Sviluppo di tecniche di Speckle tracking per la correzione del movimento in ecografia epatica perfusionale

L'ecografia con mezzo di contrasto è una tecnica non invasiva che consente di visualizzare la micro e la macrocircolazione grazie all'utilizzo di microbolle gassose che si distribuiscono in tutto il sistema cardiovascolare. Le informazioni emodinamiche e perfusionali ricavabili dalle immagini eco con contrasto possono essere utilizzate per costruire un modello a grafo dell'albero vascolare epatico. L'analisi della connettività del grafo rappresenta una strategia molto promettente che potrebbe consentire di sostituire la misurazione del gradiente pressorio venoso del fegato, che richiede cateterismo, determinando un notevole miglioramento nella gestione dei pazienti cirrotici. La presente tesi si occupa della correzione dei movimenti del fegato, che deve essere realizzata prima di costruire il grafo per garantire un'accuratezza adeguata. Per correggere i movimenti è proposta una tecnica di Speckle tracking, testata sia in vitro su sequenze eco sintetiche, sia in vivo su sequenze reali fornite dal Policlinico Sant'Orsola.

Studio e sviluppo di un metodo di detezione della camera atriale in ecografia intracardiaca

Il lavoro di tesi si è svolto in collaborazione con il laboratorio di elettrofisiologia, Unità Operativa di Cardiologia, Dipartimento Cardiovascolare, dell’ospedale “S. Maria delle Croci” di Ravenna, Azienda Unità Sanitaria Locale della Romagna, ed ha come obiettivo lo sviluppo di un metodo per l’individuazione dell’atrio sinistro in sequenze di immagini ecografiche intracardiache acquisite durante procedure di ablazione cardiaca transcatetere per il trattamento della fibrillazione atriale. La localizzazione della parete posteriore dell'atrio sinistro in immagini ecocardiografiche intracardiache risulta fondamentale qualora si voglia monitorare la posizione dell'esofago rispetto alla parete stessa per ridurre il rischio di formazione della fistola atrio esofagea. Le immagini derivanti da ecografia intracardiaca sono state acquisite durante la procedura di ablazione cardiaca ed esportate direttamente dall’ecografo in formato Audio Video Interleave (AVI). L’estrazione dei singoli frames è stata eseguita implementando un apposito programma in Matlab, ottenendo così il set di dati su cui implementare il metodo di individuazione della parete atriale. A causa dell’eccessivo rumore presente in alcuni set di dati all’interno della camera atriale, sono stati sviluppati due differenti metodi per il tracciamento automatico del contorno della parete dell’atrio sinistro. Il primo, utilizzato per le immagini più “pulite”, si basa sull’utilizzo del modello Chan-Vese, un metodo di segmentazione level-set region-based, mentre il secondo, efficace in presenza di rumore, sfrutta il metodo di clustering K-means. Entrambi i metodi prevedono l’individuazione automatica dell’atrio, senza che il clinico fornisca informazioni in merito alla posizione dello stesso, e l’utilizzo di operatori morfologici per l’eliminazione di regioni spurie. I risultati così ottenuti sono stati valutati qualitativamente, sovrapponendo il contorno individuato all'immagine ecografica e valutando la bontà del tracciamento. Inoltre per due set di dati, segmentati con i due diversi metodi, è stata eseguita una valutazione quantitativa confrontatoli con il risultato del tracciamento manuale eseguito dal clinico.

L'informazione di fase per la valutazione della perfusione epatica in ecografia

L'elaborato illustra una possibile soluzione al problema della correzione del movimento respiratorio in dati ecografici di perfusione epatica per la valutazione della pressione portale. La tecnica proposta si basa sul segnale monogenico e sull’informazione di fase dell’immagine. Inizialmente sono stati presentati gli strumenti atti alla valutazione della vascolaritá epatica, con una particolare focalizzazione sulle tecniche non invasive per diagnosticare l’ipertensione portale. Tra di esse l’ecografia con mezzo di contrasto si impone come uno dei metodi più efficaci e soprattutto meno invasivi. In seguito è stato presentato un recente studio secondo cui, tramite l’elaborazione delle curve di enhancement ottenute dalla sequenza ecografica, è possibile stimare dei parametri correlati al valore di pressione portale. Tuttavia, durante l’esecuzione dell’esame ecografico, i movimenti respiratori del paziente non sempre consentono una corretta valutazione di tali parametri. In questa tesi è stata indagata la possibilità di compensare questi artefatti mediante l'applicazione di una metodo di tracking basato sul vincolo di conservazione della fase dell'immagine. Il metodo è stato testato qualitativamente su sequenze di immagini ecografiche acquisite all’ospedale di Barcellona e all’ospedale Sant’Orsola di Bologna, con risultati promettenti.

