TECNICHE TOMOGRAFICHE INNOVATIVE CON LUCE DI SINCROTRONE

1999/2000Il lavoro di tesi qui riassunto ha riguardato lo studio, lo sviluppo e l'utilizzo di un sistema per tomografia con luce di sincrotrone presso la macchina di luce di sincrotrone Elettra di Trieste. La potenza della tecnica di imaging diagnostico detta Tomografia Assiale Computerizzata (TAC) o Computed Tomography (CT) fu chiara fin dalla sua scoperta all'inizio degli anni Settanta. Essa consentì, infatti, di superare la principale limitazione dell'imaging diagnostico planare, e cioè la mancanza di informazione sulla profondità di una struttura all'interno del paziente. Grazie alla disponibilità di calcolatori sempre più potenti e di tecnologie sempre più avanzate, gli apparati TAC clinici attuali consentono di ottenere, con scansioni di pochi secondi di durata, immagini con risoluzione spaziale dell'ordine di 10 coppie di linee/cm. Sistemi dedicati a studi particolari di microtomografia consentono una risoluzione spaziale dell'ordine delle decine di p,m. Recentemente, sono state studiate diverse applicazioni della luce di sincrotrone alla tomografia, poiché i fasci di raggi X monocromatici e altamente collimati ottenibili da una macchina di luce di sincrotrone appaiono uno strumento ottimale per questo tipo di indagine radiologica: infatti, la monocromaticità del fascio consente da un lato di ridurre la dose ceduta al campione e dall'altro di evitare l'uso di algoritmi di correzione degli artefatti dovuti all'indurimento del fascio; inoltre, grazie alla divergenza angolare molto piccola di un fascio di luce di sincrotrone, non si rendono necessarie correzioni geometriche agli algoritmi di ricostruzione per tenere conto della divergenza del fascio. Inoltre, sono state applicate alla tomografia tecniche tipiche della radiologia con luce di sincrotrone, e possibili grazie all'elevata coerenza spaziale della sorgente, quali il contrasto di fase e la Diffraction Enhanced Imaging (DEI): esse si basano sulla rivelazione degli effetti dovuti non all'assorbimento del fascio, come nell'imaging convenzionale, ma allo sfasamento subito dall'onda incidente nell'attraversamento del campione. Attualmente, però, nessuno studio è stato fatto per valutare l'applicabilità della tomografia alla mammografia, ambito diagnostico particolarmente delicato, poiché la necessità di una diagnosi precoce porta a dover individuare dettagli di dimensioni molto piccole o di contrasto molto basso mantenendo i livelli di dose quanto più bassi possibile per minimizzare il rischio di carcinogenesi indotta. La possibilità di impiegare fasci di raggi X monocromatici rende pensabile un impiego in mammografia della tomografia, poiché, come già dimostrato per la mammografia planare, selezionando una banda energetica molto stretta, si evita la cessione di dose da parte di componenti che contribuiscono in minima parte alla formazione dell'immagine. Questa tesi di dottorato è stata svolta nell'ambito della collaborazione SYRMEP, che ha realizzato presso la macchina di luce di sincrotrone ELETTRA a Trieste una beamline dedicata a uno studio di fattibilità di mammografia con fasci di raggi X monocromatici. Una delle attività più recenti della collaborazione si è svolta nell'ambito di un programma di cofinanziamento MURST coinvolgente le università di Ferrara, Trieste, Roma e Bologna per la realizzazione di un sistema integrato per mammografia TAC con fasci di raggi X quasimonocromatici e scintigrafia. Il ruolo del gruppo di Trieste all'interno di questa collaborazione era quello di fornire immagini che, grazie alle caratteristiche ottimali della radiazione di sincrotrone, fungessero da golden standard per le immagini acquisite con fasci quasi-monocromatici ottenibili da tubi a raggi X convenzionali mediante cristalli a mosaico. Il lavoro qui presentato si è sviluppato a partire da questo progetto: oltre a progettare, realizzare e studiare l'apparato impiegato per l'acquisizione di immagini di riferimento per l'esperimento TOMO-SPECT, si è valutata l'applicabilità diretta della tomografia con luce di sincrotrone alla mammografià. Inoltre, si sono studiate le modalità di utilizzo in tomografia della Diffraction Enhanced Imaging, già utilizzata nell'imaging planare: essa consente di ottenere informazione radiologica anche dalla radiazione diffusa, che nell'imaging convenzionale si vuole solitamente eliminare. Si è valutata, in particolare, la possibilità di impiegare anche questa tecnica in mammografia studiando la visibilità di dettagli di interesse mammografico e la dose ceduta per visualizzarli. Nel primo capitolo della tesi vengono presentate nel dettaglio le motivazioni dell'esperimento SYRMEP, le problematiche tipiche della mammografia convenzionale e le soluzioni proposte da SYRMEP. Vengono descritti la linea di luce SYRMEP a Elettra e i due sistemi di rivelazione utilizzati: un rivelatore laminare a pixel di silicio progettato appositamente per l'esperimento SYRMEP e un rivelatore bidimensionale commerciale di tipo a fosfori fotostimolabili, o imaging plate. Dei due rivelatori viene discussa in particolare l'efficienza al variare dell'energia, fondamentale per individuare l'energia ottimale di lavoro. Infine, si descrivono le motivazioni