Efficient ultrasonic signal processing techniques for aided medical diagnostics

Ultrasound imaging is widely used in medical diagnostics as it is the fastest, least invasive, and least expensive imaging modality. However, ultrasound images are intrinsically difficult to be interpreted. In this scenario, Computer Aided Detection (CAD) systems can be used to support physicians during diagnosis providing them a second opinion. This thesis discusses efficient ultrasound processing techniques for computer aided medical diagnostics, focusing on two major topics: (i) Ultrasound Tissue Characterization (UTC), aimed at characterizing and differentiating between healthy and diseased tissue; (ii) Ultrasound Image Segmentation (UIS), aimed at detecting the boundaries of anatomical structures to automatically measure organ dimensions and compute clinically relevant functional indices. Research on UTC produced a CAD tool for Prostate Cancer detection to improve the biopsy protocol. In particular, this thesis contributes with: (i) the development of a robust classification system; (ii) the exploitation of parallel computing on GPU for real-time performance; (iii) the introduction of both an innovative Semi-Supervised Learning algorithm and a novel supervised/semi-supervised learning scheme for CAD system training that improve system performance reducing data collection effort and avoiding collected data wasting. The tool provides physicians a risk map highlighting suspect tissue areas, allowing them to perform a lesion-directed biopsy. Clinical validation demonstrated the system validity as a diagnostic support tool and its effectiveness at reducing the number of biopsy cores requested for an accurate diagnosis. For UIS the research developed a heart disease diagnostic tool based on Real-Time 3D Echocardiography. Thesis contributions to this application are: (i) the development of an automated GPU based level-set segmentation framework for 3D images; (ii) the application of this framework to the myocardium segmentation. Experimental results showed the high efficiency and flexibility of the proposed framework. Its effectiveness as a tool for quantitative analysis of 3D cardiac morphology and function was demonstrated through clinical validation.

Stima della portata cardiaca dalla pressione aortica

Questo elaborato illustra il problema della determinazione di una tecnica per rendere la misura della cardiac output il più possibile accurata, economica e poco invasiva. A tale scopo è preso in esame un nuovo metodo basato sul modello WindKessel per la stima continua battito a battito di CO e TPR, partendo dall’analisi delle forme d’onda della pressione arteriosa periferica. Tale metodo ideato nel 2007 da T.A. Parlikar considera informazioni pressorie intrabattito e interbattito, in modo da ottenere stime soddisfacenti, che migliorano ulteriormente assumendo una complianza pressione-dipendente. Applicando il metodo a un data set di animali suini, contenente misurazioni della CO di riferimento su base battito-battito, si riscontra un errore di stima complessivo pari a un RMNSE medio variabile tra l’11% ed il 13%, inferiore alla soglia del 15% ritenuta accettabile in letteratura per scopi clinici. Confrontando questi risultati con quelli ottenuti attraverso l’applicazione di altri metodi riportati in letteratura allo stesso set di dati, è stato dimostrato che il metodo risulta tra i migliori. Le CO e TPR stimate, dopo le infusioni farmacologiche endovenose effettuate sugli animali, corrispondono abbastanza fedelmente alle risposte emodinamiche attese. Successivamente viene considerato l’obbiettivo di verificare l’applicabilità della procedura matematica sulla quale si fonda il metodo. Si implementa il procedimento e si applica il metodo su un data set simulato su base battito-battito, comprendente dati relativi a varie condizioni di funzionamento fisiologiche. Le stime di CO e TPR ottenute in questa fase inseguono discretamente le variazioni delle variabili emodinamiche simulate, dimostrandosi migliori nel caso di calibrazione con complianza pressione-dipendente.