Analisi della cardiotossicità in pazienti oncologici mediante ecografia volumetrica

La tesi affronta la tematica dei problemi cardiaci riscontrati in alcuni pazienti, a seguito del trattamento sanitario con procedure chemioterapiche. In particolar modo si concentra sugli effetti collaterali derivanti dalle cure somministrate ad individui affetti da tumori mammari, che, a causa di questa condizione, subiscono terapie mirate a livello del torace. La cardiotossicità che si presenta nei casi precedentemente indicati è di tipo acuto, o cronico. Il lavoro si prefigge lo scopo di analizzare una metodologia che identifichi e riscontri in tempo il manifestarsi della cardiotossicità, basandosi su alcuni sintomi e segnali, per evitare il manifestarsi del tipo cronico. Per raggiungere questo obiettivo si è studiato l'utilizzo di apparecchiature per l’ecocardiografia, che sono poco invasive e presentano una quantità di effetti collaterali estremamente ridotta. L’elaborato è suddiviso in quattro capitoli: 1. Il primo capitolo è dedicato al "Cuore". Nei diversi sottocapitoli ci si concentra sulla parte anatomica e sulla fisiologia dello stesso. Il sottocapitolo più importante è quello sulla "Cardiotossicità", tema centrale del lavoro, in cui sono spiegati i meccanismi con cui si manifesta, quali farmaci la causano e per quali motivi. 2. Il secondo capitolo si occupa dell’apparecchiatura usata durante lo studio del cuore, cioè l'ecografo. Dopo una breve introduzione sulle proprietà fisiche degli ultrasuoni, ci si concentra sulla struttura dell’apparecchiatura. In particolare ci si focalizza sugli strumenti per ecografie cardiache volumetriche. 3. Il terzo capitolo è dedicato al software TOMTEC. Si descrive in quali modalità si utilizza, in che maniera, e quali parametri identifica per l'eventuale riscontro di episodi di cardiotossicità. In uno dei sottocapitoli è descritto nel dettaglio il database creato dall’autrice per la raccolta dei dati relativi ai pazienti trattati. 4. L'ultimo capitolo è dedicato alla conclusioni, in cui si sottolinea l'importanza della ricerca di meccanismi per prevenire l'insorgere di malattie cardiache in pazienti già sottoposti a pesanti cicli di terapia.

Uso combinato di ecografia e stereofotogrammetria per l'analisi delle variazioni architetturali del muscolo in funzione della posizione articolare

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di indagare come differenti angoli all’articolazione di caviglia possono influenzare l’architettura del muscolo Tibiale Anteriore, architettura che sua volta può influenzare la lettura degli elettromiogrammi superficiali. Questo è stato fatto attraverso l’utilizzo combinato di sistemi ecografici e stereofotogrammetrici, che nel loro complesso permettono la ricostruzione del volume della struttura di interesse. Dalle immagini ecografiche 3D è stato possibile valutare le modifiche dell’angolo di pennazione del muscolo, che ha mostrato differenze significative tra due condizioni di osservazione, ovvero passando dalla condizione con caviglia in posizione neutra a dorsiflessa e passando dalla posizione dorsiflessa a quella plantarflessa. Dalla ricostruzione del volume è stato possibile stimare le variazioni di spessore e larghezza del muscolo. Da queste stime sono state riscontrate differenze significative passando dalla condizione con caviglia in posizione neutra a dorsiflessa e passando dalla posizione dorsiflessa a quella plantarflessa, principalmente nella porzione più mediale del muscolo.

Studio e caratterizzazione delle placche carotidee in ecografia

La malattia aterosclerotica presenta elevate morbilità e mortalità in gran parte del mondo e poterla diagnosticare prima che essa porti a un evento acuto (ictus) comporta indiscutibili vantaggi per la sanità. Il problema a monte della malattia è la presenza di placche aterosclerotiche nei vasi arteriosi. La placca può essere classificata in base alle sue componenti isto-morfologiche in fibrosa, fibrocalcifica o fibroadiposa, che comportano diversi livelli di rischio. In questo elaborato è presentata la procedura CAPSU, che permette la rilevazione e la segmentazione delle placche in modo automatico in immagini eco; è valutata l’efficacia di un tool che permette la classificazione automatica delle placche, già segmentate con il metodo CAPSU. Un esperto ha classificato le placche appartenenti a 44 immagini ecografiche che poi sono state sottoposte all’elaborazione automatica; i risultati si sono rivelati concordi. Sono stati valutati alcuni fattori che potrebbero differenziare univocamente i tipi di placche tra loro (area, eccentricità, minimo, massimo e medio livello di grigio, ecogenicità ed eterogeneità) e a parte i primi due tutti si sono mostrati validi in almeno un confronto tra due tipi di placche. Si è concluso che una classificazione automatica del tutto efficace delle placche carotidee potrebbe essere possibile in seguito a ulteriori sviluppi di questa tecnica.

