Studio e valutazione del legame tra rimodellamento elettrico e strutturale in Fibrillazione Atriale

La Fibrillazione Atriale (FA) è una delle aritmie più frequentemente riscontrate nella pratica clinica, ma i meccanismi che la generano e che la sostengono non sono ancora oggi ben chiari. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è indagare il substrato aritmogeno della FA con particolare attenzione al legame tra rimodellamento elettrico e strutturale. La tecnica di riferimento per la valutazione della fibrosi è la risonanza magnetica con iniezione di mezzo di contrasto e acquisizione ritardata. Tipicamente, però, la presenza di fibrosi viene valutata durante la procedura di ablazione transcatetere mediante l’analisi dei potenziali elettrici rilevati, considerando le zone a basso potenziale indicative della presenza di alterazioni strutturali. In questo lavoro sono stati elaborati dati di Risonanza Magnetica (RM), in particolare sequenze Angio-RM e DE-RM. Dalle sequenze Angio-RM è stato ricostruito un modello 3D paziente-specifico dell’atrio, mentre dalle sequenze DE-RM sono state ricavate informazioni relative alla presenza di tessuto atriale fibrotico. Al modello 3D è stata poi sovrapposta l’informazione sull’intensità di grigio del dato DE-RM per poter visualizzare la localizzazione delle zone di fibrosi sulla superficie 3D dell’atrio.
 Sono stati anche esportati dal sistema di mappaggio elettroanatomico EnSite NavX (St. Jude Medical) i dati relativi alla geometria dell’atrio e ai potenziali registrati durante lo svolgimento della procedura di ablazione. Da questi dati è stato possibile ricostruire in ambiente Matlab le mappe di voltaggio raffiguranti i potenziali registrati durante la procedura. Per poter studiare e valutare il legame esistente tra rimodellamento elettrico e strutturale, sono state confrontate le mappe di voltaggio e le superfici raffiguranti fibrosi.
 Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con l’U.O. di Cardiologia dell’Ospedale Bufalini di Cesena e la St. Jude Medical.

Geometria frattale: analisi della lacunarita cerebrale in MRI

La geometria frattale descrive la complessità strutturale di oggetti che presentano, entro certi limiti, invarianza a fattori di scala. Obiettivo di questa tesi è l’analisi di indici frattali della morfologia cerebrale e cerebellare da immagini di risonanza magnetica (MRI) pesate T1 e della loro correlazione con l’età. A tale scopo sono state analizzate la dimensione frattale (D0) e la lacunarità (λs), indice di eterogeneità strutturale, della sostanza grigia (GM) e bianca (WM), calcolate mediante algoritmi di box counting e di differential gliding box, implementati in linguaggio C++, e regressione lineare con scelta automatica delle scale spaziali. Gli algoritmi sono stati validati su fantocci 3D ed è stato proposto un metodo per compensare la dipendenza di λs dalle dimensioni dell’immagine e dalla frazione di immagine occupata. L’analisi frattale è stata applicata ad immagini T1 a 3T del dataset ICBM (International Consortium for Brain Mapping) composto da 86 soggetti (età 19-85 anni). D0 e λs sono state rispettivamente 2.35±0.02 (media±deviazione standard) e 0.41±0.05 per la GM corticale, 2.34±0.03 e 0.35±0.05 per la WM cerebrale, 2.19±0.05 e 0.17±0.02 per la GM cerebellare, 1.95±0.06 e 0.30±0.04 per la WM cerebellare. Il coefficiente di correlazione lineare tra età e D0 della GM corticale è r=−0.38 (p=0.003); tra età e λs, r=0.72 (p<0.001) (mostrando che l’eterogeneità strutturale aumenta con l’invecchiamento) e tra età e λs compensata rispetto al volume della GM cerebrale (GMV), r=0.51 (p<0.001), superiore in valore assoluto a quello tra età e GMV (r=−0.45, p<0.001). In un modello di regressione lineare multipla, dove l’età è stata modellata da D0, λ e GMV della GM corticale, λs è risultato l’unico predittore significativo (r parziale=0.62, p<0.001). La lacunarità λs è un indice sensibile alle variazioni strutturali dovute all’invecchiamento cerebrale e si candida come biomarcatore nella valutazione della complessità cerebrale nelle malattie neurodegenerative.

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.

