La radioterapia guidata dalle bioimmagini di risonanza magnetica

La radioterapia guidata dalle immagini è una terapia medica che utilizza acquisizioni frequenti di immagini durante la radioterapia. Scopo di questo elaborato è di dimostrare come l'acquisizione di bioimmagini con risonanza magnetica durante l'erogazione del trattamento radioterapico possa portare a una notevole riduzione dei problemi a cui la radioterapia è legata: errori di posizionamento del paziente, localizzazione del volume bersaglio, movimento degli organi durante l'erogazione del trattamento. Partendo dai meccanismi biologici e fisici di iterazione tra le particelle del fascio di erogazione del trattamento e quelle tumorali costituenti il tessuto bersaglio, si è descritta la radioterapia guidata dalle immagini, accostandola alla risonanza magnetica nel trattamento di specifici tumori situati nei polmoni, nella zona del collo e della testa, e nella prostata. Infine si sono descritti gli impianti di ultima generazione che integrano il sistema per l'erogazione del trattamento radioterapico con quello di acquisizione di immagini con risonanza magnetica.

Caratterizzazione di campioni stratificati sabbia/argilla mediante tecniche a risonanza magnetica nucleare

Questo lavoro ha l’obbiettivo di valutare i risultati ottenuti su campioni stratificati sabbia/argilla attraverso l’applicazione della risonanza magnetica nucleare e di confrontare la risposta ottenuta tramite uno strumento di misura di laboratorio con quella di una sonda geofisica normalmente utilizzata per le analisi in pozzo. Tale lavoro si è reso necessario per comprendere le cause per cui la sonda CMR-Tool realizzata da Schlumberger non sia in grado di mettere in evidenza la stratificazione sabbia/argilla che caratterizza il bacino sedimentario dell’Adriatico in cui è presente un importante bacino di coltivazione di gas naturale. La tipica risposta NMR su una formazione stratificata sabbia/argilla è costituita da una distribuzione bimodale dei tempi di rilassamento che la sonda suddetta, nel caso specifico, non è in grado di produrre. Pertanto, per conoscere le cause per cui tale bimodalità della distribuzione non si presenti, è stato necessario confrontare i risultati derivanti dalla sonda CMR-Tool e quelli ottenuti con un rilassometro a basso campo (0,2T) presente nei laboratori LAGIRN della Facoltà di Ingegneria di Bologna. Le misure sono state eseguite su diversi campioni, stratificati e non, realizzati ad hoc con conformazioni diverse per i due strumenti. Si sono inoltre eseguite misure su 4 sabbie a diversa granulometria, per valutare l’andamento dei tempi di rilassamento in funzione della dimensione dei grani. A tal fine, il lavoro di tesi si struttura in cinque capitoli principali. Nei primi due capitoli si sono discusse in breve le metodologie e le tecniche di valutazione delle georisorse fluide e si sono introdotti i principi fisici della risonanza magnetica nucleare ed i meccanismi che regolano tale fenomeno nei mezzi porosi. Nel terzo e quarto capitolo sono descritte le applicazioni petrofisiche, le tecniche e le metodologie di indagine comunemente usate allo scopo di ricavare alcune grandezze fisiche di interesse e gli strumenti adoperati per ottenere le misure geofisiche in pozzo. Nell’ultimo capitolo sono invece esposti, in maniera completa e schematica, le prove sperimentali eseguite sia presso il laboratorio LAGIRN dell’Università di Bologna e presso quello Schlumberger di Pescara. Nella sua impostazione, il lavoro è stato sviluppato per essere studiato e compreso in maniera chiara, cercando di rendere la lettura la più semplice possibile, in relazione con la complessità caratteristica del fenomeno NMR. I risultati ottenuti hanno una valenza importante e di estrema attualità nell’ambito della valutazione delle georisorse fluide ed arricchiscono ancor di più le conoscenze riguardanti le applicazioni delle tecniche a risonanza magnetica nucleare sui mezzi porosi.

