Recente evoluzione delle tecnologie PET-RMN

La PET/RMN è un ibrido delle tecnologie di imaging che incorpora la risonanza magnetica nucleare (RMN), che fornisce un'imaging di tipo morfologico, e la tomografia ad emissione di positroni (PET), che fornisce un'imaging di tipo funzionale. Questa nuova tecnologia trova applicazioni in campo oncologico, cardiovascolare e nello studio del sistema nervoso centrale (SNC). La realizzazione di questa nuova tecnologia ha comportato diverse sfide tecniche per la combinazione delle due apparecchiature, che sono state risolte con diversi approcci. Lo sviluppo futuro della PET/RMN sarà guidato da molteplici fattori tra i quali l'eliminazione degli eventuali disturbi e la necessità di accordi per i rimborsi dell'esame. Tutt'ora esistono tre diversi produttori al mondo : Simens, Philips e GE (General Electric), i quali hanno diverse tecnologie e diversi metodi di analisi. La prima apparecchiatura PET/RMN in Italia è stata acquistata dall'ospedale di Padova nel gennaio 2015, mentre negli altri paesi aveva già fatto la sua comparsa dal 2011.

Regolarizzazione di Tikhonov multiparametro

Il vantaggio di una regolarizzazione multiparametro sta nel fatto che scegliendo un parametro diverso per ogni punto della soluzione si ricostruiscono con più accuratezza i picchi e le regioni piatte. In una prima fase di sperimentazione si è applicato l'algoritmo UPEN ad alcuni problemi test del Regularization Tools e si è osservato che l'algoritmo produce ottimi risultati inquesto ambito. In una seconda fase di sperimentazione si sono confrontati i dati ottenuti da UPEN con quelli derivanti da altri criteri di scelta noti in letteratura. Si è anche condotta un'analisi su dati simulati di risonanza magnetica nucleare e su problemi di deblurring di un'immagine.

1H NMR-based metabolomics investigation on the impacts of feeding in aquaculture of Gilthead sea bream (Sparus aurata)

In questo lavoro di tesi sono stati analizzati campioni di orate (Sparus aurata) da acquacoltura allevate con differenti diete, commerciali o innovative, con lo scopo di verificare se le diverse formulazioni dei mangimi hanno un effetto sul profilo molecolare dei pesci. A tal proposito, è stata utilizzata la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (1H NMR) accoppiata ad un approccio metabolomico poiché, rispetto ad altre tecniche, consente la determinazione simultanea di un’ampia classe di metaboliti che caratterizzano il campione attraverso la generazione di spettri che contengono un ampio spettro di informazioni. Questo lavoro di tesi si sposa bene con l’attuale tendenza di sviluppo dell’acquacoltura, che viene vista come uno strumento interessante per fornire cibo e migliorare la sicurezza alimentare, ma allo stesso tempo esso è in accordo anche con la sempre più elevata attenzione verso sostenibilità, qualità e conformità alle richieste dei consumatori, che sono oggi le principali tendenze nel settore alimentare. Negli ultimi anni si è assistito ad un ampio sviluppo dell’acquacoltura e questo ha portato alla necessità di ricercare strategie per migliorare l’efficienza, la produttività, ma anche la sostenibilità di questi sistemi. Questo ha condotto ad un elevato aumento delle ricerche riguardanti questi aspetti dell’acquacoltura, e l’impatto che la dieta ha sul metabolismo dei pesci è uno di questi. I dati spettroscopici sono stati interpretati attraverso analisi statistica multivariata, nello specifico attraverso l’analisi delle componenti principali, PCA, per individuare eventuali differenze significative tra i tre gruppi a seguito della diversa tipologia di alimentazione. Dal presente lavoro di tesi è stato possibile concludere che i campioni vengono distribuiti e classificati in funzione della dieta. Inoltre, è stato possibile individuare i metaboliti che maggiormente determinano questa separazione.

Rimozione di artefatti visivi di tipo ringing da immagini ottenute tramite risonanza magnetica

La tesi studia un algoritmo presentato per la prima volta da Elias Kellner et al. nell'articolo "Gibbs‐ringing artifact removal based on local subvoxel‐shifts" pubblicato nel 2016 nella rivista Magnetic resonance in medicine. Nella tesi viene dato un background teorico sia dell'acquisizione di immagini tramite risonanza magnetica, soffermandosi in particolare su come si forma l'effetto Gibbs, sia sul funzionamento dell'algoritmo. Vengono poi mostrati numerosi esempi di immagini, sia sintetiche sia acquisite da risonanza magnetica, per dimostrare l'efficacia dell'algoritmo.