e gli obiettivi della collaborazione TOMO-SPECT: l'esperimento nasce dalla necessità di integrare l'informazione morfologica fornita dalla TAC a raggi X con quella funzionale fornita dalla scintigrafia. Inoltre, le immagini a raggi X sono utili a fornire una mappa precisa della distribuzione dei coefficienti di attenuazione dei materiali per effettuare correzioni alle immagini scintigrafiche. Nel secondo capitolo, dopo una trattazione teorica dei principi della ricostruzione tomografica e della tecnica di retroproiezione filtrata, si riportano i risultati di simulazioni volte a individuare l'intervallo di fluenza di fotoni incidenti sul campione entro il quale il rapporto segnale-rumore di un dettaglio cresce come √N come avviene nell'imaging planare. Si sono, inoltre, studiate le caratteristiche dei vari filtri impiegati per la ricostruzione dell'immagine e si sono valutati i filtri in grado di massimizzare il rapporto segnale-rumore di diversi dettagli di interesse mammografico. Il terzo capitolo presenta nel dettaglio le caratteristiche dell'apparato sperimentale progettato e poi realizzato per l'acquisizione di immagini tomografiche: si descrive, in particolare, la simulazione scritta per definire l'errore massimo tollerabile sulla non ortogonalità dell'asse di rotazione rispetto al piano del fascio. Successivamente, si presentano gli studi condotti per estendere alla geometria tomografica il concetto di dose ghiandolare media (DG M), comunemente usato per quantificare il danno ai tessuti in mammografia planare; sono state effettuate misure con dosimetri a termoluminescenza per determinare la distribuzione della dose in profondità all'interno dell'organo, e si è individuata una procedura per calcolare la dose che sarebbe necessaria cedere ad una mammella di diametro 12 cm per avere un rapporto segnale-rumore pari a quello ottenuto sperimentalmente in immagini di oggetti di piccole dimensioni contenenti dettagli di interesse mammografico. Si è inoltre studiata, per ciascuno dei due rivelatori e per dettagli di interesse sia della mammografia tomoagrafica raggi X, sia della SPECT, la figura di merito, grandezza che consente di determinare l'energia ottimale per minimizzare la dose ceduta a parità di informazione radiologica. Successivamente, si presentano le immagini di due oggetti-test progettati per valutare la risoluzione spaziale e la risoluzione in contrasto dei due rivelatori e per definire i parametri ottimali di scansione quali numero di proiezioni e tempi di acquisizione. Sulle immagini dell'oggetto-test utilizzato per valutare la risoluzione in contrasto si è verificata la capacità degli algoritmi di ricostruzione di riprodurre correttamente i coefficienti di attenuazione di materiali per i quali fossero reperibili dati in letteratura. Infine, per dimostrare la versatilità dell'apparato e degli algoritmi di ricostruzione studiati, si mostrano i risultati di alcuni studi di fattibilità di tomografia non concernenti la mammografia: tomografia di piccoli animali, di campioni di osso e di materiali compositi delle cui componenti si vuole determinare l'abbondanza. Nel quarto capitolo si valuta l'applicabilità alla tomografia della Diffraction Enhanced Imaging (DEI). Mediante l'uso di un cristallo di silicio uguale al monocromatore della linea posto tra il campione e il rivelatore, è possibile ottenere o immagini prive della componente di scattering oppure immagini in cui le componenti diffuse sono diversamente pesate. Si è valutata l'applicazione della DEI alla tomografia in due differenti casi: la rivelazione di effetti di bordo dovuti a repentine variazioni dell'indice di rifrazione nella direzione verticale e lo studio di effetti di modulazione del contrasto dovuti alla forma diversa delle curve di scattering di diversi materiali. Nel primo caso, la DEI ha consentito di completare l'informazione ottenuta dalla tomografia in assorbimento, grazie alla possibilità di risalire alla direzione di inclinazione di una struttura. Nel secondo caso, è stato possibile visualizzare dettagli non visibili con l'imaging in trasmissione, e misurare, combinando le immagini di scattering con l'immagine di puro assorbimento, le sezioni d'urto differenziali dei materiali presenti nell'oggetto test. Lo studio degli effetti di modulazione del contrasto è stato inoltre applicato ad un caso particolare, detto DEI digitale, della tecnica detta Digitai Phase Contrast; la DEI digitale consiste nell'acquisizione di immagini con effetti simili a quelli della DEI semplicemente disallineando il rivelatore laminare progettato per l'esperimento SYRMEP rispetto al fascio. Gli studi effettuati hanno provato non solo la possibilità di applicare, grazie all'impiego della luce di sincrotrone, la tomografia a un campo della radiologia critico come quello mammografico, ma anche di ottenere informazioni ulteriori, con modesti aumenti della dose, tramite l'uso di tecniche diverse da quelle impiegate nell'imaging convenzionale. Se gli stessi vantaggi verranno osservati su immagini di campioni in vitro, sarà pensabile l'applicazione della tomografia in assorbimento e con effetti di fase anche alla mammografia in vivo.XIII Ciclo1971Versione digitalizzata della tesi di dottorato cartacea