Segmentazione automatica dell'atrio sinistro e valutazione della fibrosi atriale in risonanza magnetica

Questo lavoro di tesi si è svolto in collaborazione con le Unità Operative di Cardiologia e di Radiologia dell’ospedale “M. Bufalini” di Cesena e della St. Jude Medical, Inc., con l’obiettivo di sviluppare e implementare un metodo per l’identificazione e la valutazione della fibrosi atriale mediante risonanza magnetica in pazienti con fibrillazione atriale, candidati a procedura di ablazione. I pazienti sono stati sottoposti all’esame di risonanza magnetica (RM) angio per la valutazione della morfologia atriale e alla DE-MRI per l’identificazione e la visualizzazione delle zone di alto enhancement sulla struttura 3D dell’atrio sinistro, ossia le zone di alta intensità corrispondenti alla fibrosi. La struttura anatomica è utile all’elettrofisiologo per conoscere la morfologia dell’atrio e delle vene polmonari, permettendo quindi di minimizzare l’uso della fluoroscopia durante la procedura di ablazione. La conoscenza dei siti e della quantificazione della fibrosi è vantaggiosa per il medico per la pianificazione preoperatoria, in quanto nei pazienti con molta fibrosi non è sufficiente l’isolamento delle vene polmonari, ma si ottengono risultati migliori effettuando un’ablazione estensiva della parete atriale. Inoltre gli studi in letteratura hanno dimostrato che i pazienti con un’estensione di fibrosi superiore al 35% della superficie atriale, hanno una probabilità superiore al 50% di soffrire nuovamente di fibrillazione atriale dopo la procedura di ablazione; lo studio della fibrosi atriale vuole quindi essere un metodo per predire se l’ablazione avrà successo, oppure se è preferibile seguire indicazioni terapeutiche diverse. Il primo passo di questo lavoro è stata la registrazione delle immagini angio-RM e DE-MR mediante il software VolView. Successivamente si è implementato un programma in Matlab per segmentare in modo automatico l’atrio sinistro e si è visualizzata la struttura tridimensionale con la mappa cromatica della fibrosi utilizzando il software ParaView. Infine per validare questo lavoro si è effettuato un confronto qualitativo dei risultati ottenuti con il mappaggio elettro-anatomico acquisito mediante il sistema EnSite Velocity della St. Jude Medical, Inc. durante la procedura di ablazione transcatetere. Per eseguire questo confronto è stato necessario interfacciare il nostro lavoro con il sistema EnSite Velocity, con lo scopo di riuscire a visualizzare le mappe elettro-anatomiche sul nostro sistema e di importare la nostra struttura anatomica nel loro.

Studio e sviluppo di tecniche automatiche per la valutazione di massa e volumi del ventricolo sinistro in risonanza magnetica cardiaca

La risonanza magnetica cardiaca è una tecnica di imaging non invasiva, in quanto non necessita l’uso di radiazioni ionizzanti, caratterizzata da un’elevata risoluzione spaziale e che permette acquisizioni in 4-D senza vincoli di orientazione. Grazie a queste peculiarità, la metodica della risonanza magnetica ha mostrato la sua superiorità nei confronti delle altre tecniche diagnostiche ed è riconosciuta come il gold standard per lo studio della fisiologia e fisiopatologia della pompa cardiaca. Nonostante la potenza di questi vantaggi, esistono ancora varie problematiche che, se superate, potrebbero probabilmente migliorare ulteriormente la qualità delle indagini diagnostiche. I software attualmente utilizzati nella pratica clinica per le misure del volume e della massa ventricolare richiedono un tracciamento manuale dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio per ciascuna fetta, per ogni frame temporale del ciclo cardiaco. Analogamente avviene per il tracciamento dei contorni del tessuto non vitale. In questo modo l’analisi è spesso qualitativa. Di fatti, la necessità dell’intervento attivo dell’operatore rende questa procedura soggettiva e dipendente dall’esperienza, provocando un’elevata variabilità e difficile ripetibilità delle misure intra e inter operatore, oltre ad essere estremamente dispendiosa in termini di tempo, a causa dell’elevato numero di immagini da analizzare. La disponibilità di una tecnica affidabile per il tracciamento automatico dei contorni dell’endocardio e dell’epicardio consente di superare queste limitazioni ed aumentare l’accuratezza e la ripetibilità delle misure di interesse clinico, quali dimensione, massa e curve di volume ventricolari. Lo scopo di questa tesi è di sviluppare e validare una tecnica di segmentazione automatica che consenta l’identificazione e la quantificazione di cicatrici nel miocardio, a seguito di infarto cardiaco. Il lavoro è composto da due tappe principali. Inizialmente, è presentato un metodo innovativo che permette, in via totalmente automatica, di tracciare in modo accurato e rapido i contorni dell’endocardio e dell’epicardio nel corso dell’intero ciclo cardiaco. Successivamente, l’informazione sulla morfologia cardiaca ricavata nella prima fase è utilizzata per circoscrivere il miocardio e quantificare la transmuralità dell’infarto presente in pazienti ischemici.

