• scattering dei fotoni
• saturazione di ossigeno
• riflessione fotoni
• photon scattering
• photon reflection
• photon absorption
• photoacoustic technique (PA)
• oxygen saturation
• non-invasive imaging
• near infrared spectroscopy (NIRS)
• manual image segmentation
• legge di Lambert-Beer
• Lambert-Beer law
• interfaccia grafica
• imaging non invasivo
• image segmentation
• Grafic User Interface
• Eco/PA
• Eco/PA
• diabetic wounds
• assorbimento dei fotoni
• active contour segmentation
• segmentazione a contorni attivi
• segmentazione di immagini
• segmentazione manuale
• skin ulcers
• spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS)
• tecnica fotoacustica (PA)
• ulcere cutanee
• ulcere diabetiche

Le lesioni cutanee croniche, come ulcere diabetiche, ischemiche, venose e da pressione, rappresentano un enorme problema sociale, riducendo la qualità della vita del paziente, in quanto dolorose e debilitanti. Al giorno d'oggi, il sistema di monitoraggio delle ferite croniche basato su tecniche di imaging non invasive sta acquisendo sempre maggiore importanza.
Tra queste, la spettroscopia nel vicino infrarosso (Near InfraRed Spectroscopy: NIRS) è una tecnologia tra le più promettenti in campo medico per la misura a livello regionale ed in tempo reale di parametri quali la saturazione dell’ossigeno ed il flusso ematico, facendo uso di strumentazione portatile e relativamente a basso costo.
Un’altra tecnica particolarmente interessante dal punto di vista clinico è la tecnica fotoacustica (Eco/PA). Negli ultimi decenni il lavoro sull'imaging nelle applicazioni biomediche ha intrapreso un nuovo cammino verso l'utilizzo di una tecnica che sfrutta il fenomeno fotoacustico.
Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno della fase preclinica di un progetto di ricerca volto alla sperimentazione di un nuovo patch per il trattamento di ulcere indotte su un modello animale di topo diabetico (topi DB/DB). Il suddetto progetto mira ad un progresso oltre lo stato dell’arte sulla comprensione dei meccanismi di guarigione delle ferite croniche e degli effetti molecolari e cellulari indotti da fattori di crescita di derivazione piastrinica.
Gli esperimenti sono stati condotti presso lo stabulario del CNR-Pisa. Gli animali sottoposti a sperimentazione sono stati organizzati in gruppi per tipologia di trattamento utilizzato: Mepore (pellicola protettiva senza medicazione), Acquacel (patch commerciale per la medicazione), Acquacel + lisato piastrinico (patch sperimentale). Da protocollo, sono stati previsti tre timepoints di controllo e cambio medicazione rispettivamente al tempo 0 (giorno 0), tempo 1 (giorno 8) e tempo 2 (giorno 15).
Le immagini NIRS ed Eco/PA acquisite sono state elaborate rispettivamente con Matlab2018b e il VevoLab (software proprietario del macchinario Eco/PA).
Questo lavoro di tesi è stato articolato in diverse fasi:
- La fase sperimentale, svoltasi in laboratorio ha previsto le acquisizioni delle immagini dei soggetti sottoposti a sperimentazione mediante l’utilizzo delle metodiche di imaging, NIRS ed Eco/PA,
- Lo studio approfondito delle immagini acquisite utilizzando la NIRS e la Eco/PA, mediante l’estrazione di parametri geometrici e funzionali (saturazione media percentuale di ossigeno) da esse, con l’obiettivo di valutare l’efficacia dei trattamenti farmacologici previsti dal protocollo, adoperati nella fase sperimentali sugli animali.
Inoltre, è stata realizzata un’interfaccia grafica come strumento che potrebbe essere molto utile, anche in clinica, da utilizzare per la valutazione dell’evoluzione dello stato di guarigione delle ulcere fornendo la possibilità al medico di monitorare sia i parametri geometrici (area e perimetro) sia il grado di ossigenazione delle aree di interesse.
Dall’analisi delle dimensioni delle lesioni nel corso delle due settimane di osservazione è emerso che, nella maggior parte dei casi, le lesioni tendono a guarire quasi totalmente, riportando una riduzione percentuale dell’area della lesione, rispetto alla dimensione iniziale, mediamente maggiore per i soggetti trattati col patch sperimentale.
