Sistemi a microonde dedicati all'imaging della mammella: prototipi sperimentali e risultati clinici.

In questo lavoro si è voluto mostrare lo sviluppo di nuove tecniche per la diagnosi del tumore alla mammella, in particolare la tecnica di imaging a microonde. Fra le varie metodologie di imaging della mammella, la Microwave Imaging è particolarmente interessante in quanto sfrutta il contrasto nelle proprietà elettromagnetiche dei tessuti. Questa emergente tecnica offre numerosi vantaggi per le pazienti eliminando la compressione della mammella tipica delle mammografie a raggi-X, e l'uso di radiazioni ionizzanti e dannose per l'uomo. Per tali motivi, la ricerca in campo biomedico, dal 2000 in poi, si è interessata particolarmente all' uso delle onde elettromagnetiche nel range delle microonde per ottenere immagini diagnostiche. Il presente lavoro si propone di illustrare lo stato dell'arte attuale nel campo dell'imaging a microonde, descrivendo dettagliatamente i vari prototipi sviluppati in tutto il mondo, e infine esporre i risultati che i vari gruppi di ricerca hanno ottenuto. Anche se la tecnica, per le sue potenzialità, dovrebbe avere un largo uso clinico, solo pochi dei sistemi realizzati sono stati testati su pazienti a scopo diagnostico.

Algoritmi di ricostruzione di immagini per sistemi a microonde dedicati all'imaging della mammella

Lo scopo di questa tesi è quello di presentare alcuni degli algoritmi di ricostruzione utilizzati nei sistemi a microonde per l'imaging della mammella. Sebbene, la mammografia a raggi X sia la tecnica che a oggi presenta le migliori caratteristiche per la rilevazione di lesioni tumorali ai tessuti del seno, la compressione necessaria nel processo di imaging e la probabilità non trascurabile di falsi negativi hanno portato alla ricerca e allo sviluppo di metodi alternativi di imaging alla mammella. Tra questi, l'imaging attraverso microonde sfrutta la differenza delle proprietà dielettriche tra tessuto sano e tumorale. Nel seguente elaborato verrà descritto come è ottenuta l'immagine dell'interno della mammella attraverso gli algoritmi di ricostruzione utilizzati da vari prototipi di sistemi di imaging. Successivamente verranno riportati degli esempi che mostrano i risultati ottenuti attraverso simulazioni o, quando possibile, in ambiente clinico.

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.

Nuove tecniche di diagnostica per immagini: La pet/ct

L'obiettivo di questo studio è quello di mettere in luce i diversi fattori che, negli ultimi anni, hanno portato ad un impiego sempre più diffuso della PET in ambito clinico, in Italia e all'estero. La recente integrazione delle informazioni funzionali della PET con le informazioni morfologiche di una TC, mediante tomografi ibridi PET/CT, ha radicalmente cambiato l’approccio alla stadiazione e al follow-up dei pazienti, rendendo questa tecnica una delle massime espressioni della moderna diagnostica per immagini, al giorno d'oggi utilizzata principalmente in campo oncologico. Nei primi capitoli, dopo un breve richiamo alla struttura della materia, ai concetti di radiazione e decadimento radioattivo, si analizzano le apparecchiature e i principi di funzionamento della tecnica PET/TC. Successivamente, nel capitolo 4 sono illustrati i diversi tipi di radiofarmaci e le loro applicazioni, con un’attenzione particolare al PSMA, impiegato principalmente nei tumori alla prostata, reni, tiroide e mammella. Proprio alla cura e alla diagnosi del tumore alla prostata è dedicato il capitolo 5, con un breve confronto tra l’ormai accreditata PET/CT con 18F-Colina e l’innovativa Ga-PSMA PET/CT. Nel capitolo 6 si prendono in considerazione le procedure e i protocolli da seguire durante un esame PET/TC, le misure di preparazione, prevenzione e le precauzioni che pazienti e personale sanitario devono osservare. Nel capitolo 7, infine, un breve cenno alle ultime innovazioni tecnologiche: imaging ibrido PET/MRI e fotomoltiplicatori SiPM. Le fonti bibliografiche citate constano principalmente di articoli in lingua inglese pubblicati sul portale PubMed. Parte della documentazione relativa alla progettazione dell'apparecchiatura PET/CT e al suo utilizzo è, invece, stata fornita da personale dell'arcispedale Santa Maria Nuova di Reggio Emilia.

