Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Tomographic 3D reconstruction through linear inversion for breast microwave imaging

In the present thesis we address the problem of detecting and localizing a small spherical target with characteristic electrical properties inside a volume of cylindrical shape, representing female breast, with MWI. One of the main works of this project is to properly extend the existing linear inversion algorithm from planar slice to volume reconstruction; results obtained, under the same conditions and experimental setup are reported for the two different approaches. Preliminar comparison and performance analysis of the reconstruction algorithms is performed via numerical simulations in a software-created environment: a single dipole antenna is used for illuminating the virtual breast phantom from different positions and, for each position, the corresponding scattered field value is registered. Collected data are then exploited in order to reconstruct the investigation domain, along with the scatterer position, in the form of image called pseudospectrum. During this process the tumor is modeled as a dielectric sphere of small radius and, for electromagnetic scattering purposes, it's treated as a point-like source. To improve the performance of reconstruction technique, we repeat the acquisition for a number of frequencies in a given range: the different pseudospectra, reconstructed from single frequency data, are incoherently combined with MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) method which returns an overall enhanced image. We exploit multi-frequency approach to test the performance of 3D linear inversion reconstruction algorithm while varying the source position inside the phantom and the height of antenna plane. Analysis results and reconstructed images are then reported. Finally, we perform 3D reconstruction from experimental data gathered with the acquisition system in the microwave laboratory at DIFA, University of Bologna for a recently developed breast-phantom prototype; obtained pseudospectrum and performance analysis for the real model are reported.

Teos-based consolidants for stone conservation: evaluation of the effects and testing by x-ray imaging

Natural stones have been widely used in the construction field since antiquity. Building materials undergo decay processes due to mechanical,chemical, physical and biological causes that can act together. Therefore an interdisciplinary approach is required in order to understand the interaction between the stone and the surrounding environment. Utilization of buildings, inadequate restoration activities and in general anthropogenic weathering factors may contribute to this degradation process. For this reasons, in the last few decades new technologies and techniques have been developed and introduced in the restoration field. Consolidants are largely used in restoration and conservation of cultural heritage in order to improve the internal cohesion and to reduce the weathering rate of building materials. It is important to define the penetration depth of a consolidant for determining its efficacy. Impregnation mainly depends on the microstructure of the stone (i.e. porosity) and on the properties of the product itself. Throughout this study, tetraethoxysilane (TEOS) applied on globigerina limestone samples has been chosen as object of investigation. After hydrolysis and condensation, TEOS deposits silica gel inside the pores, improving the cohesion of the grains. X-ray computed tomography has been used to characterize the internal structure of the limestone samples,treated and untreated with a TEOS-based consolidant. The aim of this work is to investigate the penetration depth and the distribution of the TEOS inside the porosity, using both traditional approaches and advanced X-ray tomographic techniques, the latter allowing the internal visualization in three dimensions of the materials. Fluid transport properties and porosity have been studied both at macroscopic scale, by means of capillary uptake tests and radiography, and at microscopic scale,investigated with X-ray Tomographic Microscopy (XTM). This allows identifying changes in the porosity, by comparison of the images before and after the treatment, and locating the consolidant inside the stone. Tests were initially run at University of Bologna, where characterization of the stone was carried out. Then the research continued in Switzerland: X-ray tomography and radiography were performed at Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, while XTM measurements with synchrotron radiation were run at Paul Scherrer Institute in Villigen.

Valutazione della morfologia e della funzione della valvola tricuspide: il contributo dell'imaging tridimensionale

La tricuspide è la valvola meno studiata tra quelle cardiache e per questo motivo le conoscenze su questa sono in genere approssimative. Le poche conoscenze sulla valvola, inoltre, non garantiscono una elevata percentuale di successo di un intervento chirurgico. Fino a qualche anno fa i parametri utilizzati per studiare la valvola e determinare il grado di severità delle patologie che la colpiscono (insufficienza e stenosi) erano ricavati da immagini ecografie bidimensionali. Questi però molto spesso risultano inadeguati. Così i ricercatori, negli ultimi tempi, hanno elaborato metodi che utilizzano l’ecocardiografia tridimensionale anche per la valvola tricuspide (prima l’ecocardiografia in clinica era utilizzata per valutare le valvole della parte sinistra del cuore) e si sono potuti così rivalutare i parametri precedentemente ricavati con analisi bidimensionale. Tutto ciò ha avuto ricadute positive sulla terapia chirurgica che si è potuta avvalere di protesi valvolari più fisiologiche derivate dalle più precise conoscenze anatomiche e funzionali con ovvie conseguenze positive sul benessere dei pazienti trattati. Naturalmente questi sono solamente i primi passi che la ricerca ha compiuto in questo campo e si prospettano nuovi sviluppi soprattutto per quanto riguarda il software che dovrebbe essere implementato in modo tale che lo studio della valvola tricuspide diventi di routine anche nella pratica clinica. In particolare, lo studio della valvola tricuspide mediante eco 3D consentirebbe anche la valutazione pre- operatoria ed il planning paziente-specifico dell'intervento da effettuare. In particolare questo elaborato prevede nel capitolo 1 la trattazione dell’anatomia e della fisiologia della valvola, nel capitolo 2 la descrizione delle patologie che colpiscono la tricuspide, nel capitolo 3 i parametri che si possono ricavare con esami strumentali e in particolare con ecocardiografia bidimensionale e infine nel capitolo 4 lo studio della valvola tricuspide con ecocardiografia tridimensionale.

