Sviluppo di un protocollo di caratterizzazione poroelastica di asportazioni metastatiche vertebrali: dalle prove sperimentali alla segmentazione 3D

Vertebral metastases are a common complication in cancer patients and can lead to various clinical implications. Among these, one is the increased risk of vertebral fractures, which can occur even in the absence of trauma due to the weakening of bone integrity. These fractures can cause severe pain, spinal instability, and neurological deficits, severely compromising the quality of life of patients. Therefore, the mechanical characterization of vertebral metastatic tissues is essential to understand their biomechanics and develop effective treatments. In this regard, the present Master's Thesis aims to develop a poroelastic characterization protocol for vertebral metastasis resections. Starting from the critical issues encountered in two previous experimental setups, a new experimental setup for confined compression tests was designed and implemented. This setup was subsequently validated by comparing the results, in terms of aggregate modulus and hydraulic permeability, obtained from confined compression tests on 2% agarose gel samples with the results available in the literature. Concurrently, the test and data processing protocols were optimized. An analysis of intra and inter-operator variability concerning these protocols was also conducted. In collaboration with the Carlo Besta Neurological Institute, six samples of vertebral metastases, preserved at a temperature of -80°C, were examined. The analysis focused on evaluating the poroelastic properties of these samples and investigating the influence of radiological classification, the organ of origin of the primary tumor, and the vertebral area of resection on the obtained poroelastic properties. Finally, an analysis was conducted to identify the most suitable software for the manual segmentation of vertebrae affected by metastatic lesions. This analysis was performed by manually segmenting metastatic vertebrae from patient radiographic images.

Le metastasi vertebrali sono una complicanza comune nei pazienti oncologici e possono comportare svariate implicazioni cliniche. Tra queste, vi è l'aumento del rischio di frattura vertebrale, che può verificarsi anche in assenza di traumi, a causa dell'indebolimento dell'integrità ossea. Tali fratture possono causare dolore intenso, instabilità spinale e deficit neurologici, compromettendo gravemente la qualità della vita dei pazienti. Pertanto, la caratterizzazione meccanica dei tessuti metastatici vertebrali è fondamentale per comprendere la loro biomeccanica e sviluppare trattamenti efficaci. A tal proposito, la presente Tesi di Laurea Magistrale si propone di sviluppare un protocollo di caratterizzazione poroelastica delle asportazioni metastatiche vertebrali. Partendo dalle criticità riscontrate in due setup sperimentali precedenti, è stato progettato e realizzato un nuovo setup sperimentale per prove di compressione confinata. Quest'ultimo è stato successivamente validato confrontando i risultati ottenuti tramite prove di compressione confinata su campioni di gel di agarosio al 2% con i risultati presenti in letteratura, in termini di modulo aggregato e permeabilità idraulica. Contestualmente, sono stati ottimizzati i protocolli di prova e di elaborazione dei dati ed è stata condotta un'analisi sulla variabilità intra e inter-operatore relativamente ai protocolli di prova e di elaborazione dei dati. In collaborazione con l'Istituto Neurologico Carlo Besta, sono stati esaminati sei campioni di metastasi vertebrali, conservati a una temperatura di -80°C. L'analisi si è concentrata sulla valutazione delle proprietà poroelastiche di tali campioni e sull'indagine dell'influenza della classificazione radiologica, dell'organo di origine del tumore primario e della zona vertebrale dell'asportazione sulle proprietà poroelastiche ottenute. Infine, è stata condotta un'analisi per identificare il software più adeguato per la segmentazione manuale delle vertebre affette da lesioni metastatiche. Tale analisi è stata effettuata segmentando manualmente vertebre metastatiche a partire dalle immagini radiografiche dei pazienti.