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Valutazione e utilizzo di un dispositivo di imaging per acquisizioni con la tecnica della spettroscopia nel vicino infrarosso

Informazioni tesi

  Autore: Fabrizio Rocco
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2011-12
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria biomedica
  Relatore: Luigi Landini
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 82

La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS, acronimo di Near InfraRed Spectroscopy) è una tecnologia tra le più promettenti in campo medico per la misura a livello regionale ed in tempo reale di parametri quali la saturazione dell’ossigeno ed il flusso ematico, facendo uso di strumentazione portatile e relativamente a basso costo. La prospettiva più interessante ( è quella di permettere, potenzialmente, di ricavare in modo non invasivo informazioni sui principali trasportatori di ossigeno nell’organismo e sul suo consumo cellulare anche a livello mitocondriale.
Nella configurazione di misura più semplice, la spettroscopia NIR consiste nell’investire un tessuto biologico con un segnale luminoso a bassa potenza (pochi mW) e nel monitorare il segnale riemesso dal tessuto stesso a seguito dei fenomeni di diffusione e assorbimento che avvengono internamente, concentrandosi su un range spettrale di emissione con lunghezze d’onda di 650÷950nm. I tessuti biologici presentano in questo intervallo spettrale una relativa trasparenza, fornendo quindi la possibilità di sondare in modo non invasivo anche regioni non direttamente accessibili. Per questo range di lunghezze d’onda tuttavia la penetrazione massima è in media dell’ordine di 3-4 cm con sensori a contatto con la superficie del distretto da investigare, inferiore a 1 cm per dispositivi di imaging.
I principali costituenti dei tessuti (emoglobina, acqua e lipidi), inoltre, presentano nella regione del vicino infrarosso caratteristiche spettrali distinte che possono essere usate per ricavare importanti informazioni fisiopatologiche del tessuto in esame. L’assorbimento dei fotoni NIR da parte dei tessuti umani nel range indicato è basso e sostanzialmente dovuto alla sola emoglobina, in modo differenziale dalla specie ossigenata e da quella deossigenata, il che viene sfruttato per creare delle mappe di ossigenazione dei tessuti indagati.
La tecnica NIRS in campo biologico da una parte è sfruttata nella realizzazione dei pulsossimetri, dall’altra è alla base della tomografia ottica.
Per quanto concerne quest’ultima, i distretti di maggiore interesse per applicazioni mediche riguardano principalmente indagini sul cervello (specie nei neonati, ma anche studi di attivazione funzionale su adulti), sul seno (lesioni), sulla pelle (lesioni e ulcere cutanee) e sui muscoli.
Una applicazione molto diffusa è la NIRSth , ovvero indagini con la spettroscopia NIR condotte sull’eminenza tenare (th=thenar eminence) della mano allo scopo di effettuare valutazioni sul microcircolo. Tali indagini vengono condotte sfruttando un sensore puntuale collocato per l’appunto sull’eminenza tenare del paziente ed effettuando quindi un monitoraggio continuo della saturazione di ossigeno.
Obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di effettuare indagini sul microcircolo utilizzando, al posto di un sensore puntuale classico, un dispositivo di imaging. Per far questo è stato necessario mettere a punto un opportuno protocollo di studio poiché in letteratura non viene riportato un modo standard di condurre tali indagini.
Il dispositivo utilizzato è il KC103 - “Kent Camera Multispectral Imaging Device” della Kent Imaging Inc presente all’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR di Pisa per fini di ricerca.
Viene inoltre valutata la fattibilità di due ulteriori applicazioni di tale camera, andando ad effettuare delle prove sperimentali sui ratti da laboratorio, riguardanti lo studio dell'evoluzione temporale di lesioni cutanee e lo studio della variazione dell'ossigenazione superficiale al variare del protocollo anestetico.
Più in dettaglio, la tesi è stata organizzata nel seguente modo:
- nel primo capitolo si introduce la spettroscopia NIR da un punto di vista teorico generale, presentando l’attuale stato dell’arte e i principi fisici su cui è basata la misura;
- nel secondo capitolo viene brevemente illustrata la fisiologia del micro- e macro- circolo e come tali funzionalità vengano normalmente investigate. Successivamente vengono descritti il funzionamento della camera NIRS utilizzata, il protocollo messo a punto per condurre lo studio e, infine, come sono state elaborate le immagini acquisite;
- nel terzo capitolo vengono discussi i risultati ottenuti, rapportandoli a studi precedenti condotti su soggetti sani con sensori puntuali per validare la metodica;
nel quarto capitolo vengono infine brevemente descritte alcune prove sperimentali condotte sui ratti da laboratorio per valutare come delle lesioni cutanee (provocate con bisturi chirurgico e con elettrobisturi) evolvono nel tempo e come cambia l’ossigenazione superficiale corporea al variare della quantità di anestetico inalato dall’animale, allo scopo di verificare la fattibilità di tali tipi di studi con la camera NIRS in dotazione.

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Valutazione e utilizzo di un dispositivo di imaging per acquisizioni con la tecnica della spettroscopia nel vicino infrarosso 4 Introduzione Introduzione Introduzione Introduzione La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS, acronimo di Near InfraRed Spectroscopy) è una tecnologia tra le più promettenti in campo medico per la misura a livello regionale ed in tempo reale di parametri quali la saturazione dell’ossigeno ed il flusso ematico, facendo uso di strumentazione portatile e relativamente a basso costo [1]. La prospettiva più interessante (rif. [2]) è quella di permettere, potenzialmente, di ricavare in modo non invasivo informazioni sui principali trasportatori di ossigeno nell’organismo e sul suo consumo cellulare anche a livello mitocondriale. Nella configurazione di misura più semplice, la spettroscopia NIR consiste nell’investire un tessuto biologico con un segnale luminoso a bassa potenza (pochi mW) e nel monitorare il segnale riemesso dal tessuto stesso a seguito dei fenomeni di diffusione e assorbimento che avvengono internamente, concentrandosi su un range spettrale di emissione con lunghezze d’onda di 650÷950nm. I tessuti biologici presentano in questo intervallo spettrale una relativa trasparenza, fornendo quindi la possibilità di sondare in modo non invasivo anche regioni non direttamente accessibili. Per questo range di lunghezze d’onda tuttavia la penetrazione massima è in media dell’ordine di 3-4 cm con sensori a contatto con la superficie del distretto da investigare, inferiore a 1 cm per dispositivi di imaging. I principali costituenti dei tessuti (emoglobina, acqua e lipidi), inoltre, presentano nella regione del vicino infrarosso caratteristiche spettrali distinte che possono essere usate per ricavare importanti informazioni fisiopatologiche del tessuto in esame. L’assorbimento dei fotoni NIR da parte dei tessuti umani nel range indicato è basso e sostanzialmente dovuto alla

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Parole chiave

spettroscopia
spectroscopy
nir
nirs
near infrared
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