Valutazioni fisiche e cliniche in Risonanza Magnetica multiparametrica nello studio del carcinoma prostatico

Il carcinoma della prostata è la neoplasia più diagnosticata tra gli uomini in Italia. L’antigene specifico della prostata (PSA) e l’esame clinico rappresentano il primo livello di diagnosi della patologia prostatica. Il paziente con un alto livello di PSA viene quindi sottoposto ad un esame bioptico ecoguidato per valutare la presenza o meno del carcinoma; tale approccio bioptico è gravato tuttavia da una elevata quota di falsi negativi in quanto basata su prelievi random che non valutano l’intera ghiandola. Negli ultimi anni la Risonanza Magnetica (RM) multiparametrica si è imposta come efficace strumento nel percorso clinico, nella diagnosi della malattia, nell’imaging post-operatorio e nella sorveglianza attiva del paziente. Inoltre si è rivelato un potente strumento per l’individuazione dei tumori localizzati in zone difficilmente raggiungibili dall’esame bioptico, come le lesioni anteriori della prostata. L’avvento del 3T in campo clinico ha ulteriormente potenziato la metodica in particolare per il migliore rapporto segnale/rumore che caratterizza tale apparecchiatura ad alto campo. L’integrazione delle sequenze morfologiche T1 e T2, con quelle di diffusione (DWI), spettroscopia e perfusione ha reso la RM multiparametrica un valido strumento a supporto della diagnosi del carcinoma prostatico principalmente per quei pazienti negativi alla prima biopsia ma con un alto valore di PSA candidati a seconda biopsia. In tale situazione, l’intervento del radiologo diventa discriminante in termini di localizzazione del secondo prelievo indicando le aree sospette da bioptizzare all’interno della prostata. In un futuro non remoto, l’imaging multimodale di Risonanza Magnetica (RM) potrebbe raggiungere livelli di specificità e sensibilità tali da poter limitare l’esame bioptico a casi selezionati. In quest’ottica il ruolo dell’Esperto in Fisica Medica è di cruciale e duplice importanza. In primo luogo contribuisce al processo di assicurazione di qualità in RM, predisponendo ed attuando protocolli che integrano i controlli di qualità tradizionali con quelli specifici per le innovative tecniche di diffusione e di spettroscopia. In secondo luogo, grazie alla sua specifica formazione universitaria di tipo matematico, riveste un ruolo fondamentale, in ambito ospedaliero, nella messa a punto di metodi di quantificazione e valutazione delle immagini e del dato clinico. A tale scopo è stato effettuato questo lavoro di tesi presso l’“Azienda Ospedaliera per l’Emergenza Cannizzaro” (A.O.E. Cannizzaro) di Catania che ha avuto come obiettivo la predisposizione di un programma di assicurazione di qualità per l’esecuzione delle metodiche di diffusione e spettroscopia e lo studio del ruolo dell’imaging di RM nella diagnosi del carcinoma alla prostata. Si è proceduto ad analizzare i dati relativi a circa 200 pazienti provenienti dalla U.O.C Urologia e sottoposti a RM 3T nel periodo gennaio 2013-dicembre 2015, attraverso la formazione di un gruppo multidisciplinare costituito dal Radiologo, dall’Urologo, dall’Anatomo-patologo e dall’Esperto in Fisica Medica. I parametri ottenuti dall’imaging multimodale sono stati analizzati e confrontati con il Gold Standard, costituito dall’esame bioptico, così da calcolare gli indici di qualità della metodica, come sensibilità, specificità, valore predittivo positivo, valore predittivo negativo ed accuratezza diagnostica. In una seconda fase, si è proceduto ad analizzare i dati quantitativi ottenibili dalla metodica multimodale nella tecnica di diffusione, mediante il coefficiente di diffusione apparente (ADC), e nella tecnica di spettroscopia, mediante i rapporti tra picchi di interesse (colina, creatina e citrato) nello studio della prostata. L’obiettivo è stato quello di individuare possibili biomarker dall’imaging RM della prostata. La prima attività è stata quella della redazione di un programma di assicurazione di qualità che ha riguardato in primo luogo l’interconfronto tra l’immagine proveniente dalla Workstation dell’apparecchiatura e quella trasferita al PACS. Le misure