Sindrome di cushing nel cane: Nuove prospettive diagnostiche e terapeutiche

La sindrome di Cushing (SC) è una delle endocrinopatie più comuni nel cane. La diagnosi richiede l'integrazione di anamnesi, segnalamento, segni clinici, esami ematobiochimici, test endocrini specifici e diagnostica per immagini . Nel corso degli anni diversi sono i principi attivi testati per la terapia della SC del cane. In passato, il mitotane è stato il farmaco più utilizzato, sebbene il suo uso risulti complicato e non privo di potenziali effetti collaterali. Recentemente, il trilostano ha dimostrato di essere un trattamento efficace per il controllo dei sintomi ed è stato approvato per tale uso nel cane. Al fine di testare metodiche non invasive per la diagnosi di SC nel cane abbiamo valutato le concentrazioni di cortisolo nel pelo (HCC) .Queste risultavano significativamente più elevate nei cani con SC rispetto ai cani sani e malati. Questo test può essere quindi considerato una procedura diagnostica non invasiva in cani con un elevato sospetto di SC. Inoltre, a causa della difficile reperibilità dell’ACTH esogeno sono state valutate le concentrazioni di cortisolo basale come strumento di monitoraggio in cani con SC trattati con trilostano. Tuttavia la singola valutazione del cortisolo basale non rappresenta un parametro efficace ed accurato per il monitoraggio della terapia con trilostano. Sono stati inoltre valutati i fattori prognostici in cani con SC alla diagnosi. L' iperfosfatemia è risultata un riscontro comune nei cani SC, rappresentando un fattore prognostico negativo. La terapia chirurgica non è una procedura di routine nella SC del cane, tuttavia abbiamo descritto l'approccio di ipofisectomia transsfenoidale in un Galgo spagnolo di 8 anni con SC . Il cane è stato sottoposto per due volte ad ipofisectomia transsfenoidale che ha permesso di rimuovere completamente il macroadenoma ipofisario. In conclusione, questi studi ci hanno permesso di indagare alcuni aspetti patogenetici, clinici e diagnostici della SC del cane.

In vivo evaluation of the translations of the gleno-humeral joint using Magnetic resonance imaging

Gleno-humeral joint (GHJ) is the most mobile joint of the human body. This is related to theincongr uence between the large humeral head articulating with the much smaller glenoid (ratio 3:1). The GHJ laxity is the ability of the humeral head to be passively translated on the glenoid fossa and, when physiological, it guarantees the normal range of motion of the joint. Three-dimensional GHJ linear displacements have been measured, both in vivo and in vitro by means of different instrumental techniques. In vivo gleno-humeral displacements have been assessed by means of stereophotogrammetry, electromagnetic tracking sensors, and bio-imaging techniques. Both stereophotogrammetric systems and electromagnetic tracking devices, due to the deformation of the soft tissues surrounding the bones, are not capable to accurately assess small displacements, such as gleno-humeral joint translations. The bio-imaging techniques can ensure for an accurate joint kinematic (linear and angular displacement) description, but, due to the radiation exposure, most of these techniques, such as computer tomography or fluoroscopy, are invasive for patients. Among the bioimaging techniques, an alternative which could provide an acceptable level of accuracy and that is innocuous for patients is represented by magnetic resonance imaging (MRI). Unfortunately, only few studies have been conducted for three-dimensional analysis and very limited data is available in situations where preset loads are being applied. The general aim of this doctoral thesis is to develop a non-invasive methodology based on open-MRI for in-vivo evaluation of the gleno-humeral translation components in healthy subjects under the application of external loads.

Sperimentazione di metodologie innovative di indagine termografica in campo industriale

La termografia è un metodo d’indagine ampiamente utilizzato nei test diagnostici non distruttivi, in quanto risulta una tecnica d’indagine completamente non invasiva, ripetibile nel tempo e applicabile in diversi settori. Attraverso tale tecnica è possibile individuare difetti superficiali e sub–superficiali, o possibili anomalie, mediante la rappresentazione della distribuzione superficiale di temperatura dell’oggetto o dell’impianto indagato. Vengono presentati i risultati di una campagna sperimentale di rilevamenti termici, volta a stabilire i miglioramenti introdotti da tecniche innovative di acquisizione termografica, quali ad esempio la super-risoluzione, valutando un caso di studio di tipo industriale. Si è effettuato un confronto tra gli scatti registrati, per riuscire a individuare e apprezzare le eventuali differenze tra le diverse modalità di acquisizione adottate. L’analisi dei risultati mostra inoltre come l’utilizzo dei dispositivi di acquisizione termografica in modalità super-resolution sia possibile anche su cavalletto.

