Risultati su Phantom con Lesione

Un esempio dei test eseguiti sul phantom con inclusione `e mostrato in Figura 5.5. In accordo con la teoria, la parte di lesione (Figura 5.5c) risulta indurita rispetto a quella che simula il tessuto molle (Figura 5.5a) e inviando un impulso all’inter- faccia (Figura 5.5b) `e possibile notare la differenza di comportamento tra le due zone. Di nuovo, come per i test eseguiti sulla precedente versione del phantom, i risultati ottenuti si allineano con la teoria, ed elevati valori di rigidit`a corrispon- dono a displacement notevolmente bassi.

(a) Tessuto (b) Interfaccia

(c) Lesione

Figura 5.5: Mappa del displacement misurato con A= 35% e t variabile.

a dimostrare con questo lavoro hanno trovato riscontro positivo. Bisogna per`o sottolineare che i test eseguiti su phantom sono indicativi solo fino a un certo punto; i tessuti animali e umani non presentano la medesima struttura geometrica organizzata e la stessa omogeneit`a dei phantom che sono stati realizzati. Inol- tre i complessi meccanismi legati alla denaturazione delle proteine (fenomeno che comporta l’indurimento dei tessuti) nei phantom non sono presenti.

5.2.2 Risultati su Tessuti ex-vivo

In Figura 5.6 sono mostrate le mappe di displacement ottenute prima e dopo uno sparo HIFU su un petto di pollo. Lo sparo HIFU `e stato effettuato con un’am- piezza pari al 70% (corrispondete a circa 115 W) e per un tempo pari a 10 s. L’impulso ARFI invece `e stato inviato in entrambi i casi per 10 ms al 35% di ampiezza. Come `e possibile vedere chiaramente dalle immagini, il displacement `

e aumentato in seguito al tentativo di ablazione HIFU. In Figura 5.6a la zona di maggior displacement corrisponde alla regione nella quale si `e applicato l’impulso ARFI e presenta un classico profilo ”a sigaro”. In Figura 5.6b invece la zona di alto displacement si `e allargata, estendendosi a tutta l’area delle lesione.

Il risultato atteso era ben diverso: l’intenzione iniziale era di colpire il tessuto al punto tale da irrigidirlo e creare una mappa con un displacement bassissimo o qua- si nullo. Di fronte a questi risultati, ricordando il grafico presentato in Figura 3.7,

(a) Pre-HIFU (b) Post-HIFU

Figura 5.6: Test su petto di pollo: mappa del displacement misurato prima e dopo uno sparo HIFU.

si `e supposto che la potenza acustica inviata sul tessuto non fosse abbastanza ele- vata da permettere di superare la temperatura di 65°C.

Di conseguenza per il test successivo i valori dei parametri impiegati per l’HIFU sono stati aumentati per provare a causare una lesione. Si `e utilizzato A = 75% (corrispondente a circa 180 W) e t = 15 s per l’HIFU, e sempre A = 35% e t = 10 ms per l’ARFI. Di nuovo, e forse in maniera ancora pi`u evidente, il displacement

(a) Pre-HIFU (b) Post-HIFU

Figura 5.7: Test su petto di pollo: mappa del displacement misurato prima e dopo uno sparo HIFU.

`

e aumentato dopo lo sparo e ricopre tutta la zona della lesione. Evidentemente, ancora una volta, la potenza o la durata di sparo utilizzati non sono stati sufficienti per provocare l’immediata denaturazione delle proteine.

In effetti la potenza inviata col trasduttore HIFU `e probabilmente bassa, l’effi- cienza di conversione da potenza elettrica ad acustica non dovrebbe superare il 50 - 70 % [60, 61]. A causa della mancanza di una bilancia di spinta, strumento che avrebbe permesso di effettuare tale misura, non `e stato possibile calcolare il valore esatto di tale parametro. In ogni caso l’efficienza di conversione `e un valore non modificabile, di conseguenza non si pu`o far altro che prendere atto di tale limitazione e provare ad utilizzare la potenza massima consentita (90%).

