Introduzione

Il continuo sviluppo tecnologico che caratterizza la società moderna interessa tutti i settori della nostra vita. Questa grande spinta innovativa risulta essere determinante nello sviluppo della ricerca soprattutto in uno dei settori strategicamente più importanti ovvero quello medico-sanitario. In particolare, negli ultimi decenni, si è assistito ad una crescente integrazione tra conoscenze di carattere prettamente medico e biomedico e conoscenze di tipo ingegneristico. L'introduzione dell'informatica in ambito biomedico rientra in questa vasta gamma di sinergie risultando esserne spesso la forza trainante dal punto di vista applicativo. In particolar modo l'uso di tecnologie informatiche afferenti al ramo della visualizzazione scientifica costituisce oggi il mezzo più idoneo per una rapida ed esauriente rappresentazione dei dati biomedici.

Nell'ambito della diagnostica per immagini l'ecografia ricopre un posto di primaria importanza. Tra i vantaggi derivanti dal suo utilizzo ricordiamo brevemente che si tratta di una tecnica non invasiva, che non usa radiazioni ionizzanti, estremamente portabile facile da utilizzare e relativamente economica rispetto alle altre tecniche di acquisizione di immagini. Le tecniche ad ultrasuoni hanno dato soprattutto un notevole impulso allo studio e alla ricerca clinica della funzionalità cardiaca assumendo una importanza fondamentale sia in fase diagnostica che prognostica. La tecnica ecocardiografica risulta particolarmente affidabile per la valutazione delle modificazioni morfologiche e funzionali del miocardio. L'ecografia cardiaca infatti rappresenta una metodica non invasiva e di facile impiego per visualizzare il cuore durante lo svolgimento della sua funzione fisiologica. Grazie al grande progresso tecnologico che ha interessato negli ultimi anni il campo della microelettronica, si hanno ora a disposizione degli strumenti in grado di acquisire in tempo reale l'intero volume del cuore durante il ciclo cardiaco. In questo importante settore della ricerca opera da anni il laboratorio di Bioimmagini del Dipartimento di Elettronica Informatica e Sistemistica dell Università degli Studi di Bologna presso il quale sono stati messi a punto degli algoritmi in grado di individuare i contorni endocardici per l'estrazione dell'area e del volume del ventricolo sinistro. L'obiettivo di questa tesi è di verificare l'efficacia di tale procedura, e, in particolar modo, ci siamo posti due obiettivi principali:

• la validazione della procedura semi-automatica basata sul "modello Level-Set" in grado di individuare i contorni endocardici per l'estrazione dell'area del ventricolo sinistro.
  
• la valutazione degli effetti dell'assenza di peso indotti dalla microgravità sulle dimensioni del ventricolo sinistro (LV) e dell'efficacia dell'applicazione LBNP (Low Body Negative Pressure) come contromisura .

Per fare questo abbiamo analizzato un data set di immagini ecocardiografiche acquisite durante una campagna di voli parabolici dell'ESA (Agenzia Spaziale Europea) l'unico sistema che consente di condurre esperimenti medico-scientifici sull'uomo in condizioni di assenza di peso, completando gli studi effettuati nello spazio e sulla terra.

L'apparato cardiovascolare risulta essere, come vedremo, fortemente influenzato dalla forza di gravità. E in particolare le alterazioni emodinamiche che si vengono a creare in questa nuova situazione sono responsabili di molte delle conseguenze associate all'intolleranza ortostatica (una serie di disturbi quali vertigini e nausea riconducibili ad una insufficiente circolazione di sangue alla testa e al cervello cui segue, dopo pochi minuti di stazione eretta, un senso di svenimento che costringe ad assumere la posizione orizzontale.) sperimentata dagli astronauti al loro rientro nel campo gravitazionale terrestre dopo i voli spaziali. Poichè adattamento alla microgravità provoca nell'organismo delle modificazioni simili alle conseguenze dell'invecchiamento, lo sviluppo di nuovi metodi per prevenire gli effetti negativi dell'esposizione all'assenza di peso può trovare applicazioni importanti nelle azioni di promozione della salute e di medicina preventiva sulla Terra.

La tesi consta di 4 capitoli e di una appendice di cui si riporta una breve descrizione:

Capitolo primo - Fisiologia in microgravità

In questo capitolo verrà brevemente introdotto il concetto di microgravità come condizione straordinaria per effettuare esperimenti scientifici. Successivamente verranno descritti gli effetti dell'assenza di peso sulla fisiologia umana ed in particolare sul sistema cardiocircolatorio. Quindi descriveremo le tecniche comunemente utilizzate per contrastare e limitare gli effetti negativi indotti dall'assenza di peso sull'uomo. Infine illustreremo i diversi metodi utilizzati per ottenere condizioni di microgravità soffermandoci in particolare sui voli parabolici.

Capitolo secondo - Ecografia e Metodi Level Set di evoluzione di curve e superfici nello spazio.

Viene descritta l'ecografia come tecnica di acquisizione di bioimmagini evidenziandone i vantaggi ed i limiti. Poi passeremo a descrivere i metodi Level set, basati su equazioni differenziali alle derivate parziali, per l'estrazione di contorni cardiaci alla base della procedura utilizzata per segmentare le immagini ecocardiografiche oggetto del nostro studio.

Capitolo terzo - Elaborazione di immagini acquisite in microgravità

Viene presentata la procedura di elaborazione applicata ad immagini ecocardiografiche acquisite durante due campagne di voli parabolici in condizioni di microgravità. Inoltre in questo capitolo descriviamo la procedura di validazione del metodo semiautomatico di detezione dei contorni endocardici, confrontando attraverso analisi di regressione e di Bland-Altman, i contorni ottenuti da tale procedura con quelli tracciati manualmente da due esperti cardiologi.

Capitolo quarto - Analisi statistica dei risultati ottenuti.

In questo capitolo effettueremo un'analisi dei risultati ottenuti compiendo le elaborazioni statistiche.

Le conclusioni e una breve indicazione degli sviluppi futuri chiudono la tesi. In appendice viene riportato il codice degli script realizzati in Matlab.