Sviluppo di tecniche di Speckle tracking per la correzione del movimento in ecografia epatica perfusionale

L'ecografia con mezzo di contrasto è una tecnica non invasiva che consente di visualizzare la micro e la macrocircolazione grazie all'utilizzo di microbolle gassose che si distribuiscono in tutto il sistema cardiovascolare. Le informazioni emodinamiche e perfusionali ricavabili dalle immagini eco con contrasto possono essere utilizzate per costruire un modello a grafo dell'albero vascolare epatico. L'analisi della connettività del grafo rappresenta una strategia molto promettente che potrebbe consentire di sostituire la misurazione del gradiente pressorio venoso del fegato, che richiede cateterismo, determinando un notevole miglioramento nella gestione dei pazienti cirrotici. La presente tesi si occupa della correzione dei movimenti del fegato, che deve essere realizzata prima di costruire il grafo per garantire un'accuratezza adeguata. Per correggere i movimenti è proposta una tecnica di Speckle tracking, testata sia in vitro su sequenze eco sintetiche, sia in vivo su sequenze reali fornite dal Policlinico Sant'Orsola.

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.

Patogenesi molecolare delle osteomieliti associate all'impianto

L’osteomielite associata all’impianto è un processo infettivo a carico del tessuto osseo spesso accompagnato dalla distruzione dell’osso stesso. La patogenesi delle osteomieliti associate all’impianto si basa su due concetti fondamentali: l’internalizzazione del patogeno all’interno degli osteoblasti e la capacità dei batteri di formare il biofilm. Entrambi i meccanismi consentono infatti di prevenire l’eliminazione del batterio da parte delle difese immunitarie dell’ospite e di ostacolare l’azione della maggior parte degli antibiotici (che non penetrano e non agiscono pertanto su microrganismi intracellulari), così sostenendo ed alimentando l’infezione. Il saggio di invasione messo a punto su micropiastra ha consentito di investigare in modo approfondito e dettagliato il ruolo ed il peso dell’internalizzazione nella patogenesi delle infezioni ortopediche peri-protesiche causate da S. aureus, S. epidermidis, S. lugdunensis ed E. faecalis. Lo studio ha evidenziato che l’invasione delle cellule MG-63 non rappresenta un meccanismo patogenetico delle infezioni ortopediche associate all’impianto causate da S. epidermidis, S. lugdunensis ed E. faecalis; al contrario, in S. aureus la spiccata capacità invasiva rappresenta un’abile strategia patogenetica che consente al patogeno di sfuggire alla terapia sistemica e alla risposta immunitaria dell’ospite. È stato studiato inoltre il ruolo dell’immunità innata nella difesa contro il biofilm batterico. In seguito all’incubazione del biofilm opsonizzato di S. epidermidis con i PMN è stato possibile osservare la formazione delle NETs. Le NETs rappresentano ottime armi nella difesa contro il biofilm batterico, infatti le trappole sono in grado di limitare la diffusione batterica e quindi di confinare l’infezione. La comprensione del ruolo dell’internalizzazione nella patogenesi delle osteomieliti associate all’impianto e lo studio della risposta immunitaria innata a questo tipo di infezioni, spesso caratterizzate dalla presenza di biofilm, sono presupposti per identificare e affinare le migliori strategie terapeutiche necessarie ad eradicare l'infezione.

Integrazione delle immagini ecotomografiche nei sistemi per chirurgia robotica: Stato dell'arte e sviluppi futuri

L'elaborato si propone di analizzare la fusione di due tecnologie diverse, ma allo stesso modo rivoluzionarie. Da un lato abbiamo la chirurgia robotica (Robotic Assisted Surgery), reputata ormai la nuova frontiera della chirurgia mini-invasiva, dall'altro invece l'eco-tomografia, che in molti ipotizzano poter divenire lo 'stetoscopio' del futuro.