In base a queste osservazioni si `e provato a ripetere i test aumentando la poten- za acustica ad un valore pari al 90%, corrispondente a circa 259 W. I restanti

parametri sono rimasti invariati. A seguito dell’ottenimento di una mappa con i

(a) Pre-HIFU (b) Post-HIFU

Figura 5.8: Test su petto di pollo: mappa del displacement misurato prima e dopo uno sparo HIFU.

medesimi risultati delle prove precedenti, e anzi con un displacement ancora pi`u elevato, (Figura 5.8), data l’impossibilit`a di aumentare potenze e tempi di sparo senza rischiare di danneggiare il trasduttore HIFU e il generatore di segnale ad esso associato, si `e investigato a fondo il meccanismo alla base della denaturazione delle proteine che inducono la lesione durante il trattamento HIFU.

La rottura dei legami collagene che comporta l’irrigidimento dei tessuti dopo abla- zione, non `e legata solo alla temperatura utilizzata, ma anche al tempo per il quale essa viene applicata (in Figura 5.9 `e riportato un esempio). Quindi `e possibile che

Figura 5.9: Variazione del modulo di Young in base al tempo e alla temperatura per le proteine del siero di latte[63].

pur avendo sparato a temperature intorno ai 60°C, non si sia ottenuto un effettivo irrigidimento dei tessuti perch`e la durata dello sparo HIFU non `e stata abbastanza lunga da portare a rottura immediata tutti i legami H, ma solo alcuni di essi. Per risolvere questo problema, senza rischiare di portare il sistema in condizioni di la- voro estreme e potenzialmente dannose, si `e pensato di provare a ripetere lo sparo pi`u volte di seguito. Per prima cosa, ripetendo gli spari si allunga l’esposizione del tessuto e quindi la probabilit`a di rottura dei legami idrogeno. In secondo luogo, ipotizzando di non riuscire ad arrivare a 65°C con un singolo sparo, e considerando che il raffreddamento della parte colpita non `e istantaneo, `e plausibile ipotizzare che colpendo subito il tessuto una seconda e terza volta, si riesca a portarla ad una temperatura pi`e elevata. In effetti, come mostra la Figura 5.10, in questo

caso si `e registrato un irrigidimento del tessuto decisamente maggiore rispetto alla mappa in Figura 5.8b, nella quale `e stato effettuato un solo sparo e si `e mappato un displacement elevatissimo.

Figura 5.10: Test su petto di pollo: mappa del displacement misurato dopo una serie di spari HIFU.

In Tabella 5.1 sono riepilogati i parametri impiegati nei quattro set di test HIFU che sono stati eseguiti. Per ciascuna tipologia di sparo sono state ripetute pi`u

Set di Test Ampiezza HIFU Durata HIFU [s] Numero di Spari

1 70% 10 1

2 75% 15 1

3 90% 15 1

4 90% 15 3

Tabella 5.1: Parametri impiegati nei set di test eseguiti con HIFU.

prove, per avere la conferma che i test, a parit`a di condizioni iniziali, fornissero sempre i soliti risultati.

In relazione al grafico di Figura 3.6 relativo alle modifiche del modulo di taglio causate dalla temperatura, considerando che per i primi tre set di test si `e regi- strato un aumento ogni volta maggiore del displacement post-HIFU, si potrebbe ipotizzare di essersi mossi lungo la curva all’interno della fase 3, cio`e quella con modulo di taglio decrescente con la temperatura. L’ultimo set di test invece, do- vrebbe rientrare nella fase 4, quella in cui comincia l’irrigidimento del tessuto e la curva del modulo di taglio comincia a risalire. `E quindi possibile ipotizzare che l’ARFI permetta di individuare la zona colpita da ultrasuoni focalizzati ad alta intensit`a, e consenta di farlo sia prima che dopo l’avvenuta denaturazione nelle proteine. Tuttavia queste conclusioni non risultano sufficienti ai fini dimostrativi che ci si era preposti in questo lavoro.

