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Please use this identifier to cite or link to this thesis: http://hdl.handle.net/10589/81068

Author: GIRELLI, CARLO
Supervisor: FERRIGNO, GIANCARLO
Scientific Disciplinary Sector: ING-INF/06 BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
Date: 23-Jul-2013
Academic year: 2012/2013
Title: Stand alone intraoperative ultrasound imaging for neurosurgery
Italian abstract: Il campo della neurochirurgia è sempre stato all’avanguardia nell’innovazione e nella ricerca, e la strumentazione per aiutare il neurochirurgo nella cura del malato è molto vasta. Sono attualmente presenti, nelle sale operatorie della neurochirurgia di Verona, dove ho svolto il mio lavoro, il microscopio, il neu- ronavigatore e il monitoraggio neurofisiologico. Nella pratica neurochirur- gica è inoltre possibile ricorrere a metodologie di imaging avanzato in fase di pianificazione dell’intervento, sfruttando la tecnica della trattografia da Dif- fusion Tensor Imaging (DTI). Nella neurochirurgia più che in altre specialità chirurgiche, gli strumenti di imaging sono divenuti essenziali. Un nuovo e vasto campo di ricerca riguarda l’acquisizione di immagini in fase intraop- eratoria le quali possono rivelarsi molto utili poiché forniscono informazioni sullo stato della procedura chirurgica durante l’intervento. Il neurochirurgo è messo nelle condizioni di valutare con più accuratezza la percentuale di rimozione della lesione, oltre alla collocazione spaziale nell’encefalo dell’area di intervento. Esistono diversi strumenti in grado di effettuare imaging in- traoperatorio. I più conosciuti sono radiografie e risonanze magnetiche le quali si distinguono tra alto (> 1.5 Tesla) e basso campo (< 0.8 Tesla). I principali difetti comuni a queste tecniche sono l’alto costo, i lunghi tempi di acquisizione, la necessità di interrompere l’intervento durante l’esame e la realizzazione di immagini che rimangono lontane dall’essere in real-time. Alle tecniche di imaging che sfruttano i raggi X si va inoltre ad aggiungere la problematica della dose a cui sono sottoposti il paziente e gli operatori. In questo studio ho valutato le possibilità offerte dalla tecnica di imaging che sfrutta il principio della ultrasonografia (US). L’imaging intraoperatorio ecografico supera tutti gli svantaggi delle tecniche citate precedentemente, ha costi economici molto inferiori e necessita di tempi di acquisizione molto ridotti. Uno scanner ecografico è venduto a un prezzo di 150, 000 euro più un costo di circa 10,000 euro a sonda, una risonanza magnetica supera il milione di euro, senza contare il costo del necessario adeguamento dei lo- cali. Nella mia esperienza con l’ecografo e in quella di molti altri autori non sono mai stati spesi più di 5 minuti per intervento. Inoltre non neces- sita dell’interruzione dell’intervento chirurgico, non fornisce dose ulteriore al paziente e non è necessario, come per le tecniche che sfruttano il principio di risonanza magnetica, adeguare i locali o le strumentazioni per il suo uti- lizzo. L’unico limite di questa tecnica risiede nella più complessa lettura da parte del chirurgo delle immagini. Questo limite può essere superato con l’esperienza o con un adeguato addestramento. Al contrario, una risonanza magnetica ha tempi di acquisizione molto superiori (mediamente 8 minuti per ogni acquisizione pesata in T1 o in T2), e l’intervento deve essere mo- mentaneamente interrotto. Lo studio è stato svolto presso il dipartimento di neurochirurgia dell’ospedale maggiore di Verona. Nell’ultimo anno questa tecnica è stata testata su un gruppo di pazienti per valutarne l’utilità e l’efficacia. Nel primo capitolo è descritta la situazione del sistema sanitario italiano, per comprendere la necessità di rinnovamento e di innovazione a basso costo. E’ inoltre descritta l’importanza delle tecniche di imaging in neurochirurgia ed esposto lo scopo del lavoro. Nel secondo capitolo si trova la descrizione della fisica degli ultra- suoni allo scopo di comprenderne le interazioni con la materia e la modalità di generazione delle immagini. E’ anche mostrato lo stato dell’arte nell’utilizzo di questa metodologia a livello mondiale. Nel terzo capitolo sono descritti gli strumenti a disposizione e i metodi utilizzati per l’acquisizione delle immagini. Nel quarto capitolo vi è una trattazione delle problematiche riscontrate e delle soluzioni proposte. Sono inoltre analizzati i dati con tecniche statis- tiche. Nel quinto capitolo sono tratte le conclusioni e sono descritti possibili miglioramenti e sviluppi futuri realisticamente perseguibili. In appendice si trovano tutte le immagini estratte e l’analisi dettagliata di esse. Lo studio mostra come l’imaging ecografico intraoperatorio porti informazione real- time fruibile e utile al chirurgo, a tutto beneficio del malato.
