Processing and analysis of hyperspectral images acquired during laser thermal ablation of biological tissues

Recent researches investigate the use of hyperspectral imaging technology in the field of medicine, due to the fact that it is a non-invasive technology that allows the study of diverse pathologies and morphological changes that may occur in different tissues, as well as serve as a control tool in many kind of surgeries. In this work, it is investigated the use of hyperspectral technology and is analysed the spectral data collected in the process of a laser ablation procedure - a minimally invasive technique that allows, thanks to the increase in temperature produced by a laser beam, the necrosis of malignant cells - performed on a porcine liver. The objectives of this research, therefore, lie in the creation of computational tools that allow to study and process the spectral data acquired during the therapy, analyse how the different chromophores of the porcine liver tissue vary (oxyhaemoglobin, deoxyhaemoglobin, methaemoglobin and water), and identify indicators that allow to detect and control the changes in temperature produced during the ablation procedure. After a theoretical review of the main optical characteristics of the tissues, the hyperspectral technology and its uses in medical scenario, and the different hyperspectral image processing methods; it is achieved a variational study of the spectral curves, by means of an iterative work methodology that goes through image filtering, reduction of spectral information, compensation of the respiratory movement of the animal, and fitting of the curves. Finally, relevant indicators that allow to monitor and control changes in temperature during a laser ablation were identified.

In letteratura scientifica, recentemente sono stati pubblicati articoli che indagano la possibilità di utilizzare l’analisi di immagini iperspettrali nel campo della medicina. Questa tecnologia è completamente non invasiva e costituisce un valido ausilio allo studio di diverse patologie, associate a cambiamenti morfologici che possono verificarsi in diversi tessuti. Inoltre, l’analisi di immagini iperspettrali è uno strumento di controllo utilizzabile in molti tipi di interventi chirurgici. In questo lavoro viene studiato l’uso della tecnologia iperspettrale per l’analisi dell’avanzamento del processo di ablazione laser - una tecnica minimamente invasiva che permette, grazie all'aumento della temperatura localizzato prodotto da un raggio laser, la necrosi di cellule maligne. In questo lavoro l’analisi è applicata a dati sperimentali riferiti ad ablazione eseguita su un fegato di suino. Gli obiettivi di questa ricerca, in particolare, consistono nella creazione di strumenti di analisi dei dati iperspettrali acquisti durante la terapia di ablazione, analizzando come variano durante il processo, i diversi cromofori del fegato di suino (ossiemoglobina, deossiemoglobina, metaemoglobina e acqua). Nel lavoro vengono inoltre, definiti degli indicatori che consentono di rilevare e controllare le variazioni di temperatura prodotte durante la procedura di ablazione, al fine di poter identificare l’avanzamento della procedura stessa, a partire dalle analisi di immagini iperspettrali. Dopo un esame teorico delle principali caratteristiche ottiche dei tessuti, della tecnologia iperspettrale e dei suoi usi in ambito medico, nonché dei diversi metodi di elaborazione delle immagini iperspettrali, il lavoro affronta uno studio variazionale delle curve spettrali, mediante una metodologia di lavoro iterativa che passa attraverso il filtraggio delle immagini, la riduzione delle informazioni spettrali, la compensazione del movimento respiratorio dell'animale, e l’approssimazione delle curve con funzioni predefinite al fine di ridurre l’effetto del rumore di misura. Infine, vengono proposti degli indicatori sintetici consentono di misurare e tracciare i cambiamenti di temperatura durante lo svolgimento dell’ablazione laser.