Sviluppo di un dispositivo per la quantificazione delle proprietà viscoelastiche dei tessuti nei pazienti affetti da linfedema

The present work aimed to develop an electronic device, called tonometer, able to quantify the stage of the lymphedema and to evaluate the presence or not of an improvement after a treatment. Lymphedema is a chronic condition characterized by swelling of body tissues due to accumulation of lymphatic fluids; it can develop in every part of the body but generally involves arms and legs. The causes of this pathology are due to surgical cuts or removal of lymphatic nodes, infections, cancer or radiotherapy. To improve the conditions of patients with lymphedema, the treatments of this disease are many and are divided into surgical and non-surgical: the first include microsurgical operations, liposuction, surgical resection and transplantation of lymph nodes, instead the latter are physical treatments, physiological rehabilitation and taking drugs. For each patient subjected to the listed treatments, an assessment of the volume of the limbs before, during and after the treatment is necessary to verify the efficacy and the improvements, if present, of the edematous limb. Measurement techniques include perometry, water displacement, longitudinal circumferential measurements with tape, biolectrical impedance analysis (BIA), imaging techniques, ultrasound or magnetic resonance and tonometry. The latter is based on the same concept of the clinical test "sign of the fovea" in which, after a digitopressure, the time and the depth of the depression formed in the tissue is evaluated by the doctor. However, this test is subjective and qualitative. With the aim of overcoming these limits, tonometry has been introduced, a quantitative method that accurately and repeatably measures the stages and variation over time of the compressibility and consistency of the tissues subjected to the action of a standardized weight. Following compression, the lymphedema tissue initially has an elastic response, similar to that of healthy tissue. Over time, due to the presence of fluids in movement, this response becomes viscous, differentiating itself from that of healthy tissue. On the basis of the works present in literature, in this thesis a tonometer has been developed with the basic principle to give an initial compression to the tissue, maintain the indentation value reached and record the decrease of the reaction force. In particular, the force is applied to the tissue with a slider that goes down to the skin, giving pressure in the tissue. The force value is measured by a sensor connected to a microcontroller, programmed to stop the cursor after reaching an established force of 200 g and keeping it in position for 60 seconds. After this time, the slider goes down again, bringing the force back to the reference value, in order to have a measure of the yielding of the tissue. The lowering and lifting of the slider is obtained thanks to a system composed of 3 plastic strips (one for lifting and two for lowering) and an electric motor connected to a wheel, which allows to change the motion from rotary to translational. In order to evaluate the viscoelastic properties of tissues affected by lymphedema, parameters were chosen, such as: indentation at the desired strength and after 60s, the Tissue Compressibility Index (ICT) and the time constant of the decay of the force. The tests to verify the correct functioning of the device have been divided into tests on materials and tests on healthy subjects. The first allowed to establish that there aren’t statistically significant differences between the measurements obtained with tonometer placed vertically and the data obtained with a horizontal tonometer. The second, on the other hand, were subdivided into two acquisition modalities (A and B) and allowed to verify the repeatability of the risults obtained, as well as the presence of memory also in healthy tissues. Mode A consists of a single acquisition in each established point repeated for 5 consecutive days; Mode B, instead, provides 8 consecutive tests performed on the same point of acquisition. Both modes were conducted by the same operator. From the tests carried out on sponges, the instrument has proved not to be influenced by the different positions (horizontal or vertical) chosen during the acquisition. From the tests on healthy subjects, the repeatability of the results and the ability of the device to differentiate the different tissue responses was verified. From the results achieved, the tonometer proved to be suitable for use on lymphedema patients both for a quantitative measurement of the degree of lymphedema and for a study of the viscoelastic properties of the pathological limbs. After verifying the memory of healthy tissue which, with the succession of tests tends to stiffen because it applies resistance to the movement of interstitial fluid, it would be interesting to know also the response of tissues affected by lymphedema with the same type of tests (mode B). Finally, the comparison of the memory time between healthy tissue and pathological tissue could allow a better characterization of the edematous limb, allowing a more accurate classification of the lymphedema stage.