Ricostruzione tridimensionale dell'anatomia dell'atrio sinistro da immagini di risonanza magnetica

Il lavoro fornisce una ricostruzione anatomica tridimensionale dell'atrio sinistro in pazienti affetti da fibrillazione atriale. Le immagini utilizzate sono state acquisite in risonanza magnetica e, precisamente sono dati coronali di angio RM. L'elaborazione prevede una segmentazione dei dati e un'individuazione del contorno dell'area anatomica di interesse. Il risultato finale è l'interpolazione lungo l'asse z di acquisizione e una visualizzazione in tre dimensioni.

Applicazione di tecniche di analisi statistica e texture analysis all'imaging di risonanza magnetica di pazienti affetti da glioblastoma multiforme

Il seguente lavoro di tesi si è concentrato sull'analisi statistica dei dati prodotti dall'imaging di risonanza magnetica di pazienti affetti da tumori di alto grado, in particolare glioblastoma multiforme. Le tipologie di acquisizione d'immagine utilizzate sono state l'imaging pesato in T1 e il Diffusion-Weighted Imaging (DWI). Lo studio è stato suddiviso in due fasi: nella prima è stato considerato un campione di pazienti affetti da glioblastoma multiforme che, dopo il trattamento, avessero manifestato una ricaduta della malattia; per questi pazienti è stato quantificato in che modo la dose erogata durante la terapia si sia distribuita sul target del trattamento, in particolare nella porzione di tessuto in cui andrà a svilupparsi la recidiva. Nella seconda fase, è stato selezionato un campione più ristretto che disponesse, per entrambe le modalità di imaging, di un'acquisizione pre-terapia e di un numero sufficiente di esami di follow up; questo al fine di seguire retrospettivamente l'evoluzione della patologia e analizzare tramite metodi statistici provenienti anche dalla texture analysis, i dati estratti dalle regioni tumorali. Entrambe le operazioni sono state svolte tramite la realizzazione di software dedicati, scritti in linguaggio Matlab. Nel primo capitolo vengono fornite le informazioni di base relative ai tumori cerebrali, con un'attenzione particolare al glioblastoma multiforme e alle sue modalità di trattamento. Nel secondo capitolo viene fatta una panoramica della fisica dell'imaging di risonanza magnetica e delle tecniche di formazione delle immagini, con un'ampia sezione è dedicata all'approfondimento dell'imaging in diffusione. Nel terzo capitolo viene descritto il progetto, i campioni e gli strumenti statistici e di texture analysis utilizzati in questo studio. Il quarto capitolo è dedicato alla descrizione puntuale dei software realizzati durante questo lavoro e nel quinto vengono mostrati i risultati ottenuti dall'applicazione di questi ultimi ai campioni di pazienti esaminati.

Il ruolo della risonanza magnetica nello studio delle miocarditi

La Risonanza Magnetica (RM) è una tecnica affidabile, avanzata e molto diffusa per lo studio di tutti gli organi del corpo umano. Essa ha reso possibile la valutazione completa del cuore dando la possibilità di studiare in modo estremamente preciso la morfologia, la funzione e la fisiopatologia del cuore portando ad una diagnosi completa e sensibile a molte patologie cardiache. Una di queste, che oggigiorno necessita di una combinazione diagnostica che solo la risonanza magnetica può dare, è la miocardite.

