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.

Gestione pre, intra e post-operatoria del cane sottoposto ad ipofisectomia transfenoidale

L’approccio chirurgico agli adenomi ipofisari ACTH secernenti è la terapia d’elezione nell’uomo. L’ipofisectomia transfenoidale è invece una tecnica poco diffusa in ambito veterinario. La terapia più diffusa nel cane con ipercortisolismo ipofisi dipendente (PDH) è di tipo medico e prevede la somministrazione di farmaci inibitori della sintesi del cortisolo. Gli adenomi ipofisari possono aumentare di volume e determinare una conseguente sintomatologia neurologica; in questi casi le uniche opzioni terapeutiche sono rappresentate dall’asportazione chirurgica della neoplasia e dalla radioterapia. Nella presente tesi vengono descritti 8 interventi di ipofisectomia transfenoidale effettuati su 7 cani con macroadenoma ipofisario presso il Dipartimento di Scienze Mediche Veterinarie dell’Università di Bologna. La difficoltà maggiore per il chirurgo è rappresentata dalla localizzazione della fossa ipofisaria rispetto ai punti di repere visibile in tomografia computerizzata o in risonanza magnetica nucleare, oltre ai problemi di sanguinamento durante la rimozione della neoplasia. Nel periodo post-operatorio maggiori complicazioni si riscontrano in soggetti con adenomi ipofisari di maggiori dimensioni. Al contrario, in presenza di adenomi di dimensioni più contenute, la ripresa post-operatoria risulta più rapida e il tasso di successo maggiore. Al fine di poter eseguire nel cane l’exeresi mirata della sola neoplasia ipofisaria, al pari di quanto avviene nell’uomo, è stato condotto uno studio sulla tomografia computerizzata (TC) in 86 cani con PDH. Il protocollo TC non ha tuttavia permesso di individuare con precisione la posizione della neoplasia per guidare il chirurgo nella sua rimozione. In due casi riportati nel presente lavoro si è verificata una recidiva della neoplasia ipofisaria. In un soggetto si è optato per il reintervento, mentre nell’altro caso per la radioterapia. Entrambe le opzioni hanno garantito una buona qualità di vita per più di un anno dall’intervento terapeutico. Questi casi clinici dimostrano come il reintervento e la radioterapia possano essere considerate valide opzioni in caso di recidiva.

Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Implementazione dell'algoritmo filtered back-projection (FBP) per architetture low-power di tipo systems-on-chip

Il presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori dell'X-ray Imaging Group del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e all'interno del progetto della V Commissione Scientifica Nazionale dell'INFN, COSA (Computing on SoC Architectures), ha come obiettivo il porting e l’analisi di un codice di ricostruzione tomografica su architetture GPU installate su System-On-Chip low-power, al fine di sviluppare un metodo portatile, economico e relativamente veloce. Dall'analisi computazionale sono state sviluppate tre diverse versioni del porting in CUDA C: nella prima ci si è limitati a trasporre la parte più onerosa del calcolo sulla scheda grafica, nella seconda si sfrutta la velocità del calcolo matriciale propria del coprocessore (facendo coincidere ogni pixel con una singola unità di calcolo parallelo), mentre la terza è un miglioramento della precedente versione ottimizzata ulteriormente. La terza versione è quella definitiva scelta perché è la più performante sia dal punto di vista del tempo di ricostruzione della singola slice sia a livello di risparmio energetico. Il porting sviluppato è stato confrontato con altre due parallelizzazioni in OpenMP ed MPI. Si è studiato quindi, sia su cluster HPC, sia su cluster SoC low-power (utilizzando in particolare la scheda quad-core Tegra K1), l’efficienza di ogni paradigma in funzione della velocità di calcolo e dell’energia impiegata. La soluzione da noi proposta prevede la combinazione del porting in OpenMP e di quello in CUDA C. Tre core CPU vengono riservati per l'esecuzione del codice in OpenMP, il quarto per gestire la GPU usando il porting in CUDA C. Questa doppia parallelizzazione ha la massima efficienza in funzione della potenza e dell’energia, mentre il cluster HPC ha la massima efficienza in velocità di calcolo. Il metodo proposto quindi permetterebbe di sfruttare quasi completamente le potenzialità della CPU e GPU con un costo molto contenuto. Una possibile ottimizzazione futura potrebbe prevedere la ricostruzione di due slice contemporaneamente sulla GPU, raddoppiando circa la velocità totale e sfruttando al meglio l’hardware. Questo studio ha dato risultati molto soddisfacenti, infatti, è possibile con solo tre schede TK1 eguagliare e forse a superare, in seguito, la potenza di calcolo di un server tradizionale con il vantaggio aggiunto di avere un sistema portatile, a basso consumo e costo. Questa ricerca si va a porre nell’ambito del computing come uno tra i primi studi effettivi su architetture SoC low-power e sul loro impiego in ambito scientifico, con risultati molto promettenti.