Metodiche di preservazione del polmone isolato per lo studio ecografico: Studio sperimentale

Oggetto della tesi e' l'approfondimento su tecniche e metodiche di preservazione del polmone isolato per lo studio ecografico. E' discussa l'appropriatezza sull'uso degli ultrasuoni in corso di chirurgia mini invasiva polmonare, obiettivo di una ricerca sperimentale. Il razionale dello studio si fonda sull'indicazione all'exeresi chirurgica di noduli polmonari di diametro inferiore al centometro, ovvero di diametro superiore ma localizzati in aree centrali del polmone. Queste lesioni sono sempre piu' frequentente diagnosticate per mezzo di avanzate tecniche di imaging. L'atto chirurgico ha scopo terapeutico quando sia stata posta la diagnosi di neoplasia maligna, diagnostico-terapeutico quando non sia ancora ottenuta la tipizzazione istologica della lesione. La tecnica toracoscopica offre numerosi vantaggi rispetto alle tecniche chirurgiche tradizionali ma presenta il grave limite di non permettere la palpazione diretta del tessuto polmonare e la localizzazione della formazione tumorale quando essa non sia visibile macroscopicamente. Gli ultrasuoni sono stati utilizzati con successo per indirizzare la localizzazione del nodulo polmonare. Scopo dello studio sperimentale e' quello di confrontare tecniche diverse di preservazione del polmone isolato in un modello animale, comparando catatteristiche e prestazioni di sonde ecografiche differenti per tipologia. Del tutto recentemente, in ambito trapiantologico, sono state proposte tecniche di preservazione organica utili ai fini di uno studio anatomico sperimentale particolareggiato (EVLP) e moderna e' da considerarsi la concezione di mezzi tecnici specifici per la localizzazione di bersagli intrapolmonari. La tecnica clinica applicata allo studio del particolare ecografico, nel modello animale, ha reso comprensibile e meglio definito il ruolo delle sonde ecografiche nell'individuazione di forme tumorali suscettibili di exeresi definitiva.

Studio di un nuovo sistema angiotermografico tridimensionale per la diagnostica del tumore al seno.

L’angiotermografia dinamica (DATG) è una tecnica diagnostica per il tumore al seno non invasiva e che non richiede l'utilizzo di radiazioni ionizzanti. La strumentazione fornisce immagini della vascolarizzazione della mammella rilevate e visualizzate da tre placche a cristalli liquidi. Le immagini, sulla base della teoria della neoangiogenesi, permettono la diagnosi anche precoce del tumore al seno. Inoltre, la DATG può essere impiegata su donne di ogni età e grazie al suo basso costo può coadiuvare le altre tecniche per lo screening. Scopo di questo lavoro è la caratterizzazione della strumentazione e lo studio di un nuovo metodo di elaborazione che permetta di ottenere immagini tridimensionali della vascolarizzazione. Poiché le immagini fornite dalla DATG sono a colori, si è elaborato il calcolo della tonalità (hue) per poter avere un valore da mettere in relazione con la temperatura misurata con una termocamera. Sperimentalmente è stato osservato che le placche rispondono a temperature comprese rispettivamente tra 31,5°C e 34,0°C per quella con cornice bianca, con una risoluzione tra 0,50 e 1,50 mm, tra 32,5oC e 34,5°C per quella con cornice grigia, che è in grado di rivelare dettagli con dimensioni minime dell'ordine di 0,50-2,50 mm e tra 34,0°C e 36,5°C per quella con cornice nera, con una risoluzione compresa tra 0,25 mm e 1,50 mm. Le immagini fornite dalla DATG sono bidimensionali. Per ricavare l’informazione sulla profondità di provenienza del segnale, è stata acquisita una sequenza dinamica angiotermografica in vivo. Per ottenere la distribuzione spaziale della vascolarizzazione in tre dimensioni, sulla base dell’equazione del trasporto del calore di Fourier, è stata ipotizzata una relazione esponenziale tra contributo temporale nella formazione dell’immagine e profondità di provenienza del segnale. I primi test sperimentali mostrano con buona approssimazione che è possibile ottenere immagini tridimensionali angiotermografiche, anche se il metodo andrà ulteriormente affinato. In futuro si cercherà di realizzare dei fantocci dedicati che consentano di verificare ulteriormente la modalità con cui si formano le immagini e di sfruttare i dati raccolti per conoscere con maggior accuratezza la profondità da cui proviene il segnale. Si spera, infine, che questo studio possa contribuire a diffondere la conoscenza di tale metodica e il suo utilizzo sia per la diagnosi che per lo screening del tumore al seno.

