SVILUPPO DI MODELLI ED ALGORITMI PER L’ANALISI DEL FLUSSO NELLA CIRCOLAZIONE CORONARICA ATTRAVERSO IMMAGINI DI TERMOGRAFIA INTRAOPERATORIA AD ALTA RISOLUZIONE

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Lo scopo di questa tesi sarà sviluppare metodiche di analisi delle immagini termografiche relative alla circolazione coronarica,acquisite nel corso di interventi di cardiochirurgia,con la prospettiva di creare strumenti diagnostici di ausilio al chirurgo.Gli interventi che prenderemo in considerazione riguardano la rivascolarizzazione coronarica,cioè il ripristino delle condizioni ottimali di flusso sanguigno all’interno della circolazione coronarica;questa sezione del sistema vascolare è deputata a rifornire di sangue il muscolo cardiaco, assicurando la sua ossigenazione ed il suo nutrimento.Le cosiddette coronaropatie (patologie della circolazione coronarica),in particolare la sua forma più acuta che è l’infarto,sono tra le principali cause di morte nel mondo occidentale: la dinamica di queste malattie parte da alterazioni del tessuto vascolare,ed è caratterizzata dal restringimento(stenosi) dei vasi,che porta ad una riduzione della perfusione del muscolo cardiaco(miocardio),che risulta danneggiato anche fino al punto di perdere la sua funzione contrattile.La cardiochirurgia ha l’importante funzione di ristabilire la circolazione coronarica,consentendo il corretto funzionamento del cuore:mediante tecniche di ricostruzione(angioplastica) con l’inserzione di tratti di vaso naturale o artificiale,è possibile ripristinare il flusso coronarico con la tecnica del “by-pass”.Durante questo genere di interventi,è importante che il chirurgo riesca a valutare la perfusione dei tratti interessati prima dell’inserzione ed il corretto funzionamento dei tratti di vaso inseriti.Una nuova tecnica,per ora applicata in maniera sperimentale,è la diagnostica per immagini termografiche:la termografia è un metodo basato sulla rappresentazione della distribuzione di temperatura del soggetto,basata sulla rilevazione di energia elettromagnetica irradiata nella banda infrarossa.Le tecniche di imaging termografico utilizzano particolari dispositivi,detti termocamere,che lavorano nel range di frequenza della radiazione infrarossa(con lunghezze d’onda di 0.78?m-1mm):i sensori responsabili della rilevazione possono essere di vari tipi e sono generalmente organizzati in strutture a matrice (FPA).Le tipologie di sensore più comuni sono di tipo microbolometico,a semiconduttore(PtSi,HgCdTe o InSb) o a quantum well.Le termocamere attuali dispongono di strutture hardware capaci di fornire immagini in uscita in formato digitale, che consentono l’applicazione di tecniche di image processing.Le applicazioni mediche della termografia hanno subito recenti sviluppi con il miglioramento delle tecnologie per l’acquisizione delle immagini,che hanno portato al miglioramento delle risoluzioni spaziali, termiche e temporali, in modo da poter considerare distribuzioni di temperatura variabili in maniera rapida con elevata precisione. La termografia così sviluppata si definisce “ad alta risoluzione” e costituisce un superamento delle tecniche termografiche che,fino agli anni ’80,non avevano i requisiti per essere un valido strumento diagnostico. In ogni caso,anche queste recenti tecnologie non eliminano i limiti dell’analisi termografica:la radiazione infrarossa può essere rilevata solo per strutture anatomiche superficiali,quindi la sua applicazione è limitata allo studio di fenomeni traumatici o scompensi nella distribuzione termica cutanea oppure alterazioni della circolazione periferica.Una nuova frontiera applicativa è la cardiochirurgia,in particolare la diagnostica intraoperatoria:la situazione tipica prevede che il paziente abbia il torace aperto ed il cuore esposto,condizioni che prevedono l’acquisizione diretta delle immagini degli strati cardiaci superficiali senza lo schermo dei tessuti esterni.E’ così possibile rilevare la morfologia dei vasi sanguigni della circolazione coronarica che presentano un elevato contrasto termico con i tessuti superficiali del cuore(epicardio).È quindi possibile, studiando le immagini termografiche ad alta risoluzione, valutare in maniera qualitativa la distribuzione dei flussi sanguigni nella circolazione coronarica in diverse fasi dell’intervento,anche con l’ausilio di mezzi di contrasto termici.Ai vari approcci strettamente qualitativi,si può affiancare anche un’analisi quantitativa dei flussi e della morfologia,mediante l’applicazione di tecniche di elaborazione delle immagini.In questa tesi si è implementato un algoritmo che consente l’elaborazione delle immagini termografiche vascolari.L’algoritmo è stato sviluppato tenendo conto di alcune correzioni da effettuare sull’immagine per rilevare le reali dimensioni dei vasi ed eliminare eventuali artefatti.La parte più complessa della procedura di elaborazione delle immagini riguarda la fase di registrazione,cioè l’operazione che consente l’allineamento della sequenza di immagini acquisite durante l’intervento.La registrazione è stata implementata utilizzando un algoritmo in due fasi che comprende metodi analitici basati sui voxel (che usano il contenuto informativo dell’intera immagine) e sulla segmentazione (uso di strutture semplificate dell’immagine).La prima parte della registrazione prevede un algoritmo modificato di cross-correlation,mentre la seconda utilizza procedure di ricostruzione della morfologia dei vasi mediante una serie di segmenti di diversa lunghezza ed orientazione.I risultati dell’elaborazione,applicati ad un filmato di termografia acquisito durante un intervento chirurgico,hanno dato buoni risultati in termini di corretto allineamento.L’analisi delle distribuzioni di temperatura nei vari punti della sequenza registrata è stata effettuata anche in termini di contributo frequenziale:si è così rilevata la presenza di termini di rumore a frequenze superiori a quelle relative ai fenomeni di trasmissione termica.Si è provveduto ad eliminare questi contributi mediante un’operazione di filtraggio.In seguito si è potuta stimare la reale distribuzione puntuale di temperatura sia dei segmenti di vaso sanguigno che di sezioni dell’epicardio.Successivamente abbiamo considerato la possibilità di valutazione del flusso sanguigno nelle arterie coronariche visibili nel filmato;applicando modelli analitici elaborati per le variazioni di temperatura indotti da iniezione di soluzione fredda nei vasi,abbiamo simulato variazioni di flusso di diversa entità e testato gli algoritmi elaborati precedentemente descritti per valutare tali variazioni di flusso.La simulazione ha portato ad interessanti considerazioni sull’applicabilità dei metodi esposti e sulle potenzialità dello strumento diagnostico.