Metodi numerici di regolarizzazione per l'inversione 2d di dati di risonanza magnetica nucleare

Molte applicazioni sono legate a tecniche di rilassometria e risonanza magnetica nucleare (NMR). Tali applicazioni danno luogo a problemi di inversione della trasformata di Laplace discreta che è un problema notoriamente mal posto. UPEN (Uniform Penalty) è un metodo numerico di regolarizzazione utile a risolvere problemi di questo tipo. UPEN riformula l’inversione della trasformata di Laplace come un problema di minimo vincolato in cui la funzione obiettivo contiene il fit di dati e una componente di penalizzazione locale, che varia a seconda della soluzione stessa. Nella moderna spettroscopia NMR si studiano le correlazioni multidimensionali dei parametri di rilassamento longitudinale e trasversale. Per studiare i problemi derivanti dall’analisi di campioni multicomponenti è sorta la necessità di estendere gli algoritmi che implementano la trasformata inversa di Laplace in una dimensione al caso bidimensionale. In questa tesi si propone una possibile estensione dell'algoritmo UPEN dal caso monodimensionale al caso bidimensionale e si fornisce un'analisi numerica di tale estensione su dati simulati e su dati reali.

La risonanza magnetica per la valutazione della funzionalità renale in pazienti affetti da malattia policistica

Scopo. La risonanza magnetica (RM) in diffusione (Diffusion Weighted imaging DWI) permette di ottenere dati quantitativi sul movimento dei protoni liberi in acqua mediante la valutazione di alcuni parametri tra cui il coefficiente di diffusione apparente (Apparent Diffusion Coefficient ADC). Questo parametro potrebbe essere usato per differenziare i diversi tipi di tessuti (cisti di diverso tipo, parenchima sano, parenchima non più funzionante, …) e stabilire il danno renale. Lo scopo del presente lavoro è quello di valutare la correlazione tra il valore di ADC e il tessuto renale al fine di verificare la potenziale capacità di questo parametro di offrire informazioni funzionali e poter predire l’insorgenza di cisti e quindi l’aumento di volume del rene. Materiali e Metodi. 11 pazienti di cui 2 donne e 9 uomini (età compresa tra i 55 e i 75 anni) sono stati sottoposti a esame RM con sistema ad alto campo 1,5T. Tutti i pazienti erano affetti da malattia policistica. Il protocollo prevedeva l’utilizzo di una sequenza SE-EPI pesata in diffusione, le immagini sono state acquisite per diversi valori di b-value (500 s/mm², 700 s/mm², 900 s/mm², e 1500 s/mm²). Risultati. Osservando i valori di ADC (coefficiente di diffusione apparente) ottenuti per diversi valori di b e in due differenti regioni del rene, corrispondenti a cisti e parenchima, si sono riscontrati valori diversi . Indipendentemente dal b-value, le cisti hanno un valore di ADC minore rispetto al valore di ADC delle zone parenchimali. Al crescere del b-value, tali valori diventano più piccoli. Conclusioni. La DWI permette di ottenere valori di ADC in grado di discriminare tessuti.

Mappaggio t1 in risonanza magnetica per la quantificazione della fibrosi atriale

La tesi descrive il T1 mapping, un metodo diagnostico non invasivo emergente per l’identificazione e la quantificazione della fibrosi atriale. Nel primo capitolo ci si è soffermati sulle caratteristiche del tessuto fibrotico e sulle cause che generano tale patologia tra cui la fibrillazione atriale. Nel secondo capitolo vengono descritte le tecniche non invasive comunemente più utilizzate per la valutazione della fibrosi tra cui: sistemi di mappaggio elettronanatomico e risonanza magnetica cardiaca con l’uso di mezzo di contrasto. Nel terzo capitolo sono approfondite tutte le sequenze necessarie per la costruzione di mappe di tempi T1 indagando anche sui fattori a cui la tecnica è più sensibile. Infine è stato dedicato ampio spazio a ricerche mediche sulla correlazione tra i tempi T1 delle camere cardiache, i potenziali elettroanatomici delle stesse e la probabilità di sviluppare fibrillazioni atriali recidive in alcuni pazienti sottoposti ad ablazione transcatetere.

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.

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

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.

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.