condotte in parallelo sulle due postazioni hanno mostrato una forte differenza nel dato di ADC calcolato sulla Workstation rispetto al PACS. Questo risultato ha messo in evidenza l’importanza di informare il Radiologo sulla necessità che l’ADC venga sempre valutato sulla Workstation per evitare di introdurre dei fattori di scala che inficerebbero la misura. Lo step successivo del programma ha visto l’esecuzione di controlli di qualità specifici in diffusione ed in spettroscopia, all’interno di una collaborazione col Gruppo di Lavoro AIFM di riferimento per la RM. I controlli di qualità in diffusione hanno dimostrato un’indipendenza del valore di ADC dal bmax (ad esempio 1000 e 3000 s/mm2) e dalle modalità di calcolo e la sua riproducibilità giornaliera. I risultati ottenuti hanno evidenziato come l’ADC possa essere calcolato sia dal fit esponenziale di diversi b-value che dal confronto di una coppia tra un segnale a b=0 ed uno a b≠0, trovando delle differenze percentuali massime all’interno del 3%, quindi molto piccole. I controlli di qualità in spettroscopia hanno indicato l’ampiezza del picco come migliore indicatore della presenza di una molecola, che nel caso dei controlli è stata l’acqua. Inoltre hanno indicato la possibilità di ricavare il T2 della molecola dall’acquisizione a TE variabili ed una buona linearità tra l’ampiezza e la FWHM del segnale con il volume. La seconda fase dello studio ha riguardato l’analisi del confronto tra il risultato della RM e l’esito della biopsia prostatica. L’analisi ha confermato il buon risultato in termini di accuratezza diagnostica della metodica di RM multiparametrica (67,0%). Utilizzando una scala di valutazione a 5 punti, il PI-RADS score, e considerando come positivi alla RM i pazienti con uno score tra 4 e 5, l’accuratezza diagnostica raggiunge addirittura il 78,2%. Una successiva analisi, basata sul confronto della singola metodica della RM multiparametrica con l’esito della biopsia, ha sottolineato le criticità della spettroscopia, dovute probabilmente a limitazioni tecnologiche, che potrebbero teoricamente essere compensate aumentando i tempi di acquisizione della parte di spettroscopia; va tenuto però in considerazione che l’esame già attualmente dura circa 40 minuti, pertanto non è sempre possibile. Il passaggio conclusivo sulla quantificazione del dato RM di diffusione ha portato a un risultato clinicamente molto rilevante: l’ADC potrebbe essere un parametro utile nella classificazione dei pazienti. Tramite curva ROC si è ottenuto infatti un valore soglia di 853∙10-3 mm2/s, con un ottimo output di sensibilità e specificità, sotto il quale il paziente può essere considerato positivo, confermando i risultati di letteratura. E’ inoltre stata verificata la possibile correlazione del dato di diffusione con il Gleason Score con buoni risultati soprattutto nel confronto tra i bassi e gli alti gradi. Per quanto riguarda la quantificazione del dato RM di spettroscopia, espresso tramite il rapporto delle aree dei picchi di colina, creatina e citrato, i risultati ottenuti confermano invece la bassa sensibilità della metodica. In un prossimo futuro, la validazione di biomarker in RM potrebbe rendere la metodica sempre più operatore-indipendente. Le prospettive future sono quelle di auspicare una capillarizzazione del programma di garanzia della qualità tra tutti i centri RM coinvolti nella diagnosi del carcinoma prostatico, in modo tale da poter valutare in maniera sempre più indipendente il risultato delle misure effettuate e potere quindi perfezionare il dato quantitativo della RM. Questo lavoro di tesi infine sottolinea anche l’importante ruolo dell’Esperto in Fisica Medica nell’ambito del programma dell’assicurazione di qualità per le recenti tecniche di acquisizione di diffusione e di spettroscopia, ancora prive di protocolli di garanzia della qualità standardizzati. Inoltre mette in evidenza il ruolo di trait d’union ricoperto all’interno del gruppo multidisciplinare (composto dal Radiologo, dall’Urologo e dall’Anatomo-patologo) costituito presso l’A.O.E. Cannizzaro nell’ambito dello studio sulla Risonanza Magnetica multiparametrica della prostata