Utilizzo della tecnologia NMR per la caratterizzazione metabolomica del Mugil cephalus

La ricerca in campo agroalimentare ha da sempre messo in evidenza l'importanza della conservazione degli alimenti nel tempo. Alcune nuove tecnologie basate sulle alte pressioni, e dunque non termiche, di stabilizzazione ai fini della conservazione, come l’High Hydrostatic Pressure (HHP) o High Pressure Processing (HPP), possono risultare fondamentali nel preservare aspetti microbiologici, qualitativi e nutrizionali dell'alimento. In questo elaborato verranno osservati alcuni aspetti del metaboloma, l’insieme delle molecole di piccola dimensione con funzioni metaboliche, di campioni di Mugil cephalus trattati con HHP. Tali aspetti permetteranno di ottenere informazioni sul profilo amminoacidico e sulla freschezza del pesce. Lo studio del profilo amminoacidico permette di tracciare la tendenza del sapore dello specifico campione analizzato dal momento che ogni amminoacido contribuisce a definire uno specifico gusto fondamentale. La freschezza del pesce sarà descritta attraverso il K index che, tramite lo studio della degradazione dei nucleotidi nel periodo post-mortem, rappresenta uno strumento utile al fine dello studio dei cambiamenti della freschezza nel tempo e secondo la tecnologia applicata. L’analisi del metaboloma del cefalo è stata eseguita mediante la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare al protone (1H-NMR) di cui si descrivono i principi fisici nel primo capitolo. Nel secondo capitolo sono descritti i software utilizzati per indentificare le molecole che compongono il metaboloma dei campioni analizzati. Infine, nel terzo capitolo, si valuta l’effetto del trattamento HHP (a 400, 500 e 600MPa) sul profilo amminoacidico e sul K index durante il periodo di conservazione.

Il contributo della risonanza magnetica funzionale per la valutazione diagnostica e prognostica della sclerosi multipla

La Sclerosi Multipla (SM) è una malattia neurodegenerativa che colpisce la mielina che riveste i neuroni, indebolendo così la trasmissione del segnale. I sintomi più comuni sono intorpidimento della sensazione tattile e difficoltà motoria, accompagnato da stanchezza e altri sintomi. Per la diagnosi della malattia si utilizza la Risonanza Magnetica (RM) per visualizzare la presenza delle lesioni e la Risonanza Magnetica Funzionale (fRM) per valutare il grado di attivazione delle aree cerebrali. In ambito medico l’utilizzo della RM, in supporto alle altre tecniche di analisi, ha permesso di migliorare e velocizzare la diagnosi e la prognosi della SM. Procedendo all’acquisizione di immagini RM è possibile notare la presenza delle lesioni e controllarne l’evoluzione. Infatti, a seguito della scoperta di lesioni, in base alla gravità e alla tipologia di lesione formatasi, è possibile stabilire il trattamento farmacologico da seguire. In particolare, per il caso dell’atrofia cerebrale la RM ha consentito di visualizzare le aree cerebrali affette e valutare la variabilità dei risultati del confronto tra carico lesionale e atrofia per le prestazioni cognitive. La fRM ha inoltre permesso di poter valutare i cambiamenti dei flussi ematici cerebrali e di visualizzare quindi le zone più o meno colpite dalla patologia. Questa tecnica di imaging funzionale è in grado di valutare le aree cerebrali preservate e promuovere un trattamento mirato per le aree affette. Studiando i flussi ematici si possono ricavare delle mappe spaziali che permettono di visualizzare nell’insieme la malattia. Per lo studio dell’affaticamento è stata utile la fRM poiché ha permesso di rilevare le aree che si sono attivate durante l’esecuzione del task motorio. A seguito di questi esami si è concluso che in presenza di SM si attivano aree cerebrali che in condizioni normali non si attiverebbero, comportando così un affaticamento del soggetto.

