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Obiettivo della ricerca -------------------------- Esistono vari contesti critici in cui le tecniche di ricostruzione dell'attività elettrica cerebrale normalmente utilizzate possono risultare inadeguate, quali la presenza di patologie (lesioni morfologiche espansive che alterano funzionalmente ed anatomicamente l'encefalo) e/o l'attivazione delle zone encefaliche profonde o delle aree corticali temporali, potenziali sedi di focus epilettici. In simili contesti, una non ottimale configurazione degli elettrodi sullo scalpo, che non consente di raccogliere i segnali funzionali generati nelle sopraccitate condizioni critiche, oppure l'introduzione di errori eccessivi nelle fasi di post-processing del segnale elettroencefalografico, in seguito ad una modellizzazione non corretta o incompleta del volume conduttore della testa, sono alcuni tra i motivi che possono inficiare la capacità dei metodi standard di ricostruzione dell'attività elettrica cerebrale. L'Unità di Bioingegneria di Trieste, da anni attiva nella ricerca in questo settore, propone con il presente progetto di ricerca di procedere all'indagine per la definizione di metodiche avanzate di ricostruzione di componenti di attività elettrica cerebrale nelle condizioni critiche sopra citate. La presente ricerca si propone di sviluppare un approccio di indagine con metodiche multimodali non invasive che integri dati neurofisiologici e di neuroimaging di diverso tipo, consentendo la localizzazione delle aree cerebrali massimamente attive sia corticali che profonde, e la loro sequenza di attivazione su una scala temporale estremamente fine. Sarà così possibile identificare le strutture morfo-funzionali coinvolte nella genesi e nella propagazione dell'attività elettrica cerebrale e chiarire i rapporti che esse intrattengono con aree cerebrali limitrofe dotate di attività funzionale. Le metodiche e le tecnologie sviluppate verranno validate in diverse condizioni critiche: patologie (lesioni morfologiche espansive che alterano funzionalmente ed anatomicamente l'encefalo) e/o attivazione delle zone encefaliche profonde o delle aree corticali temporali (potenziali sedi di focus epilettici). Precedenti indagini modellistiche dell'Unità di Bioingegneria di Trieste hanno consentito di evidenziare le caratteristiche di un modello del volume conduttore della testa con riferimento alla caratterizzazione elettrica e geometrica di eventuali lesioni morfologiche omogenee a carico dell'encefalo. I risultati finora ottenuti si sono basati su simulazioni per lo più ottenute con modelli sferici. Per l'estensione dei risultati a modelli di forma realistica, l'unità ha progettato e realizzato un software per la simulazione e l'analisi dei problemi bioelettrici. Tale software si basa su una struttura cross-platform eseguibile su PC mono o multi processore Windows e Linux, nonché su supercomputers Unix-like (consorzio interuniversitario Cineca). Tale supporto risolve i problemi bioelettrici con algoritmi alle differenze finite (FDM), consentendo una flessibilità nella definizione delle caratteristiche del modello superiore a qualunque altro approccio, e risulta pertanto uno strumento fondamentale per lo sviluppo di nuove metodologie di analisi ed interpretazione dei fenomeni bioelettrici. A fronte di un carico computazionale notevole, risultano particolarmente qualificanti ed innovative la facilità con cui si possono implementare la modellizzazione delle strutture anisotrope, i gradienti di variazione di conducibilità all'interno delle medesime strutture ed aumentare, ovvero ridurre, la complessità (numero di comparti) e la risoluzione spaziale del modello conduttivo della testa impiegato dai solutori. Questo approccio consente inoltre di rendere virtualmente non necessaria la segmentazione delle bioimmagini per la costruzione del modello del volume conduttore da utilizzare nelle procedure di mappatura dell'attività elettrica cerebrale, con notevoli vantaggi in particolare per l'utilizzo di modelli della testa di elevata complessità. Tali strumenti innovativi che l'unità di Trieste ha oggi a disposizione risultano fondamentali per un approccio realistico della presente proposta di ricerca. Nell'ambito del Progetto Coordinato, l'Unità di Bioingegneria di Trieste procederà alla definizione di un modello del volume conduttore della testa che consenta di realizzare una mappatura realistica 3D dell'attività elettrica cerebrale attraverso l'integrazione con registrazioni elettroencefalografiche. In particolare, dopo averne definite attraverso un'analisi per via simulativa le caratteristiche necessarie e gli eventuali limiti di validità, l'Unita' di Bioingegneria di Trieste costruirà un fantoccio numerico 3D della testa (denominato "modello del volume conduttore della testa") che mimi la forma reale della testa e delle sue strutture e la conducibilità dei suoi tessuti, in particolare in presenza di patologie morfologiche a carico dell'encefalo. Particolare attenzione sarà dedicata all'estensione richiesta per il modello del volume conduttore che consenta di ottenere una ricostruzione accurata anche di sorgenti profonde dell'encefalo. La ricerca consisterà in 4 fasi per ognuna delle quali vengono esposti i sotto-obiettivi parziali: # 1) Estensione del modello per la ricostruzione di sorgenti profonde dell'encefalo. ° 1a) Il modello necessario a ricostruire le sorgenti profonde deve estendersi nella parte bassa della testa ove sono presenti strutture come sacche gassose o muscoli, solo per citare comparti che non compaiono analizzando la parte superiore della testa, che inoltre possono essere altamente anisotrope (la conducibilità elettrica trasversale e longitudinale di un muscolo differiscono