Valutazione delle performance di un algoritmo per la quantificazione della pressione portale epatica da ecografia con mezzo di contrasto

La misurazione del gradiente pressorio venoso (HVPG) viene utilizzata per diagnosticare la gravità della malattia del fegato ma si tratta di una pratica invasiva e che non può essere effettuata in tutti i pazienti. Per questo motivo sono state studiate nuove metodiche per riuscire ad analizzare la cirrosi, una tra le quali l’indagine ecografica. Un progetto in fase di svolgimento (progetto CLEVER) è stato avviato per riuscire a sviluppare, validare e trasferire nella pratica clinica un nuovo sistema basato sull'analisi di immagini ecografiche con mezzo di contrasto al fine di valutare la gravità della degenerazione della rete vascolare causata dalla cirrosi. L'obiettivo principale della ricerca è quello di sviluppare uno strumento completamente automatico per l'analisi in tempo reale della rete vascolare del fegato in grado di valutare la connettività vascolare e quantificare il grado di squilibrio della rete.

Principi di funzionamento e campi di utilizzo della Ecografia Volumetrica

In questo elaborato è stato trattato il concetto di ultrasuoni, le sue proprietà, le leggi fisiche che lo caratterizzano e la loro scoperta. Successivamente sono stati trattati la storia e il funzionamento della ecografia bidimensionale, le differenti tipologia di trasduttore, modalità di visualizzazione e l'analisi ecocolordoppler. In seguito è stato approfondito il concetto di ecografia volumetrica e sequenza di dati ecografici volumetrici con rispettive modalità di acquisizione dei dati, modalità di elaborazione, e modalità di visualizzazione dell'immagini. Infine, sono stati trattati brevemente gli impieghi di questa tecnologia e le possibili implementazioni future.

Valutazione della cardiotossicità in pazienti oncologici mediante tecniche di diagnostica per immagine

Scopo della tesi è delineare un possibile approccio alla valutazione della cardiotossicità nei pazienti sottoposti a cure chemioterapiche a base di Antracicline, Taxani e Trastuzumab. Si valuta l'importanza e idoneità dell'ecografia volumetrica nella determinazione della funzionalità cardiaca in ambito oncologico e la fragilità della frazione di eiezione nel diagnosticare efficacemente la cardiotossicità indotta dai farmaci anti-tumorali, fornendo, come alternativa, il monitoraggio di strain longitudinale e biomarcatori come la Troponina I.

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.

Studio e sviluppo di un tool per la valutazione dell'efficacia di terapie riabilitative per lesioni muscolari e tendinee da immagini ecografiche

Il seguente lavoro è uno studio preliminare motivato dalla possibilità di integrazione di un sistema ecografico portatile in un'apparecchiatura per Tecarterapia. Lo scopo è permettere al fisioterapista di dare una valutazione oggettiva dell'efficacia dei trattamenti erogati, mediante il calcolo di parametri oggettivi: il confronto tra questi consentirà il monitoraggio e la valutazione del follow-up. La Tecarterapia è particolarmente efficace nel trattamento precoce non chirurgico di tendinopatie e lesioni muscolari e per dimostrarlo sono stati sviluppati due algoritmi per il calcolo automatico di parametri caratterizzanti il tendine e il muscolo. Questi sono stati testatati su pazienti affetti da tendinopatia al tendine d'Achille e lesione ai muscoli flessori della coscia prima e dopo un ciclo di Tecar e i risultati ottenuti hanno rispecchiato le aspettative, permettendo di stabilire oggettivamente l'efficacia della terapia. Per permettere anche ad utenti non esperti in programmazione di utilizzare questi strumenti di calcolo, è stata elaborata, separatamente per le lesioni e le tendinopatie, un’ interfaccia grafica in Matlab.

Rilievo geofisico del Lago di Cavazzo (o dei tre comuni), Friuli Venezia Giulia Settentrionale