Caratterizzazione dosimetrica e di qualità immagine del tomografo Philips Brilliance ICT 256-slice

In questo lavoro, svolto presso l'Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (I.R.S.T.) (I.R.C.C.S) di Meldola, si sono studiate le caratteristiche di un tomografo Philips Brilliance iCT 256 strati, con l'obiettivo di individuare le variazioni di qualità delle immagini e di dose in funzione dei parametri di acquisizione dello strumento, al fine di una successiva ottimizzazione dei protocolli degli esami tomografici. Le valutazioni sono state fatte sul tomografo multistrato Philips mediante uso di diversi fantocci e dosimetri, seguendo le linee guida della pubblicazione per il controllo di qualità in tomografia computerizzata dell'International Atomic Energy Agency (IAEA). Si è utilizzato il fantoccio Catphan per la caratterizzazione della qualità dell'immagine, acquisendo immagini sia in modalità assiale che spirale e variando parametri di acquisizione quali spessore di strato, kV, mAs e pitch. Per le varie combinazioni di questi parametri sono state misurate, mediante l'utilizzo dei software ImageJ ed ImageOwl, grandezze oggettive quali risoluzione spaziale, risoluzione a basso contrasto e rumore dell'immagine acquisita. Due fantocci di polimetilmetacrilato (PMMA) head e body sono serviti, insieme ad una camera a ionizzazione di tipo pencil, per la misura di indici di dose per la tomografia computerizzata (CTDI). L'irraggiamento di questi strumenti è stato effettuato a diversi valori di tensione del tubo radiogeno e ha permesso di confrontare i valori CTDI misurati con quelli forniti dal tomografo. Si sono quindi calcolate le dosi efficaci di alcuni protocolli della macchina per poi confrontarle con livelli di riferimento diagnostici (DRL), strumenti utilizzati con l'obiettivo di raggiungere valori di dose adeguati per lo scopo clinico dell'esame. Come ulteriore valutazione dosimetrica, si è utilizzato il fantoccio antropomorfo Rando, in cui sono stati inseriti dei dosimetri a termoluminescenza (TLD) per la misura della dose organo. Dai risultati si osserva un andamento inversamente proporzionale tra tensione del tubo radiogeno e contrasto dell'immagine. Impostando valori alti di kV si ottiene però un'immagine meno rumorosa. Oltre alla tensione del tubo, si è valutato come anche lo spessore di strato e la corrente influiscano sul rumore dell'immagine. I risultati ottenuti dimostrano che i valori dei parametri oggettivi di qualità delle immagini rientrano nei limiti di attendibilità, così come i valori di CTDI visualizzati dal tomografo. Lo studio della dipendenza di questi parametri oggettivi dalle impostazione di scansione permette di ottimizzare l'acquisizione TC, ottenendo un buon compromesso fra dose impartita e qualità dell'immagine.

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.

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

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.