La trasformata veloce di Fourier (FFT): analisi e implementazione in C++

La trasformata di Fourier (FT) è uno strumento molto potente implementato, oggi, in un enorme numero di tecnologie. Il suo primo esempio di applicazione fu proprio il campionamento e la digitalizzazione di segnali analogici. Nel tempo l'utilizzo della FT è stato ampliato a più orizzonti in ambito digitale, basti pensare che il formato di compressione '.jpg' utilizza una FT bidimensionale, mentre uno degli ultimi esempi di applicazione si ha nell'imaging digitale in ambito medico (risonanza magnetica nucleare, tomografia assiale computerizzata TAC ecc...). Nonostante gli utilizzi della FT siano molto diversificati il suo basilare funzionamento non è mai cambiato: essa non fa altro che modificare il dominio di una funzione del tempo (un segnale) in un dominio delle frequenze, permettendo così lo studio della composizione in termini di frequenza, ampiezza e fase del segnale stesso. Parallelamente all'evoluzione in termini di applicazioni si è sviluppato uno studio volto a migliorare e ottimizzare la computazione della stessa, data l'esponenziale crescita del suo utilizzo. In questa trattazione si vuole analizzare uno degli algoritmi di ottimizzazione più celebri e utilizzati in tal senso: la trasformata veloce di Fourier (Fast Fourier Transformation o FFT). Si delineeranno quindi le caratteristiche salienti della FT, e verrà introdotto l'algoritmo di computazione tramite linguaggio C++ dedicando particolare attenzione ai limiti di applicazione di tale algoritmo e a come poter modificare opportunamente la nostra funzione in modo da ricondurci entro i limiti di validità.

Teranostica: diagnosi e cura attraverso nanoparticelle

La prospettiva della teranostica è quella di effettuare contemporaneamente diagnosi e cura, individuando le singole particelle tumorali. Questo è possibile grazie a nanoparticelle magnetiche, entità multifunzionali rivestite da un polimero, accompagnate nel luogo di interesse mediante un campo magnetico esterno. Per quanto riguarda la diagnosi possono essere utilizzate come agenti nella risonanza magnetica nucleare per aumentare il contrasto dell’immagine e consentire una migliore rivelazione del tumore. Per quanto riguarda la terapia esse sono utilizzate per l’ipertermia magnetica, tecnica basata sul riscaldamento mediante l’applicazione di un debole campo magnetico alternato dotato di un’opportuna frequenza. In questo modo le cellule tumorali, essendo più sensibili al calore rispetto a quelle sane, vengono distrutte, una volta raggiunta una temperatura locale tra i 41 e i 46°C. Un’altra grande applicazione terapeutica è il rilascio controllato e mirato dei farmaci (drug target delivery). Infatti un opportuno rivestimento polimerico consente di coniugare alla particella dei medicinali chemioterapici che, una volta raggiunta la zona tumorale, possono essere rilasciati nel tempo, permettendo dunque la somministrazione di una minor dose e un’azione più mirata rispetto ai classici trattamenti. I materiali maggiormente utilizzati per la sintesi delle nanoparticelle sono gli ossidi di ferro (come la magnetite Fe3O4 e la maghemite γ − Fe2O3) e l’oro. Tuttavia, nonostante i possibili vantaggi, questi trattamenti presentano degli effetti collaterali. Trattandosi infatti di particelle ultrafini, dell’ordine dei nanometri, possono migrare all’interno del corpo umano raggiungendo organi bersaglio e comprometterne il loro funzionamento. La teranostica, però, è una disciplina molto studiata e in via di sviluppo; si spera che da qui a breve sia possibile un utilizzo concreto di questi nuovi metodi, riducendo al minimo la tossicità per il corpo umano.

Indagine sul metaboloma del latte di asina tramite spettroscopia 1H-NMR

La metabolomica è una delle discipline più innovative tra quelle integrate al settore agroalimentare e, nonostante ciò, è già ampiamente sfruttata ed apprezzata. La risonanza magnetica nucleare (che verrà ampiamente trattata in seguito) è la tecnica d’elezione che permette di svolgere analisi in questo ambito. Nonostante l’utilità indiscussa di questa analisi, molti alimenti non sono stati protagonisti di studi in questo settore. Il latte d'asina è solo uno dei prodotti che per via della loro poca diffusione e centralità nel mercato non sono conosciuti e sfruttati appieno. Lo scopo di questo lavoro è quello di indagare il metaboloma del latte d'asina, come primo tassello per studi più avanzati.

Valutazione precoce della risposta a Sorafenib nel Carcinoma Epatocellulare mediante quantificazione dell'Ecografia con contrasto con software Sonotumor