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.

Coperture delle domus in ambito archeologico: Il caso di Suasa

La tesi si basa sullo studio e sviluppo di una copertura della domus dei Coiedii presso l'antica città romana di Suasa. Non secondaria è la progettazione di una opportuna musealizzazione del sito, la meno invasiva possibile.

Estrazione di parametri elettromiografici per la quantificazione di un percorso riabilitativo basato su elettroterapia

L'elettromiografia di superficie (sEMG) è la tecnica non invasiva che si occupa della misura e analisi dell'attività elettrica associata alla contrazione del muscolo scheletrico, che viene prelevata tramite elettrodi superficiali. Si vuole dimostrare come questa metodologia rappresenti un valido strumento di monitoraggio quantitativo da affiancare ad un trattamento di elettroterapia. Si sono effettuate rilevazioni elettromiografiche su sette pazienti presso centri fisioterapici e si sono estratti una serie di parametri numerici dal segnale elettromiografico (Media Lavoro, Media Riposo, Deviazione Lavoro, Deviazione Riposo, Tempo Inizio, Tempo Rilassamento, MVC, IEMG) in grado di fornire una misura oggettiva dell'andamento del percorso di riabilitazione. Con il test statistico ANOVA per misure ripetute si è visto come alcuni di questi parametri subiscono miglioramenti statisticamente significativi in seguito alla terapia. Dopo aver messo in evidenza l'impossibilità di estrarre il segnale grezzo, quindi effettuare un'analisi in frequenza, si è proposta un'elaborazione completa del segnale elettromiografico a partire da un tracciato grezzo acquisito su un soggetto sano, mostrando in particolare la possibilità di calcolare ulteriori parametri in frequenza. Si è inoltre sottolineata la necessità di ripetere uno studio analogo su un gruppo di soggetti superiore e che preveda il monitoraggio dell'impedenza di contatto elettrodo-cute.

Valutazione dell'accuratezza e della precisione di un algoritmo di correlazione digitale di volumi applicato a vertebre naturali e trattate

La Digital Volume Correlation (DVC) è una tecnica di misura a tutto campo, non invasiva, che permette di misurare spostamenti e deformazioni all’interno della struttura ossea in esame. Mediante la comparazione d’immagini con provino scarico e con provino carico, ottenute attraverso sistemi di tomografia computerizzata, si può ottenere la mappa degli spostamenti per ogni direzione e la mappa di deformazione per ogni componente di deformazione. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è la validazione della DVC, attraverso la determinazione dell’errore sistematico (accuratezza) e dell’errore casuale (precisione), in modo da poter valutare il livello di affidabilità della strumentazione. La valutazione si effettua su provini di vertebre di maiale, aumentate e non, sia a livello d’organo, sia a livello di tessuto. The Digital Volume Correlation (DVC) is a full field and contact less measurement technique that allowed estimating displacement and strain inside bone specimen. Images of the unloaded and loaded specimen were obtained from micro-CT and compared in order to obtain the displacement map and, differentiating, the strain map. The aim of this work is the validation of the approach, estimating the lack of accuracy (systematic error) and the lack of precision (random error) on different kinds of porcine vertebra, augmented and not, analysing the specimen on tissue level and on organ level.