fino a 16 volte), e che costituiscono delle discontinuità conduttive e quindi comparti possibili in un modello. Dal punto di vista metodologico ci si propone di analizzare per via simulativa l'estensione geometrica del modello necessaria ad una accurata ricostruzione delle sorgenti profonde (estendendo l'analisi fino alla base del cranio, o fino alla base del collo se necessario). In questo specifico, va ricordato che i fenomeni bioelettrici si estendono all'interno di tutto il volume conduttore del corpo, trovando ostacoli al flusso di corrente (quali le cavità gassose o le strutture ossee) ma anche corsie preferenziali (sangue o fluido cerebro-spinale). ° 1b) Nella regione definita al punto 1a, andranno identificati i comparti da inserire nel modello realistico per garantire la necessaria accuratezza delle ricostruzioni della sorgente EEG. In questa fase verrà valutata anche la necessità di una descrizione anisotropica dei comparti stessi. ° 1c) Impiegando il modello realistico di cui sopra, verrà poi valutato il contenuto informativo delle registrazioni EEG sullo scalpo durante l'attivazione di zone profonde dell'encefalo. L'EEG fornisce un segnale contaminato da artefatti e rumore ed influenzato dal posizionamento degli elettrodi di misura. Si provvederà pertanto ad identificare i limiti in termini di rumore sui segnali da registrare e a definire una possibile configurazione di elettrodi sullo scalpo adatta allo scopo. Entrambi gli obiettivi verranno raggiunti impiegando simulazioni dei fenomeni bioelettrici e confrontando i risultati con quelli ottenibili dall'analisi di dati reali in collaborazione con l'Unità di Radiologia e Fisiologia di Trieste. Gli studi sui dati elettroencefalografici verranno svolti nell'ambito del Centro Interdipartimentale BRAIN dell'Università degli Studi di Trieste di cui questa Unità fa parte come "Unità di bioingegneria", avvalendosi della collaborazione dell'Unità di Fisiologia del Centro stesso, diretta dal Prof. Pier Paolo Battaglini e dell'Unità di Neurofisiopatologia dell'Azienda Ospedaliera-Universitaria Triestina (Dott. Fabrizio Monti), che vantano grande esperienza nel settore delle tecniche di analisi delle sorgenti di attività cerebrale. # 2) Contestualmente alla definizione del modello verrà verificata la disponibilità, nell'ambito degli esami clinici radiologici (con sperimentazione di varie metodiche RM in collaborazione con l'Unità di Radiologia di Pisa), di informazioni adeguate alla formazione del modello stesso. ° 2a) Si passerà quindi alla definizione di un protocollo per l'acquisizione multimodale di dati sufficienti e necessari per la costruzione del modello. In questa fase, in collaborazione con le Unità di Radiologia di Trieste e di Pisa, si procederà alla definizione di un modello del volume conduttore che incorpori al suo interno anche le caratteristiche individuali di conducibilità dei tessuti. Questo modello sarà basato sulla deduzione quantitativa del tensore di conducibilità elettrica dei tessuti a partire dal tensore di autodiffusione dell'acqua, misurato con tecniche di imaging DT-MRI. Questo protocollo prevedrà sia le specifiche di metodica/modalità per le bioimmagini sia le specifiche in termini di risoluzione spaziale e di contrasto per le immagini; dovrà inoltre prevedere prescrizioni sugli accorgimenti per l'integrazione delle informazioni. La collaborazione già esistente con altri gruppi di ricerca particolarmente specializzati nel settore delle tecniche sperimentali di acquisizione del tensore di diffusione (IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza, S. Giovanni Rotondo - FG, Dott. Giuseppe Guglielmi) garantirà il necessario apporto di competenze scientifiche e tecnologiche. # 3) Nello specifico contesto della patologia verrà effettuata l'analisi delle alterazioni nelle proprietà elettriche dei tessuti "sani" dovute alla presenza di una lesione all'encefalo. Essa infatti, occupando spazio, deforma e comprime le strutture molli dell'encefalo. ° 3a) Si valuterà cosa comporti dal punto di vista elettrico questa deformazione morfologica e quali siano le sue implicazioni dal punto di vista modellistico. ° 3b) Si quantificherà il ruolo di queste alterazioni locali delle proprietà dei tessuti sulla distribuzione del potenziale sullo scalpo, sulla loro interpretazione e sull'accuratezza della stima delle sorgenti neuronali. # 4) Ci si propone inoltre di sviluppare una serie di strumenti per la visualizzazione integrata di dati e strutture, atta a fornire un adeguato "feedback" informativo nell'analisi dei risultati della mappatura dell'attività elettrica cerebrale, oltre ad un software specifico per la visualizzazione delle informazioni relative al tensore di diffusione e di conducibilità dei tessuti. Tali strumenti si baseranno su potenti e flessibili strumenti freeware ed open-source per lo sviluppo di pipeline grafiche, quali VTK (Visualization Toolkit) e OpenGL, e si integreranno con il sistema di simulazione dei fenomeni bioelettrici sviluppato dal gruppo. Le rappresentazioni grafiche si baseranno su: ° visualizzazione multi-monitor; ° vista "multi-renderer" di diverse differenti modalità di visualizzazione, presenti contemporaneamente sullo schermo, + tutte dotate di possibilità di "navigazione interattiva" (rotazioni e "zoom") + con sincronizzazione dei punti di vista prospettici nelle diverse finestre 3D e + possibile scelta differenziata del dettaglio; ° visualizzazioni 3D stereografiche a basso costo (monitor autostereografico che permetta la visualizzazione stereo a più utenti contemporaneamente oppure con occhiali "shutterglasses" per stereografia "monoutente"). Si prevede di concludere la ricerca con la preparazione e il deposito di un brevetto nazionale e internazionale