L’obiettivo, però, dell’utilizzo delle tecnologie di imaging per il monitoraggio delle lesioni è quello di andare oltre quelli che rappresentano i parametri puramente geometrici, utilizzando informazioni legate alla variazione del grado di ossigenazione tissutale superficiale nelle zone lese. Dall’analisi delle mappe di saturazione acquisite con la NIRS in tutti i casi si è verificata una riduzione del valore dei valori di saturazione media nella ferita, in accordo a quanto riportato in altri studi in letteratura. Gli andamenti osservati per i valori della saturazione di ossigeno media percentuale nel letto della ferita mostrano, per entrambe le metodiche utilizzate e nella maggior parte dei casi, un trend simile.
Come ci aspettavamo, non è stato possibile ottenere un match tra le due tecniche analizzate (viste le differenze delle due metodiche di imaging), ma l’analisi incrociata delle due tecniche ci ha portato a comprendere come queste, utilizzate simultaneamente nel corso di uno studio, possano fornire informazioni utili vicendevolmente e come, grazie all’integrazione delle informazioni provenienti da entrambe le metodiche, si possa avere un quadro d'insieme più completo e attendibile per quanto riguarda la valutazione dello stato di guarigione delle ulcere che si monitorano.
Il presente lavoro di tesi fornisce indicazioni utili per un possibile utilizzo clinico delle tecniche NIRS ed Eco/PA per il monitoraggio di lesioni cutanee e la valutazione dell’efficacia di trattamenti innovativi.

Chronic wounds, such as diabetic, ischemic, venous and pressure ulcers, represent a huge social problem, reducing the patient's quality of life, inasmuch as they are painful and debilitating. Nowadays, the chronic wound monitoring system based on non-invasive imaging techniques is becoming increasingly important.
Among these, the Near InfraRed Spectroscopy (NIRS) is one of the most promising technologies in the medical field for the measurement at regional level and in real time of parameters such as oxygen saturation and blood flow, making use of portable and relatively low cost instrumentation.
Another particularly interesting technique from a clinical point of view is the photoacoustic (Eco/PA) technique. In recent decades work on imaging in biomedical applications has embarked on a new path towards the use of a technique that exploits the photoacoustic phenomenon.
This thesis is part of the preclinical phase of a research project aimed at testing a new patch for the treatment of induced ulcers on an animal model of diabetic mouse (DB/DB mouse). The aforementioned project aims at progress beyond the state of the art on the understanding of the healing mechanisms of chronic wounds and of the molecular and cellular effects induced by platelet-derived growth factors.
The experiments were conducted at the CNR-Pisa. The animals tested were organized into groups by type of treatment used: Mepore (protective film without dressing), Acquacel (commercial patch for the dressing), Acquacel + platelet lysate (experimental patch). As a protocol, three control timepoints and medication changes were scheduled at time 0 (day 0), time 1 (day 8) and time 2 (day 15) respectively.
The acquired images NIRS and Eco /PA were processed respectively with Matlab2018b and VevoLab (proprietary software of the Eco / PA machinery).
This thesis was divided into several phases:
- The experimental phase, held in the laboratory, involved the acquisition of images of the subjects subjected to experimentation through the use of imaging methods, NIRS and Eco / PA,
- The in-depth study of the images acquired using NIRS and Eco / PA, through the extraction of geometric and functional parameters (average oxygen saturation percentage) from them, with the aim of evaluating the effectiveness of the pharmacological treatments provided for by the protocol , used in the experimental phase on animals.
In addition, a graphical interface has been created as a tool that could be very useful, even in the clinic, to be used for the evaluating of the wound healing process providing the possibility to monitor both the geometric parameters (area and perimeter) and the degree of oxygenation of the areas of interest.
The analysis of the size of the wounds over the two weeks of observation showed that they tend to heal almost totally, reporting a percentage reduction of the area of the lesion, compared to the initial size, on average greater for subjects treated with the experimental patch.
However, the goal of using imaging technologies to monitor lesions is to go beyond those that represent purely geometric parameters, using information related to the variation in the degree of surface tissue oxygenation in injured areas. From the analysis of the saturation maps acquired with the NIRS in all cases there was a reduction in the value of the wound average saturationaccording to what reported in other studies in the literature. The trends observed for the mean percentage oxygen saturation values in the wound bed are similar for both the methods used in most cases.
As we expected, it was not possible to obtain a quantitative match between the results obtained using the two techniques analyzed (given the differences of the two imaging methods), but the cross-analysis of the two techniques led us to understand how these, used simultaneously during a study, can provide useful information to each other and how, thanks to the integration of information from both methods, it is possible to have a more complete and reliable overall picture as regards the assessment of the healing status of the ulcers that are monitored.
This thesis provides useful indications for a possible clinical use of NIRS and Eco/PA techniques for monitoring skin lesions and evaluating the effectiveness of innovative treatments.