Selective Neural Entrainment Reveals Hierarchical Tuning to Linguistic Regularities in Reading

Reading is both a visual and a linguistic task, and as such it relies on both general-purpose, visual mechanisms and more abstract, meaning-oriented processes. Disentangling the roles of these resources is of paramount importance in reading research. The present study capitalizes on the coupling of Fast Periodic Visual Stimulation (FPVS; Rossion, 2014) and MEG recordings to address this issue and investigate the role of dierent kinds of visual and linguistic units in the visual word identification system. We compared strings of pseudo-characters (BACS; C. Vidal & Chetail, 2017); strings of consonants (e.g,. sfcl); readable, but unattested strings (e.g., amsi); frequent, but non-meaningful chunks (e.g., idge); suffixes (e.g., ment); and words (e.g., vibe); and looked for discrimination responses with a particular focus on the ventral, occipito-temporal regions. The results revealed sensitivity to alphabetic, readable, familiar and lexical stimuli. Interestingly, there was no discrimination between suffixes and equally frequent, but meaningless endings, thus highlighting a lack of sensitivity to semantics. Taken together, the data suggest that the visual word identification system, at least in its early processing stages, is particularly tuned to form-based regularities, most likely reflecting its reliance on general-purpose, statistical learning mechanisms that are a core feature of the visual system as implemented in the ventral stream

Peribulbar block in equine isolated heads. Development of a single needle technique and tomographic evaluation

Peribulbar block (PPB) has been used in humans as a safer alternative to retrobulbar block (RBB). PBB, depends on the diffusion of anaesthetic solution into the muscle across the connective tissue and it is performed introducing the needle within the extraconal space. The advantages are fewer complications and palpebral akinesia. In Veterinary Medicine few studies describe this technique in dogs (Ahn J 2013) and cats (Shilo-Benjamini et al. 2013). Based on literature the aim of the study is to determinate, in equine specimens, feasibility of inferior PBB with single needle injection, by using contrast medium (CM), and to evaluate thought Computed Tomography (CT) the distribution around the optic nerve (degrees). PBB was performed in 6 orbits. The mixture injected consisted of 20 ml of physiological solution and iodinated CM at 25%. Each periorbital area underwent three CT scans. A basal acquisition to assess the needle position before the injection, a second and third scan were performed immediately after injection, and after application of pressure on the periorbital surface area to promote CM diffusion. The needle position was measured from the tip to the optic nerve with a mean distance of 2,27 mm ± 0,28. The mean volume distribution before pressure application was 23,56 cm3 ± 2,58 and after pressure application was 27,56 cm3 ± 4,8.  The CM distribution, was defined (Nouvellon et al. 2010) “successful” in 4 orbits (>270°) and “inadequate” in 2 orbits (<180°). The present study demonstrates feasibility of inferior PBB by single injection in horses for its simple and practical execution. Inferior PPB is a potential alternative to systemic administration of neuromuscular blocking agents for ophthalmic surgery. However, this approach needs to be evaluate in clinical trials to assess its feasibility and effectiveness in clinical practice for standing procedures

Helical Hydro-Computed Tomography in the diagnosis of pyloric stenosis in two foals