Il Lago di Cavazzo (o dei Tre Comuni) è il più esteso lago naturale del Friuli Venezia Giulia. Situato nelle Prealpi Carniche, in provincia di Udine, è ubicato in un’antica valle scavata in epoca pre – glaciale dal fiume Tagliamento, che oggi scorre circa 3 km ad Est. A partire dagli anni ’40, la S.A.D.E. (ora Edipower) ottenne le concessioni per la costruzione di una serie di impianti idroelettrici in tutto il Friuli Venezia Giulia che nel 1954 portò alla realizzazione della Centrale idroelettrica di Somplago, costruita in caverna lungo la sponda Nord – occidentale del lago. La Centrale turbina le acque di scarico provenienti dai bacini di accumulo superiori («Lumiei», «Ambiesta») e da altre prese minori sul Tagliamento, immettendo a sua volta le acque turbinate all’interno del lago di Cavazzo tramite galleria. Dai dati disponibili in letteratura, dalle cronache e dai resoconti riportati dalla popolazione locale, l’attività della Centrale ha notevolmente influenzato l’equilibrio di questo ambiente, in termini geologici, biologici ed idrologici, soprattutto a causa dell’enorme volume di acqua fredda (e relativi sedimenti) scaricata, delle continue variazioni di livello dell’acqua per regolarne il volume di invaso e dello scavo del canale emissario, localizzato nell’estremità meridionale. Nel Maggio 2015 l’ISMAR – CNR di Bologna ha effettuato un rilievo geofisico del lago, tramite tecniche non distruttive di ecografia e sismica a riflessione, in grado di analizzare la stratigrafia superficiale e la distribuzione degli apporti sedimentari, con lo scopo di quantificare da questo punto di vista l’impatto della Centrale sul lago. I dati acquisiti, che comprendono profili sismici ad alta risoluzione, profili batimetrici single/multi – beam ed immagini side – scan sonar, sono stati successivamente elaborati per realizzare varie mappe tematiche (morfobatimetria, riflettività, gradiente topografico e spessore dei sedimenti penetrabili dal segnale sismico) che hanno permesso di descrivere l’attuale assetto deposizionale del lago. Sono stati inoltre effettuati alcuni carotaggi in vari punti della conca lacustre, al fine di quantificare il tasso di sedimentazione e le caratteristiche fisiche dei depositi. Scopo di questo lavoro di Tesi è stato analizzare, interpretare e discutere in una prospettiva di evoluzione ambientale del lago i dati geofisici e geologici raccolti nell’ambito della campagna del Maggio 2015 e reperiti in bibliografia.

Studio e sviluppo di un metodo per il monitoraggio della posizione dell'esofago durante l'ablazione transcatetere

Lo scopo del presente lavoro di tesi è l’implementazione di un metodo per la detezione automatica dei contorni dell’esofago in immagini ecografiche intracardiache acquisite durante procedure di ablazione transcatetere per il trattamento della fibrillazione atriale. Il progetto si è svolto in collaborazione con il laboratorio di elettrofisiologia, Unità Operativa di Cardiologia, Dipartimento Cardiovascolare, dell’ospedale ‘’ S. Maria delle Croci ’’ di Ravenna, Azienda Unità Sanitaria Locale della Romagna e si inserisce in un progetto di ricerca più ampio in cui sono stati sviluppati due differenti metodi per il tracciamento automatico della parete posteriore dell’atrio sinistro. L’obiettivo è consentire al clinico il monitoraggio della posizione dell’esofago rispetto all’atrio sinistro per ridurre il rischio di lesioni della parete esofagea. L’idea di base dell’algoritmo è di lavorare sull’immagine per linee di scansione orizzontali, valutando la distribuzione dei livelli di intensità di grigio. Una volta individuati i punti appartenenti alle pareti anteriore e posteriore dell’esofago, sono stati utilizzati dei polinomi rispettivamente del quarto e secondo ordine per interpolare i dati. Per assicurarsi che la detezione sia corretta è stato introdotto un check aggiuntivo che consente la correzione del risultato qualora il clinico non sia soddisfatto, basandosi su input manuale di due punti richiesto all’operatore. L’algoritmo è stato testato su 15 immagini, una per ogni paziente, e i contorni ottenuti sono stati confrontati con i tracciamenti manuali effettuati da un cardiologo per valutare la bontà del metodo. Le metriche di performance e l’analisi statistica attestano l’accuratezza del metodo. Infine sono state calcolate delle misure di interesse clinico, quali la distanza tra parete posteriore dell’atrio sinistro e parete anteriore dell’esofago e la larghezza media di quest’ultimo che risulta comparabile con quanto riportato in letteratura.

Valutazione della cardiotossicità in pazienti oncologici mediante tecniche ecocardiografiche

L'elaborato si inserisce in un progetto sviluppato presso l'Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (I.R.S.T.) di Meldola che riguarda la valutazione di parametri cardiologici che possano risultare indici predittivi di uno scompenso cardiaco in pazienti affetti da linfoma. Tutti i soggetti considerati nel progetto sono stati sottoposti a trattamenti chemioterapici facenti uso di antracicline e la cui funzionalità cardiaca è stata controllata periodicamente tramite ecografia bidimensionale e volumetrica, utilizzando il sistema VividE9 della GE Healthcare. L'obiettivo dell'analisi è quello di ricercare se oltre alla frazione di eiezione esistono parametri più predittivi di una eventuale cardiotossicità come gli strain, calcolati attraverso l'ausilio della tecnica ecografica.