Nanotecnologie e nanomedicina nella diagnosi e nella terapia del cancro.

Negli ultimi decenni la nanotecnologia contestualizzata nel campo medico ha rivolto le sue applicazioni alla cura e alla diagnosi del cancro. In questo elaborato di tesi sono passati in rassegna lo stato dell'arte riguardante le attuali metodologie di cura e di diagnosi nonché le caratteristiche biologiche fondamentali del cancro.Inoltre sono approfonditi tutti gli aspetti innovativi e le potenzialità della nanomedicina e delle nanotecnologie che negli anni hanno dato risultati promettenti e che in futuro potranno consentire un nuovo tipo di approccio diagnostico-terapeutico multidisciplinare basato su una diagnosi precoce e su una terapia personalizzata.

Principi di funzionamento della pet/tc e campi applicativi

Una delle aree di maggiore innovazione nella diagnostica per immagini è rappresentata dalla possibilità di fondere le scansioni PET e TC in un sistema di acquisizione ibrido che realizza entrambi gli studi in un'unica seduta. Questa tecnica abbina infatti la capacità di raccogliere le immagini ad alta definizione della TC che può essere eseguita anche con il mezzo di contrasto tradizionale, con informazioni metaboliche estremamente dettagliate raccolte dalla PET, unificandole in un sistema di immagini ibride. Attualmente la PET ha un preminente utilizzo in campo oncologico, tanto che circa l’80% degli esami effettuati è mirato a monitorare la risposta dei pazienti a trattamenti contro il cancro e a discriminare o caratterizzare lesioni dubbie evidenziate in studi morfologici effettuati con CT e MRI. Oltre all’ambito delle patologie neoplastiche, le tecniche di imaging PET/CT hanno dimostrato una importanza rilevante anche in applicazioni di cardiologia e neurologia.

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.

Preparazione dei dati e generazione delle mappe di TC perfusionale nel cancro al polmone

L’introduzione della tomografia computerizzata nelle applicazioni oncologiche è stata rivoluzionaria per la diagnostica delle immagini di molti organi e apparati, superando i limiti della radiologia convenzionale. Questa tecnica rappresenta, infatti, un efficace strumento nella diagnosi e caratterizzazione di numerosi tumori, in quanto questo tipo di applicazione perfusionale amalgama informazioni di natura morfologica, tipiche della TC tradizionale, con studi funzionali sui tessuti in esame. Tuttavia, diversi problemi, tra cui la mancanza di un protocollo standard sia durante la fase di acquisizione dei dati, sia durante la fase di elaborazione dei dati, costituiscono un ostacolo per la trasposizione in clinica della TCp. In questo lavoro di Tesi si è trattato principalmente della modalità di analisi dei dati: ad oggi, infatti, non è ancora stato formulato un protocollo che stabilisca in modo univoco una tecnica di analisi delle mappe perfusionali risultanti dall’elaborazione delle immagini TCp. In particolare, si è tentato di affiancare ai classici metodi di analisi di immagini noti in letteratura un ulteriore tecnica che si basa sull’analisi voxel-by-voxel della regione d’interesse su più slice e non solo su quella di riferimento. Questo studio è stato fortemente motivato dall’elevato grado di eterogeneità che caratterizza molti tessuti neoplastici. A tal proposito, l’elaborato mira ad analizzare in modo qualitativo le mappe perfusionali di slice adiacenti a quella di riferimento e a verificare se queste possano restituire informazioni aggiuntive che risultino indispensabili ai fini della formulazione di una corretta diagnosi e scelta del piano terapeutico da applicare al paziente.

Microwave breast imaging reconstruction

In this thesis I analyzed the microwave tomography method to recognize breast can- cer. I study how identify the dielectric permittivity, the Helmoltz equation parameter used to model the real physic problem. Through a non linear least squares method I solve a problem of parameters identification; I show the theoric approach and the devel- opment to reach the results. I use the Levenberg-Marquardt algorithm, applied on COMSOL software to multiphysic models; so I do numerical proofs on semplified test problems compared to the specific real problem to solve.