Pyloric stenosis is rarely reported in horses (Bart et al 1980; Bezdecova et al. 2009). Congenital and acquired conditions have been described (Church et al 1986; Heidmann et al 2004; Laing et al. 1992; McGill et al. 1984) clinical suspicion is based on clinical findings while definitive diagnosis is reached by exploratory laparotomy and gastroscopy. The use of other diagnostic techniques has never been described. Two foals were admitted for recurrent abdominal pain. Clinical and ultrasonographic (US) examinations were performed.  Foals underwent Computed Tomography (CT) of the abdomen, both native and Helical Hydro-CT. US revealed mild stomach distension, mild small bowel wall thickening; small intestine obstruction was suspected in both foals. Case 1, two-month old Thoroughbred filly 130 kg of weight: CT showed segmental concentric pylorus stenosis, at the pyloric duodenal junction level. Mild liquid distension of the pyloric antrum and mixed gas and fluid distension of the cranial duodenum. During necroscopy the pyloric antrum showed stenosis due to an inelastic constricting ring reducing the lumen of the pyloric canal. The glandular part presented mild acute catarrhal gastritis. Case 2, three-month old Italian Saddle colt 142 kg of weigh: CT showed small amount of intraluminal hyperattenuanting material within the gastric fundus and duodenum. Hydro-CT highlighted the presence of mild pylorus narrowing, mild distension and moderate mucosal irregularities of the pyloric antrum. An acquired pyloric stenosis secondary to chronic gastritis of unknown origin was suspected. Explorative laparotomy was performed; the antrum was mildly distended and the pylorus appeared narrowed and hard on palpation; gastrojejunostomy was performed. Ante-mortem diagnosis of pyloric stenosis in horses is challenging because aspecific clinical signs. Native CT allowed to investigate both the stomach and the small intestine and, in one case, outlined the presence of pylorus stenosis. In case 2, only Helical Hydro-CT allowed better evaluation of the pyloric thickness. CT and Helical Hydro-CT can be considered a useful diagnostic tool in foal with clinical suspicion of pyloric stenosis.

Correlated 0.01Hz-40Hz seismic and Newtonian noise and its impact on future gravitational-wave detectors

We report correlations in underground seismic measurements with horizontal separations of several hundreds of meters to a few kilometers in the frequency range 0.01Hz to 40Hz. These seismic correlations could threaten science goals of planned interferometric gravitational-wave detectors such as the Einstein Telescope as well as atom interferometers such as MIGA and ELGAR. We use seismic measurements from four different sites, i.e. the former Homestake mine (USA) as well as two candidate sites for the Einstein Telescope, Sos Enattos (IT) and Euregio Maas-Rhein (NL-BE-DE) and the site housing the MIGA detector, LSBB (FR). At all sites, we observe significant coherence for at least 50% of the time in the majority of the frequency region of interest. Based on the observed correlations in the seismic fields, we predict levels of correlated Newtonian noise from body waves. We project the effect of correlated Newtonian noise from body waves on the capabilities of the triangular design of the Einstein Telescope's to observe an isotropic gravitational-wave background (GWB) and find that, even in case of the most quiet site, its sensitivity will be affected up to $\sim$20Hz. The resolvable amplitude of a GWB signal with a negatively sloped power-law behaviour would be reduced by several orders of magnitude. However, the resolvability of a power-law signal with a slope of e.g. $\alpha=0$ ($\alpha=2/3$) would be more moderately affected by a factor $\sim$ 6-9 ($\sim$3-4) in case of a low noise environment. Furthermore, we bolster confidence in our results by showing that transient noise features have a limited impact on the presented results

A straightforward multiparametric quality control protocol for proton magnetic resonance spectroscopy: Validation and comparison of various 1.5 T and 3 T clinical scanner systems

Purpose: The aim of this study was to propose and validate across various clinical scanner systems a straightforward multiparametric quality assurance procedure for proton magnetic resonance spectroscopy (MRS). Methods: Eighteen clinical 1.5 T and 3 T scanner systems for MRS, from 16 centres and 3 different manufacturers, were enrolled in the study. A standard spherical water phantom was employed by all centres. The acquisition protocol included 3 sets of single (isotropic) voxel (size 20 mm) PRESS acquisitions with unsuppressed water signal and acquisition voxel position at isocenter as well as off-center, repeated 4/5 times within approximately 2 months. Water peak linewidth (LW) and area under the water peak (AP) were estimated. Results: LW values [mean (standard deviation)] were 1.4 (1.0) Hz and 0.8 (0.3) Hz for 3 T and 1.5 T scanners, respectively. The mean (standard deviation) (across all scanners) coefficient of variation of LW and AP for different spatial positions of acquisition voxel were 43% (20%) and 11% (11%), respectively. The mean (standard deviation) phantom T2 values were 1145 (50) ms and 1010 (95) ms for 1.5 T and 3 T scanners, respectively. The mean (standard deviation) (across all scanners) coefficients of variation for repeated measurements of LW, AP and T2 were 25% (20%), 10% (14%) and 5% (2%), respectively. Conclusions: We proposed a straightforward multiparametric and not time consuming quality control protocol for MRS, which can be included in routine and periodic quality assurance procedures. The protocol has been validated and proven to be feasible in a multicentre comparison study of a fairly large number of clinical 1.5 T and 3 T scanner systems