The arcuate fasciculus: an along-tract analysis with white matter probabilistic tractography

Il cervello umano è composto da una rete complessa, formata da fasci di assoni, che connettono le diverse aree cerebrali. Il fascio arcuato collega l’area imputata alla com- prensione del linguaggio con quella dedicata alla sua produzione. Il fascio arcuato è presente in entrambi gli emisferi cerebrali, anche se spesso è utilizzato prevalente- mente il sinistro. In questa tesi sono state valutate, in un campione di soggetti sani, le differenze tra fascio arcuato destro e sinistro, utilizzando la trattografia, metodica avanzata e non invasiva che permette la ricostruzione della traiettoria delle fibre con immagini RM (Risonanza Magnetica) pesate in diffusione. A questo scopo ho utilizzato un algoritmo probabilistico, che permette la stima di probabilità di connessione della fibra in oggetto con le diverse aree cerebrali, anche nelle sedi di incrocio con fibre di fasci diversi. Grazie all’implementazione di questo metodo, è stato possibile ottenere una ricostruzione accurata del fascio arcuato, an- che nell’emisfero destro dove è spesso critica, tanto da non essere possibile con altri algoritmi trattografici. Parametrizzando poi la geometria del tratto ho diviso il fascio arcuato in venti seg- menti e ho confrontato i parametri delle misure di diffusione, valutate nell’emisfero destro e sinistro. Da queste analisi emerge un’ampia variabilità nella geometria dell’arcuato, sia tra diversi soggetti che diversi emisferi. Nell’emisfero destro l’arcuato incrocia maggiormente fibre appartenenti ad altri fasci. Nell’emisfero sinistro le fibre dell’arcuato sono più compatte e si misura anche una maggiore connettività con altre aree del cervello coinvolte nelle funzioni linguistiche. Nella seconda fase dello studio ho applicato la stessa metodica in due pazienti con lesioni cerebrali, con l’obiettivo di testare il danno del fascio arcuato ipsilaterale alla lesione e stimare se nell’emisfero controlaterale si innescassero meccanismi di plastic- ità strutturale. Questa metodica può essere implementata, in un gruppo di pazienti omogenei, per identificare marcatori RM diagnostici nella fase di pianificazione pre- chirurgica e marcatori RM prognostici di recupero funzionale del linguaggio.

Le metodiche di Diffusion Weighted Imaging per la caratterizzazione della malattia policistica renale

La tecnica di Diffusion Weighted Imaging (DWI) si basa sullo studio del moto diffusivo delle molecole d’acqua nei tessuti biologici ed è in grado di fornire informazioni sulla struttura dei tessuti e sulla presenza di eventuali alterazioni patologiche. Il più recente sviluppo della DWI è rappresentato dal Diffusion Tensor Imaging (DTI), tecnica che permette di determinare non solo l’entità, ma anche le direzioni principali della diffusione. Negli ultimi anni, grazie ai progressi nella tecnica di risonanza magnetica, l’imaging di diffusione è stato anche applicato ad altri distretti anatomici tra cui quello renale, per sfruttarne le potenzialità diagnostiche. Tuttavia, pochi sono ancora gli studi relativi all’applicazione delle metodiche di diffusione per la valutazione della malattia policistica renale autosomica dominante (ADPKD). ADPKD è una delle malattie ereditarie più comuni ed è la principale causa genetica di insufficienza renale dell’adulto. La caratteristica principale consiste nella formazione di cisti in entrambi i reni, che progressivamente aumentano in numero e dimensioni fino a causare la perdita della funzionalità renale nella metà circa dei pazienti. Ad oggi non sono disponibili terapie capaci di arrestare o rallentare l’evoluzione di ADPKD; è possibile controllare le complicanze per evitare che costituiscano componenti peggiorative. Il lavoro di tesi nasce dalla volontà di indagare se la tecnica dell’imaging di diffusione possa essere utile per fornire informazioni sullo stato della malattia e sul suo grado di avanzamento. L’analisi di studio è concentrata sul calcolo del coefficiente di diffusione apparente (ADC), derivato dalle immagini DWI e valutato nella regione della midollare. L’obiettivo di questo lavoro è verificare se tale valore di ADC sia in grado di caratterizzare la malattia policistica renale e possa essere utilizzato in ambito clinico-diagnostico come indicatore prognostico nella progressione di questa patologia.

Tomografia a coerenza ottica: principi ed applicazioni

La tomografia a coerenza ottica (Optical Coherence Tomography, OCT) rappresenta fondamentalmente una nuova modalità di diagnostica per immagini non invasiva e ad alta risoluzione. L’OCT fornisce immagini, sotto forma di sezioni trasversali o tomografiche, delle microstrutture dei tessuti biologici tramite la misura del ritardo dell’eco e dell’intensità della luce retrodiffusa o riflessa dal campione in analisi. L’OCT è una potente tecnica poiché fornisce in tempo reale immagini in situ delle strutture tissutali normali o patologiche, con una risoluzione da 1 a 15 micron, che è da uno a due ordini di grandezza maggiore rispetto alle tecniche per immagini convenzionali come ultrasuoni, risonanza magnetica o tomografia computerizzata. Tutto questo senza la necessità di ottenere e analizzare un campione tramite biopsia e studio istopatologico. Sin dall’inizio della sua utilizzazione nel 1991, l’OCT è stata impiegata in un vasto spettro di applicazioni cliniche, principalmente l'oftalmologia. In strutture non trasparenti, diverse da quelle oculari, la profondità massima esplorabile è limitata a 2-3 mm a causa dei fenomeni di attenuazione secondari e alla dispersione della luce. Inoltre, i numerosi sviluppi fatti dalla tecnologia OCT hanno portato ad alte velocità di acquisizione e, grazie all’utilizzo di sorgenti laser di ultima generazione, risoluzioni assiali dell’ordine di 1 micrometro. Dunque, la tomografia a coerenza ottica può essere sfruttata: - Quando la biopsia escissionale è pericolosa o impossibile. - Quando si rischiano errori di campionamento, come guida alla biopsia in modo da ridurre errori nel prelievo del campione. - Come guida alla procedura d’intervento, in associazione alle procedure di cateterismo, endoscopia e laparoscopia.

