoor (all’esterno). Nel primo capitolo il documento presenta una riflessione storica sull’evoluzione del concetto di localizzazione, partendo dai primi tentativi di navigazione, fino ad arrivare ai più moderni sistemi tecnologici. Nel terzo e quarto capitolo esploro le tecniche esistenti rispettivamente per situazioni indoor e outdoor, tra cui GPS, localizzazione cellulare, sistemi a infrarossi, sistemi a onde radio e a ultrasuoni.Mi soffermerò inoltre sui vantaggi offerti da nuovi dispositivi con gli smartphones. Nel quinto capitolo analizzerò le caratteristiche di ogni istema, comparandole tra di loro. Farò poi riferimento ad alcuni casi reali di utilizzo di tali tecnologie, prima di concludere con alcune considerazioni personali.

Studio ed implementazione di algoritmi per la navigazione inerziale di velivoli autonomi ad ala rotante

I sistemi di navigazione inerziale, denominati INS, e quelli di navigazione inerziale assistita, ovvero che sfruttano anche sensori di tipo non inerziale come ad esempio il GPS, denominati in questo caso INS/GPS, hanno visto un forte incremento del loro utilizzo soprattutto negli ultimi anni. I filtri complementari sfruttano segnali in ingresso che presentano caratteristiche complementari in termine di banda. Con questo lavoro di tesi mi sono inserito nel contesto del progetto SHERPA (Smart collaboration between Humans and ground-aErial Robots for imProving rescuing activities in Alpine environments), un progetto europeo, coordinato dall'Università di Bologna, che prevede di mettere a punto una piattaforma robotica in grado di aiutare i soccorritori che operano in ambienti ostili, come quelli del soccorso alpino, le guardie forestali, la protezione civile. In particolare è prevista la possibilità di lanciare i droni direttamente da un elicottero di supporto, per cui potrebbe essere necessario effettuare l'avvio del sistema in volo. Ciò comporta che il sistema di navigazione dovrà essere in grado di convergere allo stato reale del sistema partendo da un grande errore iniziale, dal momento che la fase di inizializzazione funziona bene solo in condizioni di velivolo fermo. Si sono quindi ricercati, in special modo, schemi che garantissero la convergenza globale. Gli algoritmi implementati sono alla base della navigazione inerziale, assistita da GPS ed Optical Flow, della prima piattaforma aerea sviluppata per il progetto SHERPA, soprannominata DreamDroneOne, che include una grande varietà di hardware appositamente studiati per il progetto, come il laser scanner, la camera termica, ecc. Dopo una panoramica dell'architettura del sistema di Guida, Navigazione e Controllo (GNC) in cui mi sono inserito, si danno alcuni cenni sulle diverse terne di riferimento e trasformazioni, si descrivono i diversi sensori utilizzati per la navigazione, si introducono gli AHRS (Attitude Heading Rference System), per la determinazione del solo assetto sfruttando la IMU ed i magnetometri, si analizza l'AHRS basato su Extended Kalman Filter. Si analizzano, di seguito, un algoritmo non lineare per la stima dell'assetto molto recente, e il sistema INS/GPS basato su EKF, si presenta un filtro complementare molto recente per la stima di posizione ed assetto, si presenta un filtro complementare per la stima di posizione e velocità, si analizza inoltre l'uso di un predittore GPS. Infine viene presentata la piattaforma hardware utilizzata per l'implementazione e la validazione, si descrive il processo di prototipazione software nelle sue fasi e si mostrano i risultati sperimentali.