Characterizing the Sardinia candidate site for the Einstein Telescope

Due to its unique geophysical features and to the low density population of the area, Sos Enattos is a promising candidate site to host the Einstein Telescope (ET), the third-generation Gravitational Wave Observatory. The geophysical characterization of the Sos Enattos former mine, close to one of the proposed ET corners, started in 2010 with the deployment of seismic and environmental sensors underground. Since 2019 a new extensive array of seismometers, magnetometers and acoustic sensors have been installed in three stations along the underground tunnels, with one additional station at the surface. Beside a new geological survey over a wider area, two boreholes about 270 m deep each were excavated at the other two corners, determining the good quality of the drilled granite and orthogneiss rocks and the absence of significant thoroughgoing fault zones. These boreholes are instrumented with broadband seismometers that revealed an outstanding low level of vibrational noise in the low-frequency band of ET-LF (2-10Hz), significantly lower than the Peterson's NLNM and resulting among the quietest seismic stations in the world in that frequency band. The low seismic background and the reduced number of seismic glitches ensure that just a moderated Newtonian noise subtraction would be needed to achieve the ET target sensitivity. Geoelectrical and active seismic campaigns have been carried out to reveal the features of the subsurface, revealing the presence of small-sized fractured areas with limited water circulation. Finally, temporary arrays of seismometers, magnetometers and acoustic sensors are deployed in the area to study the local sources of environmental noise

Search for gravitational-lensing signatures in the full third observing run of the LIGO-Virgo network

Gravitational lensing by massive objects along the line of sight to the source causes distortions of gravitational wave-signals; such distortions may reveal information about fundamental physics, cosmology and astrophysics. In this work, we have extended the search for lensing signatures to all binary black hole events from the third observing run of the LIGO--Virgo network. We search for repeated signals from strong lensing by 1) performing targeted searches for subthreshold signals, 2) calculating the degree of overlap amongst the intrinsic parameters and sky location of pairs of signals, 3) comparing the similarities of the spectrograms amongst pairs of signals, and 4) performing dual-signal Bayesian analysis that takes into account selection effects and astrophysical knowledge. We also search for distortions to the gravitational waveform caused by 1) frequency-independent phase shifts in strongly lensed images, and 2) frequency-dependent modulation of the amplitude and phase due to point masses. None of these searches yields significant evidence for lensing. Finally, we use the non-detection of gravitational-wave lensing to constrain the lensing rate based on the latest merger-rate estimates and the fraction of dark matter composed of compact objects

Search for eccentric black hole coalescences during the third observing run of LIGO and Virgo

Despite the growing number of confident binary black hole coalescences observed through gravitational waves so far, the astrophysical origin of these binaries remains uncertain. Orbital eccentricity is one of the clearest tracers of binary formation channels. Identifying binary eccentricity, however, remains challenging due to the limited availability of gravitational waveforms that include effects of eccentricity. Here, we present observational results for a waveform-independent search sensitive to eccentric black hole coalescences, covering the third observing run (O3) of the LIGO and Virgo detectors. We identified no new high-significance candidates beyond those that were already identified with searches focusing on quasi-circular binaries. We determine the sensitivity of our search to high-mass (total mass M>70 M⊙) binaries covering eccentricities up to 0.3 at 15 Hz orbital frequency, and use this to compare model predictions to search results. Assuming all detections are indeed quasi-circular, for our fiducial population model, we place an upper limit for the merger rate density of high-mass binaries with eccentricities 0<e≤0.3 at 0.33 Gpc−3 yr−1 at 90\% confidence level