Un altro parametro molto importante, che influenza tantissimo il funzionamento del trattamento HIFU `e la temperatura. Purtroppo il rilevamento della tem- peratura durante i test non `e semplice ed `e difficilmente accurato, in quanto il riscaldamento avviene in modo localizzato solo nella zona del tessuto che si vuole colpire. `E per`o possibile rilevare il livello di temperatura nel punto di interesse a

monte. Inserire una termocoppia in acqua degasata ed investirla con un impul- so HIFU, permette infatti di conoscere la temperatura nel punto di fuoco. Un lavoro di tesi precedente si era occupato di tale caratterizzazione [62], lavorando con temperature di partenza di 37°C, esattamente come nel corpo umano. Si `e pensato quindi che la soluzione migliore fosse eseguire di nuovo i test con HIFU a temperatura controllata (i.e. temperata 37°C), con lo scopo di utilizzare i risultati ottenuti e caratterizzare lo sparo HIFU anche in termini di temperatura indotta nel tessuto. In tali condizioni `e quindi possibile associare a ciascun test la corri- spondente temperatura nel punto di fuoco (Tabella 5.2).

Set di Test Ampiezza HIFU Durata HIFU [s] Temperatura [°C] 1 70% 10 69 ± 5 2 75% 15 94 ± 4 3 90% 15 79 ± 19 Tabella 5.2: Parametri impiegati nei set di test eseguiti con HIFU.

Al termine di queste nuove prove, i risultati riportati sono gli stessi dei test pre- cedenti: il displacement nelle immagini post-HIFU, pur indicando chiaramente la posizione della lesione, risulta maggiore rispetto che in precedenza. A questo pun- to si pu`o affermare con certezza che il mancato irrigidimento del tessuto `e dovuto non a temperature troppo basse, ma ad esposizioni troppo brevi. In letteratura sono presenti studi [63–66] che mostrano come sia necessario un certo intervallo di tempo prima di giungere a completa denaturazione delle proteine e quindi ad un irrigidimento del tessuto. Mentre la rottura dei legami tra cellule e delle mem- brane cellulari sono processi molto rapidi, l’accorciamento e la precipitazione del collagene richiede pi`u tempo, quindi non `e possibile registrare tale fenomeno negli istanti immediatamente successivi all’ablazione, ma solo qualche minuto pi`u tardi. Questo chiaramente non risulterebbe pi`u vero se invece che praticare un’ablazione di 15 s si portasse avanti il trattamento per 2 - 5 minuti.

A conferma di quanto appena detto, `e stato eseguito un ultimo test nel quale `e stata valutata la variazione di rigidit`a del tessuto immediatamente dopo lo sparo HIFU e poi 30 minuti dopo. In Figura 5.11 sono mostrate le mappe ottenute. Esat- tamente come si attendeva, nella mappa valutata mezz’ora dopo lo sparo HIFU, si `e effettivamente completato l’indurimento del tessuto causato dall’ablazione e si `e ottenuto un displacement inferiore a quello registrato nella mappa pre-HIFU. Questa ultima prova `e stata eseguita su fegato bovino, un tessuto molto meno omogeneo del petto di pollo e ricco di vasi sanguigni. La zona di pi`u alto displa- cement visibile in tutte e tre le mappe (Figura 5.11) `e un ”falso positivo” dovute a queste irregolarit`a.

(a) Pre-HIFU (b) Post-HIFU

(c) 30 minuti Post-HIFU

Figura 5.11: Test su fegato: mappa del displacement misurato prima e dopo uno sparo HIFU.

Concludendo, nonostante i limiti in durata e ampiezza dello sparo HIFU imposti dall’hardware a disposizione, si `e comunque riusciti in ogni test ad evidenziare chiaramente la dimensione e la posizione della lesione provocata dal trattamento, scopo iniziale di questo lavoro. `E quindi possibile affermare che l’elastografia AR- FI si `e rivelata una valida metodica per confermarne la riuscita di un trattamento HIFU e per valutare l’estensione della lesione creata.