Repopulation by endogenous hepatocytes does not reconstitute liver mass in rats treated with retrorsine.

The retrorsine (RS)-based model for massive liver repopulation was laid on the hypothesis that transplanted cells can proliferate in the recipient liver if the growth capacity of endogenous hepatocytes is persistently impaired. In order to directly test this hypothesis, we examined the long-term response to 2/3 partial hepatectomy (PH) in rats pretreated with RS, according to the protocol for liver repopulation. Rats were given RS or saline and 4 weeks later they underwent PH; they were killed up to 16 weeks thereafter. Liver weights, liver DNA, and protein content were significantly lower in the RS group throughout the experimental time considered (e.g., at 16 weeks post-PH relative liver weight was 1.99 ± 0.30% in RS group vs. 3.06 ± 0.5% in controls). Regenerative nodules were present in RS-treated livers; they occupied about 3% of the liver at 2 weeks post-PH and this value increased to nearly 50% at 8 weeks and to >95% at 16 weeks. In conclusion, RS-treated rat liver is unable to recover its original mass for several months following PH, despite the development of regenerative nodules. This long-lasting effect is likely to contribute to the growth of transplanted hepatocytes, leading to massive liver repopulation

Aging is associated with increased clonogenic potential in rat liver in vivo

Summary Cancer increases with age and often arises from the selective clonal growth of altered cells. Thus, any environment favoring clonal growth per se poses a higher risk for cancer development. Using a genetically tagged animal model, we investigated whether aging is associated with increased clonogenic potential. Groups of 4-, 12-, 18-, and 24-month-old Fischer 344 rats were infused (via the portal vein) with 2 × 106 hepatocytes isolated from a normal syngenic 2-month-old donor. Animals deficient in dipeptidyl-peptidase type IV (DPP-IV–) enzyme were used as recipients, allowing for the histochemical detection of injected DPP-IV+ cells. Groups of animals were sacrificed at various times thereafter. No growth of DPP-IV+ transplanted hepatocytes was present after either 2 or 6 months in the liver of rats transplanted at young age, as expected. In striking contrast, significant expansion of donor-derived cells was seen in animals transplanted at the age of 18 months: clusters comprising 7–10 DPP-IV+ hepatocytes/cross-section were present after 2 months and were markedly enlarged after 6 months (mean of 88 ± 35 cells/cluster/cross-section). These results indicate that the microenvironment of the aged liver supports the clonal expansion of transplanted normal hepatocytes. Such clonogenic environments can foster the selective growth of pre-existing altered cells, thereby increasing the overall risk for cancer development associated with aging

Wandering spleen with a ten-time twisted vascular pedicle

Torsion of a wandering spleen is a rare cause of acute abdomen in children, usually diagnosed with color-Doppler ultrasonography and enhanced computed tomography. We report a pediatric case of torsion of wandering spleen

Wandering spleen with a ten-time twisted vascular pedicle

Torsion of a wandering spleen is a rare cause of acute abdomen in children, usually diagnosed with color-Doppler ultrasonography and enhanced computed tomography. We report a pediatric case of torsion of wandering spleen

A multilayer edge-on single photon counting silicon microstrip detector for innovative imaging techniques in diagnostic radiology

