Fisica medica

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Il gruppo di Fisica Medica effettua ricerche per il miglioramento delle metodiche diagnostiche in ortopedia e per l’introduzione alla pratica clinica ortopedica delle tecnologie informatiche e delle comunicazioni (ICT).  Il gruppo ha acquisito specifiche competenze nel settore delle tecniche microtomografiche per la caratterizzazione dei tessuti ossei e dei biomateriali. Partecipa inoltre a  progetti di ricerca nazionali ed internazionali nel settore del trasferimento tecnologico in ortopedia quali:

  • Progetto europeo VIRTUS: per la diffusione su vasta scala di servizi di telemedicina (2001-2003);
  • Progetto regionale HandHealth:  per la validazione di strumenti palmari in ambito ortopedico (2004-2006);
  • Progetto di ricerca finalizzata: sviluppo e validazione di soluzioni per la computer aided medicine in ortopedia (2005-2007);
  • Progetto europeo LHDL: Living Human Digital Library: per la creazione di una libreria digitale interattiva e di servizi per l'accesso a dati biomedici relativi all'apparato muscolo-scheletrico (2006-2009);
  • Progetto europeo VPHOP: The Osteoporotic Virtual Physiological Human, valutazione di nuove tecnologie diagnostiche nella predizione del rischio di frattura osteoporotica (2008-2012);
  • Progetto di ricerca finalizzata: Early diagnosis of pending failures of total hip arthroplasty with hard-to-hard bearings (2010-2014);
  • Progetto di ricerca finalizzata: Manufacturing information of orthopedic articular prosthesis. Analysis of specific safety issues for radiotherapy, magnetic resonance, orthopedic surgery and identification of a traceability model (2012-2015).

Sezione 2D di un campione di cemento chirurgico con propagazione della frattura

 


Tecniche microtomografiche per la caretterizzazione dei tessuti ossei e dei biomateriali

La microtomografia a raggi X (microCT) è una tecnica emergente per la caratterizzazione non distruttiva di piccoli campioni in vari campi della ricerca, per es. in ortopedia, in odontoiatria e nei biomateriali. Essa è basata sugli stessi principi della comune tomografia assiale computerizzata. Il sistema istallato al LTM_IOR (Skyscan 1072, Skyscan, Belgium, http://www.skyscan.be) offre un imaging ad alta risoluzione (5-20 microm/pixel) per campioni di dimensioni di 4-20 mm. Il sistema permette una visualizzazione 2D e 3D dei campioni esaminati.

Il sistema microCT Skyscan 1072 installato al LTM-IOR:   a sinistra, il sistema microCT; a destra, il PC esterno

 Immagine 3D ottenuta mediante microCT di un campione di osso trabecolare umano  (campione di forma cubica, 4 x 4 x 4 mm3)

Immagine microCT in 3D della regione di transizione tra osso trabecolare e osso corticale umano  (dimensioni campione 4 x 4 x 6 mm3)

 

Campi di impiego nel laboratorio:

  • Istomorfometria ossea (per es. densità delle trabecole, spessore delle trabecole)
  • Caratterizzazione dei biomateriali (per es. porosità)

Caratterizzazione dei parametri strutturali assieme alle proprietà meccaniche dell'osso trabecolare.
Un vantaggio della microCT rispetto all'istologia è che la prima è un metodo di indagine non distruttivo, che mantiene la struttura del campione intatta, permettendo prove ed analisi ulteriori (per esempio prove meccaniche). In questo modo è possibile combinare le informazioni strutturali del campione osseo esaminato mediante microCT (per es. densità e spessore trabecolare) con le proprietà meccaniche determinate sperimentalmente (per es. modulo elastico, tensione di rottura).

Immagine microCT in 3D di un campione di osso trabecolare prima e dopo una prova meccanica in compressione (campione di forma cilindrica: diametro 10 mm, altezza 20 mm):

Immagine microCT in 3D del campione prima del test meccanico

Immagine microCT in 3D del campione dopo il test meccanico, con visibile zona di rottura del campione

Pubblicazioni correlate:

  • Perilli E, Baruffaldi F, Bisi MC, Cristofolini L, Cappello A. A physical phantom for the calibration of three-dimensional X-ray microtomography examination. J Microsc. 2006 May;222(Pt 2):124-34.
  • Perilli E, Baruffaldi F, Visentin M, Bordini B, Traina F, Cappello A, Viceconti M. MicroCT examination of human bone specimens: effects of polymethylmethacrylate embedding on structural parameters. J Microsc. 2007 Feb;225(Pt 2):192-200.
  • Zauli G, Rimondi E, Stea S, Baruffaldi F, Stebel M, Zerbinati C, Corallini F, Secchiero P. TRAIL inhibits osteoclastic differentiation by counteracting RANKL-dependent p27Kip1 accumulation in pre-osteoclast precursors. J Cell Physiol. 2008 Jan;214(1):117-25.
  • Panaroni C, Gioia R, Lupi A, Besio R, Goldstein SA, Kreider J, Leikin S, Vera JC, Mertz EL, Perilli E, Baruffaldi F, Villa I, Farina A, Casasco M, Cetta G, Rossi A, Frattini A, Marini JC, Vezzoni P, Forlino A. In utero transplantation of adult bone marrow decreases perinatal lethality and rescues the bone phenotype in the knockin murine model for classical, dominant osteogenesis imperfecta. Blood. 2009 Jul 9;114(2):459-68.
  • Tassani S, Ohman C, Baleani M, Baruffaldi F, Viceconti M. Anisotropy and inhomogeneity of the trabecular structure can describe the mechanical strength of osteoarthritic cancellous bone. J Biomech. 2010 Apr 19;43(6):1160-6.
  • Tassani S, Ohman C, Baruffaldi F, Baleani M, Viceconti M. Volume to density relation in adult human bone tissue. J Biomech. 2011 Jan 4;44(1):103-8
  • Giannini C, Siliqi D, Bunk O, Beraudi A, Ladisa M, Altamura D, Stea S, Baruffaldi F. Correlative light and scanning X-ray scattering microscopy of healthy and pathologic human bone sections. Sci Rep. 2012;2:435.
  • Tassani S, Matsopoulos GK, Baruffaldi F. 3D identification of trabecular bone fracture zone using an automatic image registration scheme: A validation study. J Biomech. 2012 Jul 26;45(11):2035-40.
  • Benasciutti E, Mariani E, Oliva L, Scolari M, Perilli E, Barras E, Milan E, Orfanelli U, Fazzalari NL, Campana L, Capobianco A, Otten L, Particelli F, Acha-Orbea H, Baruffaldi F, Faccio R, Sitia R, Reith W, Cenci S. MHC class II transactivator is an in vivo regulator of osteoclast differentiation and bone homeostasis co-opted from adaptive immunity. J Bone Miner Res. 2014 Feb;29(2):290-303.

Downloads:

Un dataset microCT di una biopsia di osso trabecolare umano esaminato al LTM-IOR e' scaricabile liberamente dal web. Clicca qui.

Contenuto aggiornato il 24/06/2014 - 17:16
Redazione contenuti: Dott. Fabio Baruffaldi (baruffaldi@tecno.ior.it)
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