Dottorato di ricerca in Medicina materno-infantile, pediatria dell'educazione, dello sviluppo e perinatologia presso il Dipartimento di Scienze della Riproduzione e dello Sviluppo XXII Ciclo Titolo della tesi Progettistica hardware e software nell’applicazione della topografia ottica sul neonato: valutazione dei rapporti anatomici tra punti di repere esterni e aree anatomico-funzionali cerebro-corticali Cordinatore Andrea Clarici Dottorando Stefano Massaccesi

Obiettivi Generali Il mio lavoro di tesi è finalizzato ad ottimizzare il sistema ossimetro NIRS Hitachi ETG 100 per lo specifico utilizzo con i neonati sia nati a termine che prematuri per renderlo il più funzionale possibile all’acquisizione dei dati realizzata ed esposta dai miei colleghi dottorandi.

La tesi si presenta articolata in due parti: Sezione teorica Conoscenze anatomico funzionali di base del cervello Corteccia cerebrale e emodinamica tissutale Differenze principali tra cervello adulto e quello del neonato

Segue la descrizione delle principali tecniche di imaging e l’introduzione della tecnica NIRs. Emodinamica dei tessuti biologici Emodinamica cerebrale Proprietà ottiche dei tessuti Leggi fisiche alla base di assorbimento e scattering

Sezione pratica (divisa in due sezioni) La parte pratica della prima sezione è rivolta alla progettazione e realizzazione del supporto (cuffia o probe) per le fibre ottiche, da utilizzare con gli infanti, sia nati a termine che pre-termine. Leggi fisiche alla base del trasporto del segnale luminoso Aspetti anatomico funzionali della superficie cranica del neonato Cuffia Base Cuffia Malleabile Cuffia Deformabile

La parte pratica della seconda ed ultima sezione è rivolta alla progettazione e realizzazione di un software per rilevare i punti di repere e agevolare il corretto posizionamento della cuffietta sulla testina del neonato, in base alle aree indagate. Ricerca e valutazione del software preesistente Installazione e test di vari programmi di fotoritocco e Dicom Medical Viewer Selezione dei programmi adatti

Dal progetto è stato sviluppato il programma S. T. B. M Dal progetto è stato sviluppato il programma S.T.B.M. (System 10-20 Topographic Brain Mapping ver. n. 8). Installazione di ImageJ Installazione di BrainVoyager Brain tutor Reperimento delle immagini Dicom di un campione di neonati Realizzazione, tramite ImageJ e le immagini Dicom, delle prospettive laterale, frontale, superiore e posteriore del cranio del neonato da utilizzare come modellino universale nel programma S.T.B.M. Realizzazione, tramite BrainVoyager, delle prospettive laterali, frontale, superiore e posteriore del cervello Realizzazione e test del software S.T.B.M., compilato e completo di installatore

Il prgramma S.T.B.M. consente di visualizzare sulle prospettive laterali, frontale, posteriore e superiore di un modellino di cervello, i punti principali del sistema di riferimento 10 - 20 insieme a 9 cerchietti colorati che rappresentano i 9 optodi della cuffietta per le fibre ottiche (12 canali). La distanza interoptodica può essere variata in base alla dimensione cranica soggettiva e i 9 optodi possono essere spostati simultaneamente e sovrapposti all’area cerebrale indagata. Ogni canale della cuffia può essere evidenziato tramite una linea rossa in base al paradigma sperimentale cioè all’area cerebrale che si ipotizza si attivi maggiormente durante il compito sperimentale.

Il modellino di cervello è ricavato ogni volta dal programma BrainVojager Brain Tutor, in base all’area cerebrale sotto indagine, che consente di visualizzare, su un cervello tridimensionale, solchi, circonvoluzioni e aree di Brodmann con relative funzioni e localizzazioni. Consente inoltre di esportare in formato immagine le varie prospettive di cervello visualizzate, che sono poi importate in S.T.B.M.

Tramite il programma S. T. B. M Tramite il programma S.T.B.M., ogni prospettiva del cervello è sovrapposta automaticamente e messa in secondo piano, rispetto alla corrispondente prospettiva di un modellino di cranio di neonato, costruito selezionando le immagini DICOM relative ad un campione di soggetti neonati sottoposti a risonanza magnetica. Tramite le prospettive craniche il programma S.T.B.M. calcola le dimensioni e proporzioni del cranio, per poter ricostruire sul cervello, i punti principali del sistema 10 - 20. Il programma chiede di inserire una o più lunghezze relative alla distanza Nasion Inion, A1 A2 o circonferenza cranica, misurate direttamente sulla testina del bambino. Se si inseriscono tutte e tre le misure, il programma risulta più preciso dato che nessuna lunghezza viene calcolata a partire dalle altre.

4,72 cm 12,7 cm S.T.B.M. fornisce le distanze in cm e mm tra i punti del sistema 10 - 20 ed inoltre le distanze tra i rispettivi punti di origine (Nasion – Inion, A1 – A2). Sovrapponendo uno dei nove cerchietti colorati rappresentanti gli optodi, ad uno dei punti del sistema 10 – 20 rappresentato dal programma e avendo a disposizione le distanze tra i punti e i rispettivi punti di origine, consente di posizionare correttamente la cuffietta sulla testina dell’infante, rintracciando un solo punto, quello su cui sovrapporre lo stesso optodo mostrato dal programma S.T.B.M.

Area cerebrale corrispondente Canale n. 3 Area cerebrale corrispondente Se i canali attivi non corrispondono a quelli dell’ipotesi sperimentale, tramite S.T.B.M., è posibile esportare l’immagine con l’area cerebrale indagata e i relativi canali della cuffia. Tale immagine, confrontata con quella di BrainVoyager Brain Tutor, consente di conoscere velocemente l’area cerebrale effettivamente attiva durante il compito sperimentale e compiere le relative inferenze ed ipotesi prima di procedere con la fase sperimentale.

Riassumendo La tesi è rivolta a coloro che utilizzano come tecnica di indagine dei tessuti biologici la spettroscopia nel vicino infrarosso (Near Infrared Spettroscopy). Fornisce le conoscenze alla base del meccanismo di azione della spettroscopia e le competenze per adattare lo strumento allo studio di superfici tissutali molto piccole e a volte irregolari, come la superficie cranica di un neonato, sia nato a termine che pre-termine. Descrive i materiali utilizzati per la realizzazione delle cuffiette per infanti e per adulti includendo la tecnica di lavorazione e la relativa strumentazione. Fornisce il software compilato per il corretto posizionamento della cuffietta sulla testina dell’infante, con le istruzioni passo passo per utilizzarlo, comprese le istruzioni per creare le varie prospettive del cervello in base alle aree indagate.

CONCLUSIONI La capacità di adattare lo strumento alle singole e specifiche esigenze sperimentali, offre il vantaggio di consentire al ricercatore di testare condizioni sperimentali non previste dall’apparato strumentale. La possibilità di ottimizzare il setting sperimentale sia in termini di tempo di preparazione che di esecuzione dell’esperimento, aumenta la probabilità che i soggetti riescano a portare a termine l’esperimento e la possibilità di testare un campione maggiore di soggetti. L’applicazione di tecniche ottiche offre la possibilità di rapide immagini funzionali e dispositivi in tempo-reale, con la caratteristica fondamentale di non recare alcun danno al soggetto durante l’analisi.