Scopo dello studio: Stabilire se cambiamenti della perfusione di una lesione target di epatocarcinoma (HCC), valutati quantitativamente mediante ecografia con contrasto (CE-US) alla settimana 2 e 4 di terapia con sorafenib, possono predire la progressione di malattia alla settimana 8, valutata con la tomografia computerizzata o la risonanza magnetica con mezzo di contrasto (TC-RM) usando i criteri RECIST/RECIST modificati (response evaluation criteria in solid tumors). Pazienti e metodi: Il comitato etico ha approvato lo studio ed i pazienti hanno fornito un consenso informato scritto prima dell’arruolamento. Lo studio è stato effettuato su un campione di soggetti con epatocarcinoma avanzato o non suscettibile di trattamento curativo, in monoterapia con sorafenib. La valutazione della risposta tumorale è stata effettuata con TC o RM a 2 mesi usando i criteri RECIST/RECIST modificati. La CE-US è stata effettuata entro 1 settimana prima dell’inizio del trattamento con sorafenib e durante la terapia alla settimana 2, 4, 8, 16 e 32. I parametri quantitativi funzionali sono stati ottenuti impiegando un software dedicato. I cambiamenti dei valori dei parametri suddetti tra il tempo zero ed i punti temporali successivi sono stati confrontati con la risposta tumorale basata sui criteri RECIST/RECIST modificati. Risultati: La riduzione dei valori dei parametri relativi alla perfusione tumorale, in particolare di WiAUC e PE (parametri correlati con il volume ematico), al T2/T4 (settimana 2, 4), predice la risposta tumorale a 2 mesi, valutata secondo i criteri RECIST e RECIST modificati, risultata indicativa di malattia stabile (responders). Conclusione: L’ecografia con contrasto può essere impiegata per quantificare i cambiamenti della vascolarizzazione tumorale già alla settimana 2, 4 dopo la somministrazione di sorafenib nei pazienti con HCC. Questi precoci cambiamenti della perfusione tumorale possono essere predittivi della risposta tumorale a 2 mesi e possono avere un potenziale nella valutazione precoce dell'efficacia della terapia antiangiogenica nell’epatocarcinoma.

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.

Studio neuroradiologico (morfologico e funzionale) nei pazienti con Epilessia Frontale Notturna

L'epilessia frontale notturna (EFN) è caratterizzata da crisi motorie che insorgono durante il sonno. Scopo del progetto è studiare le cause fisiopatologiche e morfo-funzionali che sottendono ai fenomeni motori nei pazienti con EFN e identificare alterazioni strutturali e/o metaboliche mediante tecniche avanzate di Risonanza Magnetica (RM). Abbiamo raccolto una casistica di pazienti con EFN afferenti al Centro Epilessia e dei Disturbi del Sonno del Dipartimento di Scienze Neurologiche, Università di Bologna. Ad ogni paziente è stato associato un controllo sano di età (± 5 anni) e sesso corrispondente. Tutti sono stati studiati mediante tecniche avanzate di RM comprendenti Spettroscopia del protone (1H-MRS), Tensore di diffusione ed imaging 3D ad alta risoluzione per analisi morfometriche. In particolare, la 1H-MRS è stata effettuata su due volumi di interesse localizzati nei talami e nel giro del cingolo anteriore. Sono stati inclusi nell’analisi finale 19 pazienti (7 M), età media 34 anni (range 19-50) e 14 controlli (6 M) età media 30 anni (range 19-40). A livello del cingolo anteriore il rapporto della concentrazione di N-Acetil-Aspartato rispetto alla Creatina (NAA/Cr) è risultato significativamente ridotto nei pazienti rispetto ai controlli (p=0,021). Relativamente all’analisi di correlazione, l'analisi tramite modelli di regressione multipla ha evidenziato che il rapporto NAA/Cr nel cingolo anteriore nei pazienti correlava con la frequenza delle crisi (p=0,048), essendo minore nei pazienti con crisi plurisettimanali/plurigiornaliere. Per interpretare il dato ottenuto è possibile solo fare delle ipotesi. L’NAA è un marker di integrità, densità e funzionalità neuronale. E’ possibile che alla base della EFN ci siano alterazioni metaboliche tessutali in precise strutture come il giro del cingolo anteriore. Questo apre nuove possibilità sull’utilizzo di strumenti di indagine basati sull’analisi di biosegnali, per caratterizzare aree coinvolte nella genesi della EFN ancora largamente sconosciute e chiarire ulteriormente l’eziologia di questo tipo di epilessia.

Confronto di dati volumetrici di neuroimaging RM, acquisiti con differenti sonde a radiofrequenza

