Caratterizzazione biomeccanica di vertebre umane

Metastasi ossee, osteoporosi e traumi sono le cause più comuni di fratture vertebrali che possono portare a conseguenze severe. In particolare, le fratture determinate da patologie e dall’invecchiamento colpiscono soprattutto il tratto toraco-lombare che è quello che sopporta la maggior parte dei carichi. Inoltre, le attività quotidiane inducono dei complessi scenari di carico sulla colonna vertebrale. Pertanto la misura di carichi in vivo ha un grande interesse clinico e biomeccanico dal momento che può essere necessaria per studiare il mal di schiena, le fratture vertebrali, il progetto di impianti, ecc. Tuttavia, le misure in vivo hanno il limite di essere invasive. Invece, le prove sperimentali hanno il vantaggio di essere non invasive, anche se presentano alcune limitazioni intrinseche quali la difficoltà di misurare le tensioni o le deformazioni che non siano sulla superficie delle vertebre e l’aumento della complessità e del costo delle prove nel momento in cui si vogliano fare misurazioni addizionali o sperimentare condizioni diverse. In alternativa, il comportamento meccanico delle strutture ossee può essere investigato con modelli numerici agli elementi finiti validati da prove sperimentali. È in questo contesto che va inserito il presente lavoro. Questa tesi ha lo scopo di cominciare un progetto sulla caratterizzazione biomeccanica di vertebre toraciche e lombari di soggetti affetti da osteoporosi da cui si ricaveranno i dati necessari per validare un modello agli elementi finiti. In particolare, durante i test meccanici si vuole riprodurre la tipica fattura vertebrale causata dall’osteoporosi, l’anterior wedge fracture. Le prove meccaniche sono state eseguite nel Laboratorio di Biomeccanica del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna, mentre il modello agli elementi finiti sarà sviluppato dal Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli. Una volta validato, il modello sarà utilizzato per fare simulazioni di rottura in vivo.

MR spectroscopy in human prostate: in vitro and in vivo measurements to optimize new quantification algorithms

Il cancro della prostata (PCa) è il tumore maligno non-cutaneo più diffuso tra gli uomini ed è il secondo tumore che miete più vittime nei paesi occidentali. La necessità di nuove tecniche non invasive per la diagnosi precoce del PCa è aumentata negli anni. 1H-MRS (proton magnetic resonance spectroscopy) e 1H-MRSI (proton magnetic resonance spectroscopy imaging) sono tecniche avanzate di spettroscopia in risonanza magnetica che permettono di individuare presenza di metaboliti come citrato, colina, creatina e in alcuni casi poliammine in uno o più voxel nel tessuto prostatico. L’abbondanza o l’assenza di uno di questi metaboliti rende possibile discriminare un tessuto sano da uno patologico. Le tecniche di spettroscopia RM sono correntemente utilizzate nella pratica clinica per cervello e fegato, con l’utilizzo di software dedicati per l’analisi degli spettri. La quantificazione di metaboliti nella prostata invece può risultare difficile a causa del basso rapporto segnale/rumore (SNR) degli spettri e del forte accoppiamento-j del citrato. Lo scopo principale di questo lavoro è di proporre un software prototipo per la quantificazione automatica di citrato, colina e creatina nella prostata. Lo sviluppo del programma e dei suoi algoritmi è stato portato avanti all’interno dell’IRST (Istituto Romagnolo per lo Studio e la cura dei Tumori) con l’aiuto dell’unità di fisica sanitaria. Il cuore del programma è un algoritmo iterativo per il fit degli spettri che fa uso di simulazioni MRS sviluppate con il pacchetto di librerie GAMMA in C++. L’accuratezza delle quantificazioni è stata testata con dei fantocci realizzati all’interno dei laboratori dell’istituto. Tutte le misure spettroscopiche sono state eseguite con il nuovo scanner Philips Ingenia 3T, una delle machine di risonanza magnetica più avanzate per applicazioni cliniche. Infine, dopo aver eseguito i test in vitro sui fantocci, sono stati acquisiti gli spettri delle prostate di alcuni volontari sani, per testare se il programma fosse in grado di lavorare in condizioni di basso SNR.