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.

Design methods and geometric modelling of scaffolds for bone tissue engineering

Every year, thousand of surgical treatments are performed in order to fix up or completely substitute, where possible, organs or tissues affected by degenerative diseases. Patients with these kind of illnesses stay long times waiting for a donor that could replace, in a short time, the damaged organ or the tissue. The lack of biological alternates, related to conventional surgical treatments as autografts, allografts, e xenografts, led the researchers belonging to different areas to collaborate to find out innovative solutions. This research brought to a new discipline able to merge molecular biology, biomaterial, engineering, biomechanics and, recently, design and architecture knowledges. This discipline is named Tissue Engineering (TE) and it represents a step forward towards the substitutive or regenerative medicine. One of the major challenge of the TE is to design and develop, using a biomimetic approach, an artificial 3D anatomy scaffold, suitable for cells adhesion that are able to proliferate and differentiate themselves as consequence of the biological and biophysical stimulus offered by the specific tissue to be replaced. Nowadays, powerful instruments allow to perform analysis day by day more accurateand defined on patients that need more precise diagnosis and treatments.Starting from patient specific information provided by TC (Computed Tomography) microCT and MRI(Magnetic Resonance Imaging), an image-based approach can be performed in order to reconstruct the site to be replaced. With the aid of the recent Additive Manufacturing techniques that allow to print tridimensional objects with sub millimetric precision, it is now possible to practice an almost complete control of the parametrical characteristics of the scaffold: this is the way to achieve a correct cellular regeneration. In this work, we focalize the attention on a branch of TE known as Bone TE, whose the bone is main subject. Bone TE combines osteoconductive and morphological aspects of the scaffold, whose main properties are pore diameter, structure porosity and interconnectivity. The realization of the ideal values of these parameters represents the main goal of this work: here we'll a create simple and interactive biomimetic design process based on 3D CAD modeling and generative algorithmsthat provide a way to control the main properties and to create a structure morphologically similar to the cancellous bone. Two different typologies of scaffold will be compared: the first is based on Triply Periodic MinimalSurface (T.P.M.S.) whose basic crystalline geometries are nowadays used for Bone TE scaffolding; the second is based on using Voronoi's diagrams and they are more often used in the design of decorations and jewellery for their capacity to decompose and tasselate a volumetric space using an heterogeneous spatial distribution (often frequent in nature). In this work, we will show how to manipulate the main properties (pore diameter, structure porosity and interconnectivity) of the design TE oriented scaffolding using the implementation of generative algorithms: "bringing back the nature to the nature".

Experimental set up and characterization of a prototype for breast microwave imaging

Nella presente tesi è stato sviluppato un sistema di acquisizione automatico finalizzato allo studio del breast microwave imaging. Le misure sono state eseguite in configurazione monostatica, in cui viene acquisito un segnale da diverse posizioni lungo il perimetro dell’area di indagine. A questo scopo, è stato installato un motore ad alta precisione che permette la rotazione del fantoccio e l’esecuzione automatica delle misure da un numero di posizioni fissato. Per automatizzare il processo di acquisizione, è stato inoltre sviluppato appositamente un software in ambiente LabView. Successivamente, è stata eseguita una intensa sessione di misure finalizzate alla caratterizzazione del sistema sviluppato al variare delle condizioni di misura. Abbiamo quindi utilizzato dei fantocci di tumore di diverse dimensioni e permittività elettrica per studiare la sensibilità della strumentazione in condizione di mezzo omogeneo. Dall’analisi delle ricostruzioni multifrequenza effettuate tramite diversi algoritmi di tipo TR-MUSIC sul range di frequenze selezionato, abbiamo notato che il tumore è ricostruito correttamente in tutti gli scenari testati. Inoltre, abbiamo creato un ulteriore fantoccio per simulare la presenza di una disomogeneità nel dominio di imaging. In questo caso, abbiamo studiato le performances del sistema di acquisizione al variare della posizione del tumore, le cui caratteristiche sono state fissate, e della permittività associata al fantoccio. Dall’analisi dei risultati appare che le performances di ricostruzione sono condizionate dalla presenza della disomogeneità, in modo particolare se il tumore è posizionato all’interno di essa. Infine, abbiamo studiato delle performance di due algoritmi di ricostruzione 3D: uno di essi è basato sulla sovrappo- sizione tomografica e sfrutta metodi di interpolazione, l’altro si basa sull’utilizzo di un propagatore 3D per il dipolo Hertziano in approssimazione scalare.