Il problema della rivascolarizzazione coronarica e della diagnostica intraoperatoria.

INTRODUZIONE

L

o 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, e riveste particolare importanza per la vita stessa dell’intero organismo. Infatti, 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, derivante da molteplici fattori, ma è in ogni caso 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 sanguigno coronarico con la tecnica del “by-pass”. Si tratta di collegare il tratto inserito tra una grande arteria e i distretti coronarici con scarsi livelli di perfusione, in modo da aggirare l’ostruzione dei vasi.

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. Le tecniche diagnostiche in ambito cardiologico sono numerose, ma, per la maggior parte, non sono indicate per applicazioni intraoperatorie.

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, comunemente definibile come calore. Le tecniche di imaging termografico utilizzano particolari dispositivi, detti termocamere, che lavorano in maniera del tutto simile a strumenti di acquisizione video, con l’unica differenza che operano nel range di frequenza della radiazione infrarossa (con lunghezze d’onda comprese tra 0.78 µm e 1 mm): i sensori responsabili della rilevazione della radiazione possono essere di vari tipi e sono generalmente organizzati in strutture a matrice (focal plane array, FPA). Le tipologie di sensore più comuni sono di tipo microbolometrico (basati sulla variazione di conducibilità in funzione della radiazione termica incidente), a semiconduttore (con tecnologie al 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, in quanto viene assorbita dai tessuti esterni, quindi la sua applicazione è limitata allo studio di fenomeni traumatici o legati a scompensi nella distribuzione termica cutanea oppure di alterazioni della circolazione periferica.

Una nuova frontiera applicativa è la cardiochirurgia, in particolare la diagnostica intraoperatoria: la situazione tipica, in questi casi, prevede che il paziente abbia il torace aperto ed il cuore esposto, condizioni che prevedono l’acquisizione diretta della immagini degli strati cardiaci superficiali senza lo schermo dei tessuti esterni. In tal modo, è possibile rilevare la morfologia dei vasi sanguigni della circolazione coronarica che presentano un elevato contrasto termico con i tessuti superficiali del cuore (epicardio), contrasto reso più evidente dalla pratica della circolazione extracorporea durante questo tipo di interventi, che abbassa ulteriormente la temperatura del cuore.

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 (quali iniezioni di soluzione fisiologica fredda o calda).

Ai vari approcci strettamente qualitativi rilevabili in vari studi sperimentali, si può affiancare anche un’analisi quantitativa dei flussi e della morfologia coronarica, mediante l’applicazione di tecniche di elaborazione delle immagini.

L’analisi quantitativa è basata su una serie di modelli bioingegneristici del sistema vascolare: mediante questi modelli è stata elaborata una serie di relazioni analitiche in grado di descrivere la struttura ed il funzionamento dei vasi sanguigni.

Siamo partiti da modelli fluidodinamici dell’intero apparato e delle varie tipologie di

vaso; successivamente abbiamo considerato le proprietà del sangue e l’influenza della sua particolare composizione sulla circolazione; sono stati inoltre brevemente trattati i fenomeni ondulatori dovuti alla pulsatilità del flusso e all’elasticità dei vasi; infine sono state approfondite la trasmissione del calore nel sistema vascolare e le peculiarità della circolazione coronarica.

In questa tesi si è implementato un algoritmo che consente l’elaborazione delle immagini termografiche vascolari, elaborato in base alla tipologia delle immagini stesse ed alla natura del fenomeno in esame. 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 (metodo che usa 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.

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 passa-basso con frequenza di taglio scelta opportunamente. In seguito a questa operazione 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; 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.

I risultati dell’elaborazione, applicati ad un filmato di termografia acquisito durante un intervento chirurgico, hanno dato buoni risultati in termini di corretto allineamento. La simulazione ha portato inoltre ad interessanti considerazioni sull’applicabilità dei metodi esposti e sulle potenzialità dello strumento diagnostico.

Andiamo ora a presentare la struttura della tesi e la sua suddivisione in capitoli.

Nel capitolo I è descritto in maniera sintetica il problema medico della diagnostica intraoperatoria negli interventi di rivascolarizzazione coronarica. Si danno alcuni cenni di anatomia e fisiologia del sistema cardiovascolare, e si elencano le tecniche diagnostiche usate in cardiologia.

Nel capitolo II si presentano le caratteristiche della termografia: dopo una descrizione dei principi fisici dei fenomeni di irraggiamento, si espone la struttura dei sensori infrarossi e delle termocamere. Si fissa poi l’attenzione sulle applicazioni

mediche della tecnica e sui suoi sviluppi in quest’ambito, introducendo i concetti di imaging funzionale infrarosso e termografia ad alta risoluzione. Si accenna infine ai possibili impieghi in cardiochirurgia.