Preparazione dei dati e generazione delle mappe di TC perfusionale nel cancro al polmone

L’introduzione della tomografia computerizzata nelle applicazioni oncologiche è stata rivoluzionaria per la diagnostica delle immagini di molti organi e apparati, superando i limiti della radiologia convenzionale. Questa tecnica rappresenta, infatti, un efficace strumento nella diagnosi e caratterizzazione di numerosi tumori, in quanto questo tipo di applicazione perfusionale amalgama informazioni di natura morfologica, tipiche della TC tradizionale, con studi funzionali sui tessuti in esame. Tuttavia, diversi problemi, tra cui la mancanza di un protocollo standard sia durante la fase di acquisizione dei dati, sia durante la fase di elaborazione dei dati, costituiscono un ostacolo per la trasposizione in clinica della TCp. In questo lavoro di Tesi si è trattato principalmente della modalità di analisi dei dati: ad oggi, infatti, non è ancora stato formulato un protocollo che stabilisca in modo univoco una tecnica di analisi delle mappe perfusionali risultanti dall’elaborazione delle immagini TCp. In particolare, si è tentato di affiancare ai classici metodi di analisi di immagini noti in letteratura un ulteriore tecnica che si basa sull’analisi voxel-by-voxel della regione d’interesse su più slice e non solo su quella di riferimento. Questo studio è stato fortemente motivato dall’elevato grado di eterogeneità che caratterizza molti tessuti neoplastici. A tal proposito, l’elaborato mira ad analizzare in modo qualitativo le mappe perfusionali di slice adiacenti a quella di riferimento e a verificare se queste possano restituire informazioni aggiuntive che risultino indispensabili ai fini della formulazione di una corretta diagnosi e scelta del piano terapeutico da applicare al paziente.

Studies on ToF-PET using Cherenkov radiation

La tomografia ad emissione di positroni (PET) è una tecnica di imaging di medicina nucleare, utilizzata oggi diffusamente in ambito clinico. Essa fornisce immagini e informazioni fisiologiche dei processi funzionali all’interno del corpo. La PET si basa sulla rilevazione di fotoni di annichilazione prodotti in seguito al decadimento di un radio farmaco iniettato nel paziente. I rilevatori convenzionali sono costituiti da un materiale scintillatore accoppiato ad un fotomoltiplicatore, solitamente un PMT o SiPM. Uno sviluppo della PET è la Time of Flight PET (ToF PET), attualmente già in commercio ed utilizzata con prestazioni eccellenti. Un’ulteriore modifica, che potenzialmente permetterebbe di ottenere una migliore risoluzione temporale, è la ToF PET basata sulla rilevazione di fotoni tramite radiazione Cherenkov, invece che luce di scintillazione. Questo lavoro di tesi è incentrato dunque su questa tecnica specifica. Si illustra una rassegna di pubblicazioni scientifiche degli ultimi anni riguardo ad essa con i relativi risultati ottenuti e i possibili sviluppi futuri. Infine si propone un approfondimento personale, nel quale, tramite un programma scritto in ROOT, si è realizzata una geometria di un sistema di rilevazione ToF PET. Esso prevede la rilevazione dei fotoni di annichilazione tramite un radiatore Cherenkov accoppiato ad un SiPM. In futuro questo potrà essere implementato e utilizzato per simulare il processo fisico della PET, verificando la validità e le prestazioni del sistema così sviluppato.

Microwave breast imaging reconstruction

In this thesis I analyzed the microwave tomography method to recognize breast can- cer. I study how identify the dielectric permittivity, the Helmoltz equation parameter used to model the real physic problem. Through a non linear least squares method I solve a problem of parameters identification; I show the theoric approach and the devel- opment to reach the results. I use the Levenberg-Marquardt algorithm, applied on COMSOL software to multiphysic models; so I do numerical proofs on semplified test problems compared to the specific real problem to solve.

Tebas y el escenario de Menipo o Necromancia de Luciano de Samosata

En Menipo o Necromancia, el encuentro entre el filósofos cínico Menipo de Gádara y su interlocutor sirve como marco para que este relate su peripecia infernal. En la obra no se especifica dónde tiene lugar dicho encuentro; no obstante, pensamos que el samosatense incluye un sutil juego literario mediante el cual el auditorio podría identificar el escenario de dicho encuentro con la polis beocia de Tebas.