A three-layer detector prototype, obtained by stacking three edge-on single photon counting silicon microstrip detectors, has been developed and widely tested. This was done in the framework of the Synchrotron Radiation for Medical Physics/Frontier Radiology (SYRMEP/FRONTRAD) collaboration activities, whose aim is to improve the quality of mammographic examinations operating both on the source and on the detector side. The active surface of the device has been fully characterized making use of an edge-scanning technique and of a well-collimated laminar synchrotron radiation beam. The obtained data (interlayer distances, channel correspondence, etc.) have then been used to combine information coming from each detector layer, without causing any loss in spatial and contrast resolution of the device. Contrast and spatial resolution have also been separately evaluated for each detector layer. Moreover, imaging techniques (phase contrast, refraction, and scatter imaging), resulting in an increased visibility of low absorbing details, have been implemented, and their effectiveness has been tested on a biological sample. Finally, the possibility of simultaneously acquiring different kind of images with the different detector layers is discussed. This would result in maximizing the information extracted from the sample, while at the same time the high absorption efficiency of the detector device would allow a low dose delivery

Identification and characterization of the kynurenine pathway in the pond snail Lymnaea stagnalis

Dysregulation of the kynurenine pathway (KP) is implicated in many human diseases and disorders, from immunological, metabolic, neurodegenerative, and neuropsychiatric conditions to cancer, and represents an appealing target for new therapeutic approaches. In this intricate scenario, invertebrates, like Lymnaea stagnalis (LS), provide a flexible tool to unravel the complexity of the KP. Starting from the available LS genome and transcriptome, we identified putative transcripts of all KP enzymes containing an ORF; each predicted protein possessed a high degree of sequence conservation to known orthologues of other invertebrate and vertebrate model organisms. Sequences were confirmed by qualitative PCR and sequencing. At the same time, the qRT-PCR analysis revealed that Lym IDO-like, Lym TDO-like, Lym AFMID-like, Lym KMO-like, Lym AADAT-like, Lym KYAT I/III-like, Lym KYNU-like, Lym HAAO-like, and Lym ACMSD-like showed widespread tissue expression. Then, tryptophan, kynurenine, kynurenic acid, anthranilic acid, 3-hydroxy-kynurenine, xanthurenic acid, picolinic acid, and quinolinic acid were identified in the hemolymph of LS by UHPLC-Q exactive mass spectrometer. Our study provides the most thorough characterization to date of the KP in an invertebrate model, supporting the value of LS for future functional studies of this pathway at the cellular, synaptic, and behavioral levels

The Use of Psychotropic Medication in Pediatric Oncology for Acute Psychological and Psychiatric Problems: Balancing Risks and Benefits

Severe acute behavioral and emotional problems represent one of the most serious treatment-related adverse effects for children and adolescents who have cancer. The critical and severe nature of these symptoms often makes necessary the use of psychotropic drugs. A working group composed of experts in multiple disciplines had the task of creating an agreement regarding a management plan for severe acute behavioral and emotional problems (SABEPs) in children and adolescents treated for cancer. To obtain global information on the use of psychotropic drugs in pediatric oncology, the working group first developed and mailed a 15-item questionnaire to many Italian pediatric oncology centers. Overall, an evident lack of knowledge and education regarding the use of psychotropic medications for the treatment of SABEPs was found. Thus, by referring to an adapted version of the Delphi method of consensus and standard methods for the elaboration of clinical questions (PICOs), the working group elaborated evidence-based recommendations for psychotropic drugs in the pediatric oncology setting. Furthermore, based on a thorough multivariate analysis of needs and difficulties, a comprehensive management flow was developed to optimize therapeutic interventions, which allows more accurate and efficient matching of the acute needs of patients while guiding treatment options

Nomenclature for renal replacement therapy and blood purification techniques in critically ill patients: practical applications

This article reports the conclusions of the second part of a consensus expert conference on the nomenclature of renal replacement therapy (RRT) techniques currently utilized to manage acute kidney injury and other organ dysfunction syndromes in critically ill patients. A multidisciplinary approach was taken to achieve harmonization of definitions, components, techniques, and operations of the extracorporeal therapies. The article describes the RRT techniques in detail with the relevant technology, procedures, and phases of treatment and key aspects of volume management/fluid balance in critically ill patients. In addition, the article describes recent developments in other extracorporeal therapies, including therapeutic plasma exchange, multiple organ support therapy, liver support, lung support, and blood purification in sepsis. This is a consensus report on nomenclature harmonization in extracorporeal blood purification therapies, such as hemofiltration, plasma exchange, multiple organ support therapies, and blood purification in sepsis