Ecocardiografia 3D real-time: principi fisici, tecnologia e applicazioni fetali per diagnosi prenatale

La diagnosi clinica, definita come un giudizio clinico espresso da un esperto sulla salute di un individuo, dopo aver effettuato degli esami obiettivi attraverso la strumentazione adeguata allo specifico caso clinico, rappresenta un elemento fondamentale nel paradigma Prevenzione – Diagnosi – Cura – Riabilitazione, che ha come fine ultimo la salute del paziente. In questo elaborato viene presentata una tecnica di imaging che permette di fare diagnosi in uno degli organi più importanti e delicati del corpo umano, cioè il cuore, sia degli adulti, sia dei feti: l’ecocardiografia 3D Real-Time. L’elaborato si sviluppa in tre capitoli, come di seguito presentato. - Capitolo 1: si descrive la tecnologia su cui si fonda l’ecocardiografia volumetrica Real-Time attraverso le varie fasi di realizzazione dello scanner, il quale consente sia l’acquisizione sia la visualizzazione dei volumi in tempo reale; - Capitolo 2: il sistema di imaging presentato nel capitolo precedente, viene contestualizzato in un organo specifico, ovvero il cuore, illustrandone le caratteristiche, le differenze rispetto a tecniche ritenute meno performanti nella valutazione di patologie cardiache, oltre che alcune particolari evoluzioni, quali Strain Rate Imaging e Tissue Doppler Imaging; - Capitolo 3: si descrive in cosa consiste l’ecocardiografia 3D Real-Time fetale, qual è la sua finalità e quali potrebbero essere alcune applicazioni cliniche tramite cui fare una diagnosi prenatale; inoltre, si evidenzia l’importanza dell’ecocardiografia per studiare le modifiche a cui è soggetto l’apparato cardiovascolare di una donna durante i mesi di gestazione e, quindi, sottoporla alle cure opportune.

Valutazione delle tecniche di parallelizzazione nell'addestramento di una CNN per la diagnostica del cancro al seno.

Il cancro è un processo autosufficiente e adattivo che interagisce dinamicamente con il suo microambiente, la cui diagnosi, complessa e dispendiosa in termini di tempo e numero di specialisti impiegati, viene solitamente effettuata valutando l’imaging radiografico oppure effettuando un esame istologico. L'interpretazione di tali immagini risulta generalmente molto complessa, a questo scopo sarebbe molto utile poter addestrare un computer a comprendere tali immagini potendo di fatto affiancarsi allo specialista, senza sostituirlo, al momento della diagnosi. A questo scopo è possibile affidarsi alle tecniche di apprendimento automatico, sistema alla base dell’intelligenza artificiale (AI), le quali permettono di fatto di apprendere automaticamente la rappresentazione delle caratteristiche da immagini campione. Tali tecniche di intelligenza artificiale, hanno però bisogno, per essere addestrate, di grandi quantità di dati in cui il segnale di uscita desiderato è noto, comportando di fatto un aumento delle tempistiche di addestramento. Inoltre, in ambito sanitario, i dati sono distribuiti su più archivi, dislocati sul territorio nazionale, rendendo impossibile l’utilizzo di soluzioni centralizzate. L’obbiettivo di questa trattazione sarà cercare di trovare una soluzione a queste due problematiche, ricorrendo all’utilizzo delle tecniche di parallelizzazione. A seguito dell'introduzione dello scenario biologico e delle tecniche di diagnostica ad esso associato è presentato il percorso di creazione della rete neurale. A seguito del suo addestramento sulla GPU di una singola macchina, ottenendo un'accuratezza dell'83.94% in 5 ore 48 minuti e 43 secondi, è stata introdotto la parallelizzazione ed una sua implementazione. In conclusione, sfruttando il sistema implementato, è stata distribuita la fase di addestramento prima su due macchine e poi su tre, ottenendo una diminuzione del tempo di addestramento rispettivamente del 31.4% e del 50%.