Assemblaggio e caratterizzazione delle prestazioni di un nuovo rilassometro nmr con bobina a radiofrequenza di 8 cm di diametro

Lo scopo di questa tesi è l'installazione di un Rilassometro ottenuto a partire da un magnete permanente situato nel Dipartimento di Fisica e Astronomia (DIFA - via Irnerio, 46), al fine di eseguire misure attendibili di Rilassometria in mezzi porosi su campioni del diametro di alcuni centimetri. Attualmente nel Dipartimento è gia presente un elettromagnete adibito a misure di questo tipo; tuttavia, questo strumento permette lo studio di campioni di piccole dimensioni (circa 220mm3) e si rivela insuffciente per lo studio di rocce, coralli e altre strutture porose di più grande dimensione senza la frantumazione del campione stesso; per questa ragione si è presentata la necessità dell'istallazione di una nuova strumentazione. Parte della strumentazione utilizzata è in disuso da parecchi anni e le caratteristiche devono essere verificate. Dopo l'assemblaggio della strumentazione (magnete, console, probe), sono state determinate le migliori condizioni in cui effettuare le misure, ovvero i parametri fondamentali dell'elettronica (frequenza di risonanza, TATT, tempo morto del probe, tempo di applicazione dell'impulso 90°) e la zona di maggiore uniformità del campo magnetico. Quindi, sono state effettuate misure di T1 e T2 su campioni bulk e su un campione di roccia saturata d'acqua, confrontando i risultati con valori di riferimento ottenuti tramite elettromagnete. I risultati ottenuti risultano consistenti con i valori attesi, con scarti - inevitabili a causa della grande differenza di volume dei campioni - molto ridotti, pertanto l'installazione del nuovo Rilassometro risulta essere completata con successo.

A study of water binding, mobility and dehydration in contact lens hydrogels using NMR

Hydrogel polymers are used for the manufacture of soft (or disposable) contact lenses worldwide today, but have a tendency to dehydrate on the eye. In vitro methods that can probe the potential for a given hydrogel polymer to dehydrate in vivo are much sought after. Nuclear magnetic resonance (NMR) has been shown to be effective in characterising water mobility and binding in similar systems (Barbieri, Quaglia et al., 1998, Larsen, Huff et al., 1990, Peschier, Bouwstra et al., 1993), predominantly through measurement of the spin-lattice relaxation time (T1), the spinspin relaxation time (T2) and the water diffusion coefficient (D). The aim of this work was to use NMR to quantify the molecular behaviour of water in a series of commercially available contact lens hydrogels, and relate these measurements to the binding and mobility of the water, and ultimately the potential for the hydrogel to dehydrate. As a preliminary study, in vitro evaporation rates were measured for a set of commercial contact lens hydrogels. Following this, comprehensive measurement of the temperature and water content dependencies of T1, T2 and D was performed for a series of commercial hydrogels that spanned the spectrum of equilibrium water content (EWC) and common compositions of contact lenses that are manufactured today. To quantify material differences, the data were then modelled based on theory that had been used for similar systems in the literature (Walker, Balmer et al., 1989, Hills, Takacs et al., 1989). The differences were related to differences in water binding and mobility. The evaporative results suggested that the EWC of the material was important in determining a material's potential to dehydrate in this way. Similarly, the NMR water self-diffusion coefficient was also found to be largely (if not wholly) determined by the WC. A specific binding model confirmed that the we was the dominant factor in determining the diffusive behaviour, but also suggested that subtle differences existed between the materials used, based on their equilibrium we (EWC). However, an alternative modified free volume model suggested that only the current water content of the material was important in determining the diffusive behaviour, and not the equilibrium water content. It was shown that T2 relaxation was dominated by chemical exchange between water and exchangeable polymer protons for materials that contained exchangeable polymer protons. The data was analysed using a proton exchange model, and the results were again reasonably correlated with EWC. Specifically, it was found that the average water mobility increased with increasing EWe approaching that of free water. The T1 relaxation was also shown to be reasonably well described by the same model. The main conclusion that can be drawn from this work is that the hydrogel EWe is an important parameter, which largely determines the behaviour of water in the gel. Higher EWe results in a hydrogel with water that behaves more like bulk water on average, or is less strongly 'bound' on average, compared with a lower EWe material. Based on the set of materials used, significant differences due to composition (for materials of the same or similar water content) could not be found. Similar studies could be used in the future to highlight hydrogels that deviate significantly from this 'average' behaviour, and may therefore have the least/greatest potential to dehydrate on the eye.