L'informazione di fase per la valutazione della perfusione epatica in ecografia

L'elaborato illustra una possibile soluzione al problema della correzione del movimento respiratorio in dati ecografici di perfusione epatica per la valutazione della pressione portale. La tecnica proposta si basa sul segnale monogenico e sull’informazione di fase dell’immagine. Inizialmente sono stati presentati gli strumenti atti alla valutazione della vascolaritá epatica, con una particolare focalizzazione sulle tecniche non invasive per diagnosticare l’ipertensione portale. Tra di esse l’ecografia con mezzo di contrasto si impone come uno dei metodi più efficaci e soprattutto meno invasivi. In seguito è stato presentato un recente studio secondo cui, tramite l’elaborazione delle curve di enhancement ottenute dalla sequenza ecografica, è possibile stimare dei parametri correlati al valore di pressione portale. Tuttavia, durante l’esecuzione dell’esame ecografico, i movimenti respiratori del paziente non sempre consentono una corretta valutazione di tali parametri. In questa tesi è stata indagata la possibilità di compensare questi artefatti mediante l'applicazione di una metodo di tracking basato sul vincolo di conservazione della fase dell'immagine. Il metodo è stato testato qualitativamente su sequenze di immagini ecografiche acquisite all’ospedale di Barcellona e all’ospedale Sant’Orsola di Bologna, con risultati promettenti.

Compressed sensing in digital tomosynthesis reconstruction

In this work we study a model for the breast image reconstruction in Digital Tomosynthesis, that is a non-invasive and non-destructive method for the three-dimensional visualization of the inner structures of an object, in which the data acquisition includes measuring a limited number of low-dose two-dimensional projections of an object by moving a detector and an X-ray tube around the object within a limited angular range. The problem of reconstructing 3D images from the projections provided in the Digital Tomosynthesis is an ill-posed inverse problem, that leads to a minimization problem with an object function that contains a data fitting term and a regularization term. The contribution of this thesis is to use the techniques of the compressed sensing, in particular replacing the standard least squares problem of data fitting with the problem of minimizing the 1-norm of the residuals, and using as regularization term the Total Variation (TV). We tested two different algorithms: a new alternating minimization algorithm (ADM), and a version of the more standard scaled projected gradient algorithm (SGP) that involves the 1-norm. We perform some experiments and analyse the performance of the two methods comparing relative errors, iterations number, times and the qualities of the reconstructed images. In conclusion we noticed that the use of the 1-norm and the Total Variation are valid tools in the formulation of the minimization problem for the image reconstruction resulting from Digital Tomosynthesis and the new algorithm ADM has reached a relative error comparable to a version of the classic algorithm SGP and proved best in speed and in the early appearance of the structures representing the masses.

Mappaggio t1 in risonanza magnetica per la quantificazione della fibrosi atriale

La tesi descrive il T1 mapping, un metodo diagnostico non invasivo emergente per l’identificazione e la quantificazione della fibrosi atriale. Nel primo capitolo ci si è soffermati sulle caratteristiche del tessuto fibrotico e sulle cause che generano tale patologia tra cui la fibrillazione atriale. Nel secondo capitolo vengono descritte le tecniche non invasive comunemente più utilizzate per la valutazione della fibrosi tra cui: sistemi di mappaggio elettronanatomico e risonanza magnetica cardiaca con l’uso di mezzo di contrasto. Nel terzo capitolo sono approfondite tutte le sequenze necessarie per la costruzione di mappe di tempi T1 indagando anche sui fattori a cui la tecnica è più sensibile. Infine è stato dedicato ampio spazio a ricerche mediche sulla correlazione tra i tempi T1 delle camere cardiache, i potenziali elettroanatomici delle stesse e la probabilità di sviluppare fibrillazioni atriali recidive in alcuni pazienti sottoposti ad ablazione transcatetere.