Il lavoro di questa tesi si propone di esaminare i dati di immagini cerebrali ricevuti da due differentii bobine RF per l'imaging in risonanza magnetica. La strumentazione utilizzata é: un apparecchio di RMN che utilizza uno scanner a 1.5T (GE Medical System signa HDx 15) e due differenti bobine a radiofrequenza: 1) 8-channel brain phased array coil GE (1.5T HD 8 Channel High Resolution Head Array per il GE HDx MR System); 2) GE Quad HEAD Birdcage Coil. I software utilizzati invece sono stati quattro, due per la segmentazione e la parcellizzazione dei dati dalle acquisizioni di MRI (FSL e Freesurfer), e due per l'analisi dei dati (SPSS e Microsoft Excel). I tool utilizzati di FSL sono stati SIENA, per un'indagine sulla variazione percentile della totalitá del volume cerebrale; SIENAX invece permette una segmentazione di volumi di 6 sotto regioni: sostanza grigia (GREY), sostanza bianca (WHITE), totalitá del cervello (BRAIN), liquor cerebrospinale dei ventricoli (vcsf), scaling volumetrico (vscaling), sostanza grigia periferica (pgrey). Freesurfer invece parcellizza la corteccia cerebrale e segmenta le zone della sostanza grigia profonda cerebrale. Lo scopo ultimo era quello di analizzare come la differenza di segnale acquisito dalle due bobine variasse i risultati delle analisi volumetriche delle immagini e vedere se il t-test evidenziasse variazioni sistematiche. Questa analisi aveva come scopo quello di determinare la possibilità di confrontare i soggetti i cui dati sono stati ottenuti con due bobine differenti. I dati analizzati non hanno evidenziato particolari differenze tra le due bobine, se non per i valori del liquor dei ventricoli che sono risultati variare, verosimilmente, per i processi fisiologici di atrofia della sostanza grigia cerebrale che avvengono nel tempo intercorso tra un'acquisizione e l'altra.

Innovazione nella Diagnostica per Immagini: l’integrazione PET/RMN

Nell'ambito della Diagnostica per Immagini, l'imaging ibrido sta assumendo un ruolo fondamentale in molte applicazioni cliniche, tra cui oncologia, neurologia e cardiologia. La possibilità di integrare informazioni complementari, funzionali e morfologiche, in un'unica immagine, permette di valutare con estrema accuratezza varie tipologie di malattie, diminuendo i tempi di acquisizione e i disagi per i pazienti. La risonanza magnetica, in sostituzione alla TAC nel sistema integrato PET/TC, introduce notevoli vantaggi quali l'acquisizione simultanea dei dati, l'ottimo contrasto dei tessuti molli, l'assenza di radiazioni ionizzanti e la correzione degli artefatti da movimento; ciò migliora l'accuratezza delle immagini e, di conseguenza, il processo diagnostico. Nonostante sia un interessante strumento di diagnostica e l'apice dello sviluppo tecnologico in imaging nucleare, vi sono alcune problematiche che ne impediscono la diffusa adozione, tra cui le interferenze reciproche tra le due modalità, i costi elevati e ancora una ridotta pubblicazione di articoli al riguardo.

Ecografia con mezzo di contrasto dalla ricerca alla pratica clinica: diagnosi di carcinoma epatocellulare con sistema CEUS LI-RADS e con software di quantificazione della perfusione tissutale

Il carcinoma epatocellulare (HCC) rappresenta il tumore epatico primitivo più comune con una incidenza fino all’85%. È uno dei tumori più frequenti al mondo ed è noto per l’elevata letalità soprattutto in stadio avanzato. La diagnosi precoce attraverso la sorveglianza ecografica è necessaria per migliorare la sopravvivenza dei pazienti a rischio. Il mezzo di contrasto ecografico migliora la sensibilità e la specificità diagnostica dell’ecografia convenzionale. L’ecografia con mezzo di contrasto (contrast-enhanced ultrasound, CEUS) è pertanto considerata una metodica valida per la diagnosi di HCC a livello globale per la sua ottima specificità anche a fronte di una sensibilità subottimale. L’aspetto contrastografico delle lesioni focali epatiche ha portato un team di esperti allo sviluppo del sistema Liver Imaging Reporting and Data System (LI-RADS) con l’obiettivo di standardizzare la raccolta dati e la refertazione delle metodiche di imaging per la diagnosi di HCC. La CEUS è una metodica operatore-dipendente e le discordanze diagnostiche con gli imaging panoramici lasciano spazio a nuove tecniche (Dynamic Contrast Enhanced UltraSound, DCE-US) volte a migliorare l’accuratezza diagnostica della metodica e in particolare la sensibilità. Un software di quantificazione della perfusione tissutale potrebbe essere di aiuto nella pratica clinica per individuare il wash-out non visibile anche all’occhio dell’operatore più esperto. Il nostro studio ha due obiettivi: 1) validare il sistema CEUS LI-RADS nella diagnosi di carcinoma epatocellulare in pazienti ad alto rischio di HCC usando come gold-standard l’istologia quando disponibile oppure metodiche di imaging radiologico accettate da tutte le linee guida (tomografia computerizzata o risonanza magnetica con aspetto tipico) eseguite entro quattro settimane dalla CEUS; 2) valutare l’efficacia di un software di quantificazione della perfusione tissutale nel riscontro di wash-out per la diagnosi di HCC in CEUS.