Nel III capitolo si affronta in particolare il tema dell’imaging infrarosso intraoperatorio in cardiochirurgia, presentando la tecnica dell’angiografia termica coronarica (TCA). Si elencano una serie di studi riguardanti l’applicazione di questa tecnica, partendo dai primi casi documentati, per poi presentare lo stato dell’arte attuale.

Nel capitolo IV si espongono i modelli bioingegneristici del sistema vascolare utili per gli algoritmi e le simulazioni successivamente descritti. In particolare ci si riferisce a modelli fluidodinamici, termici, ematici ed ondulatori.

Il capitolo V descrive gli algoritmi di correzione, registrazione e filtraggio delle immagini termografiche vascolari, affrontando un’analisi dettagliata delle operazioni svolte, dell’implementazione e dell’ottimizzazione degli stessi. Inoltre è riportata la procedura di simulazione delle variazioni di flusso sanguigno.

Nel capitolo VI si applicano gli algoritmi elaborati ad un filmato termografico in nostro possesso, operando anche la fase di simulazione descritta nel capitolo precedente. Si espongono quindi i risultati ottenuti e si traggono le conclusioni generali del lavoro svolto.

INDICE.

CAPITOLO I.

Il problema della rivascolarizzazione coronarica e della diagnostica intraoperatoria.

1.1 Definizione sintetica dei termini del problema…….………1

1.2 Struttura e funzione del sistema cardiovascolare………….……….2

1.3 La circolazione coronarica: struttura, funzione e patologie….……….5

1.4 Tecniche diagnostiche in cardiologia……….………...7

CAPITOLO II. La termografia e le sue applicazioni in ambito medico.

2.1 Principi base della termografia……….….10

2.2 Sensori e dispositivi per la termografia……….………13

2.3 Applicazioni mediche della termografia………16

2.4 L’imaging termografico in cardiochirurgia………….………..……19

CAPITOLO III. Imaging infrarosso intraoperatorio in cardiochirurgia.

3.1 Principi di applicazione delle tecniche di imaging infrarosso intraoperatorio…..21

3.2 Prime applicazioni della termografia in cardiochirurgia e sviluppo della TCA…22 3.3 Alcuni esempi di applicazioni attuali della TCA……….…..…………24

CAPITOLO IV.

Modelli bioingegneristici del sistema cardiovascolare.

4.1 Modellizzazione del sistema cardiovascolare………..29

4.2 Fluidodinamica cardiovascolare………..31

4.3 Prorprietà del sangue………36

4.4 Cenni sulla propagazione delle onde nei vasi sanguigni…………..………39

4.5 Trasmissione del calore nel sistema cardiovascolare……….………..42

4.6 Modelli per la circolazione coronarica………45

CAPITOLO V. Metodi per l’elaborazione di immagini termografiche vascolari.

5.1 Considerazioni preliminari all’elaborazione delle immagini termografiche vascolari………50

5.2 Il problema della registrazione delle immagini mediche: definizione e classificazione dei metodi………..………..……….53

5.3 Registrazione di immagini termografiche vascolari…………...……….56

5.4 Algoritmi di cross-correlation………..………..57

5.5 Implementazione dell’algoritmo di cross-correlation modificato per l’analisi delle immagini vascolari………59

5.6 Algoritmi per la ricerca delle direzioni dei vasi confluenti………..……….…..65

5.7 Metodi di segmentazione per il riconoscimento della morfologia dei vasi………..………..……68

5.8 Tecniche di filtraggio per i segnali ottenuti da sequenze temporali di immagini termografiche………..………..………..…71

5.9 Analisi delle variazioni di flusso nella circolazione coronarica……….…72

CAPITOLO VI.

Applicazione degli algoritmi di registrazione e di stima del flusso ad una sequenza di immagini.

6.1 Modalità di acquisizione e caratteristiche della sequenza di immagini oggetto dell’analisi………..79 6.2 Risultati dell’applicazione degli algoritmi di registrazione basati sulla cross-

correlation al filmato……….82 6.3 Risultati della procedura di riconoscimento della morfologia dei vasi mediante algoritmi di segmentazione applicata al filmato……….…86 6.4 Elaborazione delle curve intensità-tempo e problemi relativi al filtraggio…88 6.5 Simulazione di variazioni del flusso sanguigno e relativa analisi mediante i

modelli elaborati………91

CONCLUSIONI………..….92 APPENDICE……….94

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI………….…..……….99