Qualitative analysis of a microtomographic apparatus and measurement of the bone tissue density with reference to microgravity conditions

La Tomografia Computerizzata è una nuova tecnica di imaging che consente la ricostruzione e l'analisi della struttura interna di oggetti opachi senza che questi vengano in alcun modo danneggiati. La possibilità di analizzare campioni senza modificarli o danneggiarli conferisce a questa nuova tecnica un grande vantaggio rispetto alle tecniche di microscopia tradizionale. I microscopi ottici ed elettronici infatti, consentono di ottenere informazioni tridimensionali sulla struttura interna dei campioni analizzati ma l'opportuna preparazione dei campioni richiesta può modificarne drammaticamente la struttura interna. La Micro Tomografia Computerizzata ha lo stesso principio di funzionamento della tradizionale Tomografia Computerizzata, una corretta analisi delle proiezioni del fascio di raggi X ottenute dall'attraversamento del campione e l'applicazione dei principi base di tomografia consentono di ottenere la struttura tridimensionale del'oggetto in esame. Attraversando la materia, il fascio di raggi X subisce un'attenuazione proporzionale alla densità e al numero atomico del materiale attraversato. La radiazione attenuata è convertita in livelli di grigio nelle corrispondenti immagini radiografiche generate. Il campione viene investito dal fascio di raggi X secondo diverse angolazioni in modo tale che il successivo processamento delle proiezioni con opportuni algoritmi permetta la corretta ricostruzione della struttura tridimensionale dell'oggetto. Il termine "micro" sta ad indicare l'elevata risoluzione del sistema microtomografico. Mentre la Tomografia tradizionale permette di raggiungere risoluzioni massime dell'ordine del millimetro, la microtomografia consente di raggiungere risoluzioni molto minori, dell'ordine dei micron. Questa caratteristica rende la microtomografia adatta all'analisi di oggetti di piccole dimensioni, quali ad esempio campioni di osso trabecolare in cui le dimensioni medie delle trabecole sono paragonabili alla risoluzione del sistema.L'elevata incidenza sulla popolazione mondiale di patologie ossee, come ad esempio l'osteoartrite o l'osteoporosi, hanno spinto molti ricercatori ad approfondire la possibilità di ottenere un'accurata caratterizzazione ossea tramite l'utilizzo della microtomografia. Il microtomografo utilizzato in questa ricerca è lo Skyscan 1072, presente presso il Dipartimento di Tecnologia e Salute dell'Istituto Superiore di Sanità. Il primo obiettivo di questa ricerca sarà uno studio approndito del microtomografo a disposizione al fine di ottimizzarne l'utilizzo per l'analisi di campioni ossei. Come prima analisi si misurerà la risoluzione dello Skyscan 1072. La valutazione delle performance di sistemi per acquisizioni di immagini può essere valutata con il calcolo della Funzione di Trasferimento della Modulazione (MTF) dello strumento. La MTF descrive in modo completo la perdita di informazione nel processo che va dall'acquisizione alla visualizzazione dell'immagine al diminuire delle dimensioni dell'oggetto indagato. Essa definisce la relazione tra la risoluzione di contrasto e la risoluzione spaziale del sistema. La seconda parte di questo studio preliminare sarà focalizzata sul processo di ricostruzione delle immagini. La ricostruzione delle immagini è uno step fondamentale nell'analisi microtomografica. E' noto che le immagini provenienti da questo tipo di analisi sono affette da artefatti di diversa origine. Uno degli artefatti più dannosi e anche più difficile da rimuovere è il beam hardening. Il fascio di radiazione X che investe il campione è solitamente un fascio policromatico ovvero composto da raggi X di diversa energia. Nell'attraversare l'oggetto, i raggi con energia maggiore sono meno attenuati rispetto ai raggi di minore energia e quindi viene rilevato un valore dell’attenuazione tanto minore quanto maggiore è lo spessore del materiale attraversato. La presenza del beam hardening causa distorsioni nelle immagini create econseguenti errori nell'analisi quantitativa delle stesse. Al fine di capire l'effetto di questo artefatto sulle immagini e correggerlo al meglio per l'analisi di campioni ossei, l'algoritmo di retroproiezione filtrata, comunemente utilizzato per la ricostruzione di immagini tomografiche, verrà implementato in LabVIEW (Version 8.2). Uno dei principali problemi dell'analisi microtomografica di campioni ossei è il post-processing delle immagini per la valutazione dei parametri istomorfometrici. I programmi generalmente utilizzati richiedono una previa binarizzazione delle immagini. La binarizzazione richiede la definizione di un valore di soglia dei livelli di grigi al fine di evidenziare gli oggetti ossei nell'immagine. La scelta di questo valore è un argomento di ricerca tutt'ora aperto e non esiste un metodo standard per la sua definizione. Il processo di binarizzazione introduce un ulteriore problema relativo alla definizione dei bordi degli oggetti nell'immagine. Binarizzare significa associare ogni pixel a osso o non-osso, non considerando che alcuni pixel, specialmente quelli relativi al bordo di un oggetto, non sono facilmente associabili a una delle due classi. Al fine di eliminare il problema della binarizzazione sopra esposto, l'obiettivo principale di questa ricerca sarà lo sviluppo di un nuovo metodo per l'analisi istomorfometrica delle ossa, basato sull'analisi diretta dell'istogramma dei livelli di grigi dell'immagine. L'ultima parte della ricerca sarà dedicata al processo di rimodellamento delle ossa. Capire come l'osso reagisce ai carichi esterni è molto importante in quanto consente di avere maggiori informazioni nello studio delle patologie ossee, quali ad esempio l' osteoporosi. L'osteoporosi è una patologia ossea caratterizzata da una perdita di massa ossea e resistenza causata da fattori nutrizionali, metabolici o patologici. Lo scheletro è soggetto ad un maggiore rischio di fratture patologiche, in seguito alla diminuzione di densità ossea e alle modificazioni della microarchitettura delle ossa. L'invecchiamento, nonostante sia il principale fattore di incidenza di questa patologia, non è l'unico. Negli ultimi anni, si è posta particolare attenzione all'elevata percentuale di insorgenza di questa malattia in soggetti che hanno partecipato a missioni spaziali di lunga durata. In condizioni di microgravità, il tessuto osseo, non essendo sollecitato da carichi esterni, va incontro ad aumento del catabolismo e perde l'1- 2% del calcio totale dopo solo qualche settimana di microgravità. Non è semplice riprodurre queste condizioni in esperimenti in-vivo, una possibile alternativa è lo sviluppo di modelli numerici per la simulazione del processo di rimodellamento osseo.