English abstract: Neurosurgery has always been at the forefront in innovation and research, and instrumentation to help the neurosurgeon in the care of the patient is very wide. Are currently present in the operating rooms of neurosurgery in Verona, where I did my work, the microscope, the neuronavigation and neu- rophysiological monitoring. In neurosurgical practice is also possible to use advanced imaging methodologies in the planning stage of the intervention, using the technique of tractography from Diffusion Tensor Imaging (DTI). In neurosurgery, more than in other surgical specialties, imaging tools have become essential. A new and large field of research concerns the acquisi- tion of images during surgery which can be very useful because they provide information on the status of the surgical procedure during surgery. The neu- rosurgeon can assess more accurately the proportion of removal of the lesion and the spatial location of the intervention area. There are several technolo- gies that can perform intraoperative imaging. The best known are X-rays and MRIs which are distinguished between high (> 1.5 Tesla) and low-field (<0.8 Tesla). The main issues common to these techniques are the high cost, the acquisition times, the need to interrupt the operation during the exam and the creation of images that remain far from being in real-time. Imaging techniques that use X-rays also add to the problem of the dose to which patient and operators are subjected. In this study I evaluated the possibil- ities offered by the imaging technique that uses the principle of ultrasound (US). The intraoperative ultrasound imaging overcomes all disadvantages of the techniques mentioned above. It costs much lower and requires littler acquisition times. An ultrasound scanner is sold at a price of 150, 000 euros plus a cost of around 10,000 euros for each probe. An MRI scanner costs over than a million euros, not counting the cost of the necessary adaptation of the rooms. In litterature, and in my experience, more than 5 minutes per intervenction with ultrasound, have never been spent. Ultrasound does not require the interruption of surgery, does not provide further dose to the pa- tient and is not necessary, as for techniques that use the principle of magnetic resonance, adapt the rooms or the instrumentation for its use. The only lim- itation of this technique resides in the more complex reading by the surgeon of the images. This limitation can be overcome with the proper training or experience. In contrast, an MRI acquisition times is much higher (average 8 minutes per each T1 or T2 weighted acquisition), and the operation must be stopped. This study was carried out at the department of neurosurgery of Verona. In the last year, this technique was tested on a group of patients to evaluate its usefulness and effectiveness. The 1st chapter describes the state of the Italian health care system, to understand the need of renewal and innova- tion at low cost. It is also described the importance of imaging techniques in neurosurgery and exposed the purpose of the work. 2nd chapter contains a description of the physics of ultrasound, in order to understand the interac- tions with tissues and image generation. Is also shown the state of the art in the use of this methodology. 3rd chapter describes the tools available and the methods used to acquire the images. In the 4th chapter there is a discussion of problems encountered and solutions proposed. They also analyzed the data using statistical techniques. In the 5th chapter the conclusions are drawn and described possible improvements and future developments. Appendix contains all the extracted images and detailed analysis of them. The study shows that intraoperative ultrasound imaging brings real-time information accessible and useful to the surgeon, for the benefit of the patient.
Italian keywords: neurochirurgia; ultrasuoni; correlazione MRI-US; imaging intraoperatorio in tempo reale; elaborazione di immagini
English keywords: neurosurgery; ultrasound; correlation MRI-US; real time intraoperative imaging; image processing
Language: eng
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