Pre-texto : Una aproximación a El asco

En distintas narraciones de Castellanos Moya se lee lo que una parte de la crítica ha llamado el discurso cínico: en una puesta de escena postrevolucionaria el autor se vale de sus personajes para crear un discurso descarnado, apátrida y contestatario que trasciende las nociones de nación y se encarna en una serie de costumbres y ritos culturales. Tal es el caso del personaje principal de la novela El asco. Thomas Bernhard en San Salvador (un migrante que vuelve por poco tiempo a San Salvador): sus opiniones limitan con la desmesura; en dicha desmesura, la violencia de la voz parece sobrepasar la noción de cinismo para desbordar en un discurso que pareciera erigirse violentamente en sí mismo. Analizar los bordes del texto, así como los modos discursivos de los que se vale el autor para trabajar la violencia en el lenguaje, permite rastrear el modo en que se dan los acondicionamientos narrativos para tratar de señalar los procedimientos utilizados. Para ello me remito primero a un cuento "inaugural" de la narrativa del Castellano Moya, para después fijar como, en un giro que tiende a traspasar los límites de la "ficción", el autor propone en El asco. Thomas Bernhard en San Salvador otra manera de concebir su narrativa (que ha sido caracterizada por el trabajo con la violencia), y como a su vez opaca el trabajo entre imaginación y creación, que son constantes en la obra del salvadoreño, para trabajar con la oralidad y cierta realidad política de posguerra de su país. Para ello propongo algunas reflexiones que se vinculan a la creación de caracteres y tipos narrativos, enfatizando el análisis de un discurso que pareciera en primera persona, así como la construcción del verosímil y la problematización del suceder narrativo desde el exergo mismo

El figurón de Rojas Zorrilla : Metateatralidad y estética grotesco-paródica a comienzos de los tiempos modernos

La comedia del Barroco español tiene como rasgo característico una dialéctica que va del ciclo de Lope de Vega, reconocible por su costumbrismo y lances de capa y espada, al ciclo de Calderón de la Barca, con su típico costumbrismo de hidalgos y caballeros. Tal es el marco, en sus trazos más gruesos, en el que Rojas Zorrilla, en su intento por hacerse un lugar en el teatro español, consigue una reconocible diferenciación a partir de sus comedias de figurón, en las que, además de definir un género y personaje arquetípico, expone una lograda parodia de las ya por entonces previsibles tramas y desenlaces de las comedias de capa y espada, así como del canónico amor, honor y poder calderoniano. Sirviéndole, también, para eludir las trampas del acendrado costumbrismo de su época, le permiten -poética mediante- mostrar vívidamente el cínico sensualismo urbano que, sin distinción de género, iguala a damas, caballeros y plebeyos. Rojas exhibe su obra ante una audiencia calificada ?la corte? a la que su sensibilidad estética y sentido de la realidad le permiten apreciarla y autorreconocerse. Para sostener sus enredos, parodias y bufonadas, nuestro autor despliega con arte y conocimiento una variada gama de procedimientos metateatrales. El trabajo se basa en el análisis de las comedias: Donde hay agravios no hay celos; Obligados y ofendidos; Lo que son mujeres; Entre bobos anda el juego; y Abre el ojo, seleccionadas en razón de su género y contenido metateatral.

El discurso científico en las novelas de Michel Houellebecq

Las novelas de Michel Houellebecq se caracterizan por presentar un entramado discursivo diverso que da como resultado una textualidad heterogénea: el discurso científico, filosófico, periodístico, publicitario, pero también los diferentes géneros como la poesía, la novela, el ensayo conviven en sus obras. En las dos novelas de Houellebecq en las que nos concentraremos en este trabajo, Las partículas elementales (1998) y La posibilidad de una isla (2005), el discurso científico aparece como el plano donde se desarrolla la transformación fundamental de la humanidad que las mismas abordan como tema: los humanos en ellas desaparecen para dar paso a los "neo-humanos", una nueva raza genéticamente perfeccionada. El discurso científico es en ambas novelas uno de los ejes a través de los cuales Houellebecq construye su visión cínica y desesperanzada de la sociedad contemporánea. Pero nos proponemos demostrar que el pesimismo reinante en toda la obra de Michel Houellebecq es sólo aparente, ya que sus ficciones permitirían entrever una cierta confianza en el futuro y, de este modo, el tono cínico y pesimista de Houellebecq se vería por momentos atravesado por una voz sincera y sentimental. Así, la aplastante realidad que el escritor francés describe en sus novelas parece ser superada por un retorno a las emociones simples, a un sentimiento desnudo que la construcción de esa "voz" permite entrever