Approccio strumentale per l'acquisizione del segnale epilettico

L’epilessia è una patologia neurologica cronica caratterizzata dalla tendenza, in un dato soggetto, a generare crisi convulsive spontanee, accompagnate generalmente da perdita di coscienza. Rappresenta uno fra i più frequenti disturbi neurologici cronici: l’1% della popolazione mondiale (circa 50 milioni) ne è affetta. Il presente elaborato di tesi ha analizzato le tecniche di imaging biomediche non invasive per lo studio dell’epilessia. Le tecniche PET, MEG e fMRI contribuiscono non solo a fornire una migliore comprensione dell’anatomia, della fisiologia e della connettività funzionale di specifiche aree cerebrali, ma consentono anche di localizzare determinate aree legate all’insorgenza e alla propagazione della crisi epilettica. Sono stati riportati studi clinici recenti che hanno investigato sull’uso di queste tecniche al fine di localizzare la zona epilettogena nei pazienti. Inoltre, gli studi si sono incentrati anche sullo sviluppo e sulla propagazione della crisi epilettica, fornendo delle indicazioni sulle possibili prospettive future relative alla tecnologia e all’elaborazione dei dati. L’analisi verrà condotta approfondendo le principali apparecchiature responsabili degli attuali sviluppi nelle ricerche sull’epilessia. Nello specifico, si effettuerà l’analisi della strumentazione partendo dai principi fisici alla base del suo funzionamento, per poi descriverne la struttura, le modalità di impiego per la specifica indagine e i futuri sviluppi.

Ricerca e studio degli effetti di un riflettore sismico importante nella laguna veneta

Il caranto è un celebre paleosuolo della laguna di Venezia. Esso si presenta come uno strato argilloso di alcuni metri di spessore, a profondità variabile tra 1 e 25 m, fortemente consolidato, al punto che, secondo la tradizione locale, sarebbe il livello sul quale si impostano i pali di fondazione della città di Venezia. Misure di microtremore sismico ambientale nell’area lagunare acquisite in precedenza hanno mostrato amplificazioni delle onde sismiche per risonanza stratigrafica a frequenze medio-alte (sopra 3 Hz), ricollegabili a riflettori sismici superficiali. Tali amplificazioni riguardano frequenze di interesse ingegneristico per le strutture della città lagunare e delle altre isole, in quanto a frequenze superiori a 3 Hz risuona la maggior parte degli edifici in muratura più bassi di 5 piani, come quelli della città. Questo li renderebbe particolarmente vulnerabili per fenomeni di doppia-risonanza in caso di terremoto. Attraverso misure di risonanza del sottosuolo eseguite ad hoc e reperite in letteratura, abbiamo cercato se esista una correlazione tra le frequenze misurate e le profondità stimate del caranto da dati di sondaggio. Abbiamo trovato che tale correlazione esiste ed è netta a patto di assumere che la velocità di propagazione delle onde di taglio nel sottosuolo sia diversa tra centro storico e zona dei litorali della laguna. Tale differenza di valori, oltre ad essere perfettamente in linea con la geologia locale, che prevede argille nella zona insulare e sabbie nelle zone litoranee, è confermata dalle risultanze di prove sismiche multicanale a onde di superficie effettuate in anni passati per la microzonazione sismica della provincia. Si propone infine una relazione tra unità geologiche e valori di velocità delle onde di taglio nelle stesse, che permette di stimare la profondità del caranto a partire da misure di risonanza, del tutto non invasive. I risultati ottenuti sono utili sia in senso geologico che in senso ingegneristico sismico, poiché identificano le frequenze di massima amplificazione sismica del terreno