Funzionamento

Il flusso di lavoro generale della procedura FUS assistita da robot comprende i seguenti passaggi:

• Fase pre-operatoria: durante questa fase, vengono registrate le immagini preoperatorie (cio`e immagini di tomografia computerizzata o di risonanza magnetica) con le immagini ultrasoniche online e sfruttate per identificare il target e pianificare la terapia. Il piano chirurgico viene eseguito valutando prima i percorsi di targeting, attraverso l’uso di un ambiente di simulazione virtuale: un fascio HIFU virtuale viene sovrapposto al modello registrato del paziente e viene focalizzato sul target considerando la presenza di ostacoli segmentati e classificati, come le ossa e le lacune d’aria.

• Fase di trattamento: la terapia con HIFU viene erogata sotto controllo ul- trasonico; per ogni singola sonicazione viene selezionato un punto target, il trasduttore HIFU viene acceso e l’avanzamento della lesione viene valuta- to utilizzando entrambe le sonde US. Le sonde sono posizionate e allinea- te correttamente grazie alla registrazione del modello virtuale rispetto alla piattaforma robotica calibrata.

• Fase post-trattamento: dopo l’ultima sonicazione, il trattamento viene valu- tato utilizzando entrambe le sonde di immagini US.

Elastografia ARFI su Piattaforma FUTURA

Come accennato in precedenza, per eseguire un’elastografia ARFI sono sufficien- ti un trasduttore diagnostico e un qualunque sistema di imaging ad ultrasuoni. Di conseguenza, senza alcuna modifica o aggiunta all’hardware della piattaforma, attraverso la sonda 2D (PA7-4/12, Analogic Ultrasound) confocale al trasduttore

HIFU presente su uno dei due manipolatori antropomorfi, e il sistema di acquisi- zione a disposizione (SonixTablet, Analogic Ultrasound), `e stato possibile portare avanti uno studio elastografico ARFI. L’uso di un singolo trasduttore sia per ap- plicare la forza di radiazione che per tracciare gli spostamenti tissutali risultanti, garantisce sia l’allineamento che la facilit`a di implementazione. Nei prossimi ca- pitoli verranno illustrati i tipi di test eseguiti, i materiali impiegati e i risultati conseguiti.

ARFI Pre-Trattamento

Nel laboratorio di polimeri e siliconi dell’Istituto di Biorobotica della Scuola Su- periore Sant’Anna, sono stati sviluppati vari prototipi di phantom volti a mimare le caratteristiche acustiche ed elastiche dei tessuti umani, al fine di eseguire test elastografici con tecnica ARFI.

In questo capitolo sar`a descritta la composizione e la preparazione di questi phan- tom e le relative caratteristiche, in termini di parametri acustici e meccanici. In seguito saranno illustrati i protocolli seguiti per lo studio della tecnica ARFI co- me mezzo per monitorare il punto di fuoco degli spari HIFU. Verr`a poi mostrata la fase di post-processing delle mappe elastografiche e saranno chiarite le scelte fatte in termini di elaborazione dei dati. Infine si mostreranno i risultati ottenuti lavorando con l’elastografia ARFI su phantom e su tessuti ex-vivo.

4.1

Phantom per Ultrasuoni

La produzione di materiali volti a mimare il comportamento dei tessuti umani investiti da onde ultrasoniche, `e necessaria per lo studio, la calibrazione e il test di sonde, trasduttori, e in generale di ogni macchinario che opera con gli US. Il primo materiale in grado di riprodurre sia la velocit`a del suono che l’attenuazione dei tessuti biologici `e stato presentato nel 1978 [47]. Si tratta di un misto di acqua distillata, gelatina, n-propanolo e grafite in polvere, con l’aggiunta di un conser- vante. La ricetta, estremamente semplice e quindi facile da riprodurre, garantisce una velocit`a del suono compresa fra 1520 e 1650 m/s a temperatura ambiente e un coefficiente di attenuazione variabile fra 0.2 e 1.5 dB/cm/MHz. Si noti che la

velocit`a del suono e il coefficiente di attenuazione medi nei tessuti sono rispettiva- mente pari a 1540 m/s e a 0.5 dB/cm/MHz.

Le principali limitazioni di questo lavoro, dovute a una velocit`a media troppo ele- vata (1570 m/s) e ad un impiego limitato a temperature al di sotto di 32.5°C, sono state superate nel 1980, con la produzione di un phantom a base di acqua distil- lata, agar, n-propanolo e grafite in polvere [48]. L’aggiunta dell’agar ha permesso di innalzare il punto di fusione a 78°C e di abbassare la velocit`a di propagazione delle onde ultrasoniche. L’elemento a sfavore di questo materiale `e la sua difficile distribuzione in maniera uniforme all’interno del phantom.

Un lavoro successivo [49] ha portato alla scoperta di materiali atti a simulare il tessuto adiposo. Si tratta di una miscela di olio e gelatina, che richiede l’aggiunta di particelle di scattering per avere un livello di retrodiffusione (backscattering) sufficiente.

Nel corso degli anni, sono state prodotte numerose varianti dei phantom per US, quasi tutte aventi come ingredienti base l’agar o la gelatina, oppure entrambi [54– 57]. Si `e cercato di riprodurre una larga variet`a di tessuti ed organi, come il tessuto adiposo sopraccitato, il fegato [51], la tiroide [52] e persino i vasi sanguigni [53]. Si `e notato che in queste tipologie di phantom, per avere una buona riuscita, `e generalmente richiesto un elevato rapporto superficie/volume. Questo comporta la creazione di phantom larghi e non eccessivamente alti.

Nel 1998 `e stato introdotto l’uso del latte evaporato come ingrediente per phantom a retrodiffusione minima [50]. La miscela di questo tipo di latte insieme all’acqua, garantisce ottime prestazioni sia in termini di velocit`a (1545 m/s) che di densit`a (1.03 g/cm3_{) e coefficiente di attenuazione (0.5 dB/cm/MHz). Per costruire i}

phantom che sono stati impiegati nei test elastografici, si `e preso come punto di partenza questo lavoro e uno di pi`u recente pubblicazione sempre a base di latte evaporato [6]. Sono stati scelti questi due phantom perch`e offrono ottime carat- teristiche in termini di parametri acustici, sono costituiti da materiali facilmente reperibili e la loro preparazione `e relativamente semplice. Nel seguito verranno descritti in modo esaustivo gli ingredienti, le dosi e il procedimento che ha portato alla fabbricazione del phantom nella sua forma finale. Prima per`o si spiegher`a perch`e non `e stato sufficiente usare un phantom selezionato dalla letteratura, ma si `e reso necessario fabbricarne uno ad hoc.