Il presente lavoro di tesi nasce con lo scopo di sviluppare un dispositivo elettronico, definito tonometro, in grado di quantificare lo stadio del linfedema nonché valutare la presenza o no di un miglioramento dopo un trattamento. Il linfedema è una condizione cronica caratterizzata dal rigonfiamento dei tessuti del corpo a causa di un accumulo di fluidi linfatici; può svilupparsi in ogni parte corporea ma generalmente coinvolge braccia e gambe. Le cause di questa patologia sono riconducibili a tagli chirurgici o rimozione di nodi linfatici, infezioni, cancro o radioterapia. Per migliorare le condizioni dei pazienti affetti da linfedema i trattamenti di questa patologia sono molteplici e si dividono in chirurgici e non chirurgici: i primi comprendono operazioni microchirurgiche, liposuzione, resezione chirurgica e trapianto di linfonodi, invece i secondi sono trattamenti fisici, riabilitazione fisiologica e assunzione di farmaci. Per ogni paziente sottoposto ai trattamenti elencati, è necessaria una valutazione del volume degli arti prima, durante e dopo il trattamento per verificare l'efficacia e i miglioramenti, se presenti, dell'arto edematoso. Le tecniche di misurazione comprendono la perometria, lo spostamento dell'acqua, misure circonferenziali longitudinali con nastro, l’analisi di impedenza biolettrica(BIA), le tecniche di imaging, ultrasuoni o risonanza magnetica e tonometria. Quest’ultima si basa sullo stesso concetto del test clinico “segno della fovea” in cui a seguito della digitopressione viene valutato dal medico sia il tempo che la profondità della depressione formatasi nel tessuto. Questo test però risulta essere soggettivo e qualitativo. Con l’obiettivo di superare questi limiti è stata introdotta la tonometria, metodo quantitativo che misura in maniera precisa e ripetibile il grado e la variazione nel tempo della comprimibilità e la consistenza dei tessuti sottoposti all’azione di un peso standardizzato. In seguito a una compressione, il tessuto affetto da linfedema ha inizialmente una risposta elastica, simile a quella del tessuto sano. Con il passare del tempo, a causa della presenza di fluidi in movimento, tale risposta diviene viscosa, differenziandosi da quella del tessuto sano. Sulla base dei lavori presenti in letteratura, in questa tesi è stato sviluppato un tonometro il cui principio base è quello di dare una compressione iniziale al tessuto, mantenere il valore di indentazione raggiunto e registrare la diminuzione della forza di reazione. In particolare, la forza è applicata al tessuto grazie a un cursore il cui abbassamento permette la pressione di un tastatore sulla pelle. Il valore di forza è misurato da un sensore connesso a un microcontrollore, programmato per fermare il cursore una volta raggiunta una forza stabilita di 200 g e di mantenerlo in posizione per 60 secondi. Trascorso questo tempo prestabilito, il cursore viene fatto indentare ulteriormente, riportando la forza al valore di riferimento, per avere una misura della cedevolezza del tessuto. L’abbassamento e il sollevamento del cursore è ottenuto grazie a un sistema composto da 3 fascette di plastica (una per il sollevamento e due per l’abbassamento) e un motorino elettrico connesso a una rotella, che permette così il passaggio da moto rotatorio a moto traslatorio. Per poter valutare le proprietà viscoelastiche dei tessuti affetti da linfedema, sono stati scelti dei parametri quali: l’indentazione al raggiungimento della forza desiderata e dopo 60s, l’Indice di Comprimibilità Tissutale (ICT) e la costante di tempo del decadimento della forza. Le prove per verificare il corretto funzionamento del dispositivo sono state suddivise in prove su materiali e prove su soggetti sani. Le prime hanno permesso di stabilire che non vi è alcuna differenza statisticamente rilevante tra le misure ottenute con tonometro posto in verticale e quelle ottenute con tonometro posto orizzontalmente. Le seconde invece sono state suddivise in due modalità di acquisizioni (A e B) ed hanno permesso di verificare la ripetibilità dei risultati nonché la presenza di memoria anche da parte di tessuti sani. La modalità A è composta da una singola acquisizione per ciascun punto stabilito ripetuta per 5 giorni successivi; quella B, invece, prevede 8 prove consecutive eseguite sullo stesso punto di acquisizione. Entrambe le modalità sono state condotte dallo stesso operatore. Dalle prove effettuate sulle spugne, lo strumento ha dimostrato di non essere influenzato dalle diverse posizioni (orizzontale o verticale) scelte durante l’acquisizione. Dalle prove su soggetti sani invece, è stata verificata la ripetibilità dei risultati e la capacità del dispositivo di differenziare le diverse risposte dei tessuti. Alla luce dei risultati raggiunti, il tonometro si è rivelato idoneo per essere usato su pazienti affetti da linfedema sia per una misurazione quantitativa del grado di linfedema sia per uno studio delle proprietà viscoelastiche degli arti patologici. Dopo aver verificato la memoria del tessuto sano che, con il susseguirsi delle prove tende ad irrigidirsi perché applica una resistenza allo spostamento del liquido interstiziale, sarebbe interessante conoscere anche la risposta dei tessuti affetti da linfedema con lo stesso tipo di prove (modalità B). Infine, il confronto del tempo di memoria tra tessuto sano e tessuto patologico potrebbe consentire una migliore caratterizzazione dell’arto edematoso, permettendo una più accurata classificazione dello stadio del linfedema.